喷射混凝土技术

喷射混凝土技术发展与应用报告人：罗朝廷中铁西南科学研究院2010.8辽宁本溪1.喷射混凝土作用机理与性能特征2.喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析3.高密实高抗渗喷射混凝土4.喷射混凝土新技术及其应用5.湿喷技术内涵6.喷射混凝土施工技术关键要点内容提要核心内容是介绍中铁西南院基于射流密实机理研究而取得的科研成果《高密实高抗渗喷射混凝土技术》以及在此基础上开发的相关技术初期支护功能定位：《隧道围岩稳定性及其控制技术》核心理念：初期支护承受全部形变荷载二衬只是防水结构和安全储备强化初期支护，二衬标准化简单化贵广铁路二衬优化设计（Ⅳ级围岩取消钢筋），节约8亿水平：国际先进目标：建立中国隧道修建技术体系由隧道大国变为隧道强国1、喷射混凝土作用机理与性能特征项目背景:对新奥法的应用与理解存在偏差不重视初期支护（甚至混淆初期支护与临时支护的概念）二衬过于强大造成隧道安全事故多和造价高在复合衬砌结构体系中喷射混凝土是初期支护，而不是临时支护不但要保证施工安全，还要保证运营安全在隧道设计寿命周期内，都得承受荷载1、喷射混凝土作用机理与性能特征作用机理：NATM的技术基础新奥地利隧道修建方法（简称新奥法）遵循这样一个原理，即主动地使隧道围岩（岩土体）成为环状承载“结构”的一部分。软岩隧道控制变形，防止松散形成承载环1、喷射混凝土作用机理与性能特征围岩主动承载作用的激发（控制变形）应力重分布变形坍塌（变形控制不力）传统矿山法等待坍塌后自稳NATM控制变形初始应力开挖支护稳定一次应力二次应力三次应力四次应力1、喷射混凝土作用机理与性能特征硬岩隧道（节理裂隙）关键块体稳定防止危石坍落镶嵌咬合节理裂隙发育硬岩隧道喷射混凝土也需要及时1、喷射混凝土作用机理与性能特征隧道工程的本质和关键—控制变形控制变形的手段—初期支护控制变形的关键—快！！初期支护结构体系--喷射混凝土、锚杆、拱架、钢筋网喷射混凝土作用--灵魂与血肉（可以共同也可以单独）1、喷射混凝土作用机理与性能特征加强初期支护加厚喷层、加密钢支撑--事倍功半改进喷射混凝土性能--事半功倍1、喷射混凝土作用机理与性能特征喷射混凝土性能强度指标：早期强度黏结强度基准强度1、喷射混凝土作用机理与性能特征耐久性能指标：密实性抗渗性电通量抗冻标号喷射混凝土技术现状干喷：目前的工艺水平和员工技能1d强度3～8MPa28d强度15～25MPa喷射混凝土目的不是砂石料水泥的堆砌而是必须满足以上性能指标要求才能实现控制变形的目的1、喷射混凝土作用机理与性能特征喷射混凝土强度理论普通混凝土强度理论—水灰比法则射流密实理论—射流密实特征研究速凝理论—速凝对水泥石微观结构影响2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析混凝土结构浆体充填砂石料空隙并将其胶结为一个整体多孔材料混凝土性能控制的核心就是:孔隙率和孔隙结构密实度是影响混凝土强度和耐久性的关键因素△fc=500(1-dc)--不密实引起的强度损失密实度降低1%，强度降低5%换算为容重：容重降低5Kg，强度降低1%密实性是混凝土耐久性的先决和必要条件密实度dc=d/d0d--喷射试件密度d0–充分振捣试件密度2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析混凝土孔隙分类种类成因影响因素尺度凝胶孔毛细孔气泡蜂窝孔2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析水化产物的内部孔隙不可见多余水蒸发水灰比不可见含气、引气、喷射裹入不可见浆体充填不饱满射流密实过程肉眼可见喷射混凝土混凝土强度影响因子影响因子干喷湿喷W/C毛细孔人工(喷嘴阀门)粗约控制设备(搅拌站)准确控制α水泥石微观结构喷嘴加水，混合时间太短搅拌形成浆体，水化充分dc蜂窝孔射流密实特征分析速凝剂水泥石微观结构人工粗约控制设备准确控制2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析混凝土有三种成型密