喷射混凝土研究及应用现状

赵会会 张松军 徐向鹏

(1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司跃进煤矿，河南 义马 472399)



喷射混凝土研究及应用现状

赵会会1张松军2徐向鹏2

(1.河南理工大学资源环境学院，河南 焦作 454000; 2.河南大有能源股份有限公司跃进煤矿，河南 义马 472399)

介绍了喷射混凝土研究与应用现状，结合煤矿安全、地质学知识和经济效益等内容，从喷射混凝土外加剂、掺合料、喷浆工艺和喷浆机械四个方面进行了论述，提出用非金属矿物替代传统掺合料或外加剂的思路，对喷射混凝土技术的提升具有重要的现实意义。

喷射混凝土，掺合料，外加剂，非金属矿物

在矿井支护、隧道、大坝等工程中，人工混凝土施工往往要克服施工高度或体能的障碍，施工难度剧增，并时刻面临着安全风险。喷射混凝土是借助喷浆机将搅拌均匀的混凝土拌合物直接喷射至工作面的技术，凭借原料来源广泛、施工便利、对施工现场适应性强、施工速度快等优良性能得到了广泛的应用。但喷射混凝土存在回弹率高、粉尘大、强度低等缺陷。因此，研制出性能优良的喷射混凝土对提高支护工程强度、保护施工人员身体健康和减少浪费具有重要意义。

1 喷射混凝土原料

1.1 基础原料

喷射混凝土基础原料为水泥、细骨料和粗骨料。常用水泥包括普通硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥以其成分稳定，凝结时间短、强度高成为喷射混凝土的首选。细骨料选用普通细砂或中粒砂，砂中的粉尘和泥粒是影响喷射混凝土性能的主要因素之一。粗骨料选用一种被称作米石的人工石子。

1.2 外加剂

浇筑混凝土常用外加剂有减水剂、引气剂、流平剂、速凝剂等。但是，干法喷射混凝土基本上只用速凝剂，湿法喷射混凝土使用减水剂和速凝剂两种外加剂，所以，下文只介绍速凝剂和减水剂。1)速凝剂。速凝剂是混凝土喷射工艺实现的必备技术。在工程实践中，干法喷浆多用粉状速凝剂，湿法喷浆多用液体速凝剂。国内粉状速凝剂按主要成分大致可分为三类：铝氧熟料加碳酸盐系、铝氧熟料加明矾石系、非碱性粉末状速凝剂。新型复合速凝剂集中传统粉状速凝剂优势，改进不足，成为粉状速凝剂发展的主要方向。液体速凝剂朝着低碱或无碱、复合型的方向发展。随着大量性能好、性价比高的无碱液体速凝剂的成功研发和应用，湿法喷浆将取代干法喷浆在煤矿巷道支护上的应用。液体速凝剂的缺点是速凝效果差，气味大，价格贵，所以，最近几年来，有人给湿法喷浆机增加了速凝剂添加系统，使得干粉速凝剂可以应用于湿法喷浆，大大地提高了速凝效果，降低了成本，减少了喷射现场的气味，具有很好的推广价值。2)减水剂。国内减水剂按性能和时间可大致分为三个世代：第一代以木质素磺酸盐减水剂为代表，第二代以萘系减水剂为代表，第三代减水剂是聚羧酸盐减水剂。聚羧酸盐减水剂以其无毒、掺量低、减水率高、坍落度保持好等优点，成为日前减水剂研究的热点，发展迅猛。张艳飞等大胆尝试，用甲基丙烯酸接枝共聚改性淀粉制备混凝土减水剂，成为减水剂研究的新方向。

1.3 掺合料

混凝土常用掺合料有硅灰、粉煤灰、磨细矿渣和磨细天然沸石。在喷射混凝土中主要使用硅灰和磨细天然沸石，其他掺合料很少在喷射混凝土中使用。1)硅灰。硅灰在普通混凝土中得到了广泛应用，可以提高混凝土抗渗性、抗硫酸盐侵蚀性、抗冻融性，并能提高混凝土的抗碱—集料反应能力。但是，硅灰颗粒细小，进入人的呼吸道，有引起矽肺病的风险，所以，在扬尘严重的喷射混凝土施工中只是部分地使用。2)磨细天然沸石。天然沸石活性很低，当沸石矿磨细至比表面积500 m2/kg时，潜在活性被激活。由于粉磨过细，增大了混凝土的需水量，影响颗粒级配，也影响混凝土的力学性能。但是，细小颗粒增加了磨细沸石的粘结性，在提高喷射混凝土强度的同时，还可以降低喷射混凝土的喷射回弹率，所以，磨细沸石在山西煤炭行业得到了广泛应用。