实方式振捣密实自密实喷射射流密实2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析密实特征分析振捣密实浆体流动方向为三维充填饱满水囊泌水射流密实1浆体流动方向为一维2受速凝影响，扩散距离小3浆体充填与骨料嵌入骨料和钢筋背面阴影区孔隙2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析根据射流密实特征分析干湿喷射密实性（蜂窝孔）差异干喷管道水泥呈粉体形态（分离）组分比例不稳定充填不易饱满（骨料背后阴影区）容重2200左右湿喷管道水泥呈浆体形态（包裹砂石料）组分比例基本稳定充填容易饱满容重2350左右2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析实现高密实度喷射混凝土的基本条件根据喷射混凝土射流密实特征，要实现浆体充填饱满总浆体量满足要求（配合比）喷嘴料流质量拌和物工作性设备性能（实现均匀稀薄流）浆体充填饱满度决定密实度2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析喷嘴料流质量（管道料流形态）混凝土拌和物工作性2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析关键技术：大流动性混凝土保持粘聚性管道不离析喷嘴不跌浆2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析流动性混凝土（材料保证）管道均匀稀薄流（设备保证）高密实性喷射混凝土这在喷射混凝土理论和实践上都具有重要意义3、高密实高抗渗喷射混凝土根据射流密实理论指导开发了高密实高抗渗喷射混凝土技术直观参数：容重≥2350Kg/m3实现途径：流动性混凝土+管道均匀稀薄流输送高抗渗抗渗标号：P403、高密实高抗渗喷射混凝土大板试件取芯将园柱试件加工成园堆试件抗渗试验3、高密实高抗渗喷射混凝土4MPa水压作用下的渗水高度3、高密实高抗渗喷射混凝土3、高密实高抗渗喷射混凝土西南院200多组试验数据：抗渗标号达到P40所有喷射混凝土（0.7水灰比）都可以达到P20以上并且是3d龄期就可以达到材料抗渗结构抗渗裂纹（收缩裂纹、变形裂纹）施工缝基面处理3、高密实高抗渗喷射混凝土喷射混凝土高抗渗能力机理初步分析：在高密实度基础上喷射过程中裹入气泡以及蜂窝孔阻断毛细孔通路3、高密实高抗渗喷射混凝土高密实和高抗渗的意义密实性是混凝土强度的基础，更是耐久性的关键（是必要条件但不是充分条件），大量研究表明:混凝土的渗透性与其耐久性之间有着密切的联系,因此通常认为渗透性是评价混凝土耐久性最重要指标降低各种腐蚀介质如水、CO2、O2、硫酸盐、氯离子在混凝土中的渗透性和扩散性以及Ca(OH)2的溶出抗渗性能与抵抗离子扩散能力是有差异的抗渗能力（体现物理密实）抗离子扩散能力（体现化学密实）目前的试验结果是突破性的，需要进一步的试验研究3、高密实高抗渗喷射混凝土4、喷射混凝土新技术及其应用密实机理研究高密实喷射混凝土优化配合比与工艺参数喷射混凝土新技术支护结构新功能早高强喷射混凝土高强喷射混凝土高性能喷射混凝土低碳环保喷射混凝土混凝土材料新技术应用目的目标早高强喷射混凝土技术我院承担的铁道部科研课题国标1d强度≥5MPa铁道部1d强度≥10MPa根据喷射混凝土作用机理在软岩隧道或断层破碎带提高标准3h强度标准（Ⅵ级围岩）8h强度标准（Ⅴ级围岩）1d强度标准4、喷射混凝土新技术及其应用早期强度影响因素水胶比、环境温度、外加剂、外掺料途径：通过高强实现早强，通过外加剂和外掺料提高早期水化速度，以及共同作用。环境温度对早期强度指标影响很大（配比变化）通过外掺料与早强剂的联合作用，早高强喷射混凝土可以达到以下标准：3h强度--1～5MPa8h强度--10～20MPa1d强度--20～30MPa早高强喷射混凝土适用于软岩或大变形隧道以控制围岩变形；城市浅埋隧道控制地面沉降。