2 喷浆机械和施工工艺

喷射混凝土的施工工艺分为干喷、潮喷和湿喷三种，但是，潮喷和干喷差别不大，往往看作一种。干喷工艺简单(见图1)，施工成本低，不易堵管，输送距离长，物料混合均匀，被广泛使用。主要缺点是回弹率高(30%左右)、粉尘大，质量稳定性差。

湿喷可以降低5%左右的喷射回弹率，粉尘可以降低10 mg/L左右，湿喷工艺见图2。现行湿法喷浆的主要不足是设备体积大，喷浆效率低，液体速凝剂价格贵、气味大，经常堵管。

3 喷射混凝土新技术

1)偏高岭土。偏高岭土是高岭土在650 ℃～800 ℃煅烧后的产物。偏高岭土与水泥的水化产物Ca(OH)2反应生成水化硅酸钙和水化铝酸钙，提高了混凝土强度，降低了水化体系的碱度。我们与焦作市煜坤矿业公司合作，把偏高岭土和其他水泥外加剂复配，生产的MK系列高效增强剂可以使喷射混凝土的标号达到C40，喷射回弹率降低10%，极大地提高了喷射混凝土的综合性能，是一个值得坚持的新的研究方向。偏高岭土与硅灰相比，主要优势是显著降低喷射回弹率，对人体安全(不会引起矽肺病)；偏高岭土与磨细沸石相比，主要优势是价格便宜。2)片柱状矿物。云母的单晶体为片状，硅灰石的单晶体为针状，借助长轴优势，其作用机理与钢纤维类似；云母和硅灰石的硬度低，安全性能上优于钢纤维；云母和硅灰石不易受氯离子侵蚀；云母和硅灰石在长期的地质作用下聚集成矿，具有先天的价格优势，钢纤维价格昂贵，每吨在4 000元～10 000元。因此，用云母或硅灰石替代钢纤维在喷射混凝土抗折强度方面的应用，合理、易操作。3)软质粘土岩中高岭石的平均含量达到70%，颗粒小，含有大量的有机物，因此具有很强的粘结力，可显著提高坯体的干坯强度。因此，用软质粘土岩替代化学粘结剂，既提高了性能，又经济环保。4)新型湿喷机的研究与应用。新型转子式混凝土湿喷机主要由送料装置、喷射机系统、速凝剂添加装置和行走机构等部分组成。通过协调螺旋轴的转速、螺旋叶片的直径、螺距、螺旋轴的直径、倾斜角度等参数以实现送料装置输送能力和喷浆机工作能力的匹配。设置速凝剂添加装置，使得干粉速凝剂可以应用于湿法喷浆，具有很好的推广价值。

4 结语

喷射混凝土施工过程中存在速凝剂腐蚀性大、掺合料价格昂贵或性能不佳、喷浆机械效率不高等诸多问题，严重制约着喷射混凝土技术的发展。本文从地质学角度出发，用高火山灰活性的偏高岭土替代硅灰或磨细沸石，用异型矿物替代价格昂贵的人造纤维，用软质粘土岩替代化学粘结剂，对喷射混凝土技术的提升具有重要的现实意义。

[1]吴文丰,齐家根,王丽娟,等.粉状速凝剂在喷射混凝土中的应用与研发趋势.中州煤炭,2011(12):36-38.

[2]张艳飞.甲基丙烯酸接枝淀粉共聚物用作减水剂的研究.中小企业管理与科技(上旬刊),2015(3):324-325.

[3]明 阳,陈 平,李 玲,等.矿渣、沸石粉复合掺合料在混凝土中的试验研究.混凝土与水泥制品,2011(12):10-14.

[4]马井雨.新型无碱无氯液体速凝剂的制备及其性能研究.济南：济南大学,2013.

[5]王然然.转子式混凝土湿喷机送料装置的设计与研究.徐州：中国矿业大学,2014.

The research and application situation of spray concrete

Zhao Huihui1Zhang Songjun2Xu Xiangpeng2

(1.ResourcesandEnvironmentInstitute,HenanUniversityofTechnology,Jiaozuo454000,China;2.YuejinCoalMine,HenanDayouEnergyCo.,Ltd,Yima472399,China)

This paper introduced the research and application situation of spray concrete, combining with the coal mine safety, geological knowledge and economic benefit and other contents, from the spray concrete additive, admixture, spraying technology and spraying machine four aspects made discussion, put forward the ideas using nonmetal mineral substitution of traditional admixture or additive, had important practical significance for the enhancement of spray concrete technology.

spray concrete, admixture, additive, nonmetal mineral

1009-6825(2015)18-0120-02

2015-04-15

赵会会(1989- )，女，在读硕士； 张松军(1963- )，男，工程师； 徐向鹏(1987- )，男，助理工程师

TU528

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