4、喷射混凝土新技术及其应用高强喷射混凝土技术C40～C60低水胶比、高工作性、无碱速凝剂原材料控制（级配与含泥量）配合比优化外掺料外加剂4、喷射混凝土新技术及其应用高性能喷射混凝土技术高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。吴中伟技术途径：低水灰比(高效减水剂){第五组分}矿物添加料{第六组分}优化射流密实过程以提高密实度改善过渡层及界面结构控制裂纹工艺途径：湿喷4、喷射混凝土新技术及其应用喷射混凝土耐久性基本指标控制电通量外掺料作用最为显著（必备组份）混掺效果最好可以达到小于800库仑4、喷射混凝土新技术及其应用青岛海底隧道高性能喷射混凝土技术应用高效减水剂：聚羧酸盐类，减水率≥30%超细粉：硅粉、粉煤灰水胶比：0.4(含速凝剂中含水量)强度等级：C351d强度：≥10MPa（具有更强控制围岩松弛与变形的能力）实际达到17MPa抗渗标号：可以达到P40氯离子扩散系数：≤3×10-12m2/s（0.79～2.34×10-12m2/s)电通量：≤1500C4、喷射混凝土新技术及其应用高强与高性能喷射混凝土的特殊性:由于具有低水胶比和较高水泥用量新拌混凝土具有很强的粘稠性,管道输送阻力大,应特别注意新拌混凝土的工作性,提高坍落度指标否则容易造成蜂窝孔，形成疏松结构虽然减少了毛细孔,但却增加了蜂窝孔高强(高性能)喷射混凝土其性能与工作性和喷射密实工艺过程的关联度更高因此:高性能混凝土必须首先具有高工作性4、喷射混凝土新技术及其应用低碳喷射混凝土技术应用射流密实理论，优化配合比和工艺参数，降低水泥用量，贯彻国家低碳经济理念C15喷射混凝土，胶凝材料用量250Kg/m3左右C20喷射混凝土，胶凝材料用量300Kg/m3左右C25喷射混凝土，胶凝材料用量350Kg/m3左右C30喷射混凝土，胶凝材料用量450kg/m3以内4、喷射混凝土新技术及其应用实施喷射混凝土新技术实现初期支护结构新功能提高初期支护技术标准与结构安全性优化隧道衬砌结构（减薄喷层或减薄二衬）早高强喷射混凝土控制变形（格栅替代型钢、城市及浅埋隧道控制地面沉降）优化施工方法（三台阶、两台阶）提高结构耐久性与结构自防水（水压力与冻涨压力）推广单层衬砌4、喷射混凝土新技术及其应用初期支护结构耐久性这是一个长期以来受到忽视的问题，既然初期支护结构是永久承载结构，就应该关注耐久性。初期支护耐久性的两个特征:首先，初期支护与围岩体接触，直接受到腐蚀介质的侵蚀，其环境作用等级高于二衬。其次，Ⅳ～Ⅵ级围岩初期支护应视为钢筋混凝土结构，耐久性问题突出。钢筋混凝土结构耐久性主要受混凝土保护和控制。铁建设[2005]157号文和GB50476-2008都回避了喷射混凝土，实际上喷射混凝土可以满足耐久性指标。4、喷射混凝土新技术及其应用4、喷射混凝土新技术及其应用要实现初期支护结构耐久性抗渗防水高性能喷射混凝土（腐蚀环境）如果钢支撑和钢筋网浸泡在水中绝无耐久性可言隧道防排水结构（四道防线）：围岩裂隙注浆喷射混凝土（黏结、折减系数）防水板二衬（静水压力）喷射混凝土结构自防水功能的开发在有水地段进行喷射混凝土施工，如果不事先对水进行处理，则水在压力作用下渗过早龄期喷射混凝土，形成透水通道，那么既不能发挥喷层的防水能力，又会对喷层造成溶蚀破坏。如果在喷射前对水进行注浆封堵或集中引排处理，使喷层在3天以内不受到水压力的作用，在3天以后对排水点实施封堵，则可以充分发挥喷射混凝土的高抗渗特性，实现初期支护结构自防水，既保护混凝土不受溶蚀破坏，钢支撑和钢筋网不受锈蚀破坏又有利于保护隧道周边生态环境。4、喷射混凝土新技术及其应用建议：根据沈丹客专隧道特征浅埋、地下水丰富、地表植被发育、人口稠密建议试验全封堵方案初期支护结构耐久性生态保护5、湿喷技术内涵发展湿喷技术的初衷是:粉尘与回弹(煤炭部:六.五攻关项目,喷锚降尘办公室)质量控制(质量管理体系，匀质性)性能改性（以高密实性为基础，新材料技术应用为依托）实现机械化施工为什么要推广湿喷技术?因为湿喷技术具有丰富的内涵从根本上解决粉尘问题-矽肺病可建立质量管理体系,对喷层质量实施有效控制充分享受混凝土技术发展成果，发展复合材料技术应用预拌混凝土和机械化施工技术发展绿色喷射混凝土技术(贯彻国家低碳发展理念)发展高强与高性能喷射混凝土技术（工艺基础）