1.概述

噴射混凝土（sprayed concrete or shotcrete）是指借助壓縮空氣或其他動力輸送，將混凝土拌合物或預拌混凝土通過充氣管道送入噴射設(shè)備，并高速噴射至受噴面后快速凝結(jié)硬化所形成的一種混凝土。理論上，噴射混凝土也包括了噴射砂漿（無粗骨料）。

噴射砂漿/混凝土成型施工技術(shù)不同于傳統(tǒng)澆筑模具成型的混凝土，噴射混凝土成型不需要預先制造和安裝模具，可依托于受噴面（包括立面、頂面和地面）直接成型，屬于增材制造（AM）技術(shù)范疇，也是3D打印成型技術(shù)的一種（噴射3D打印技術(shù)）。

噴射混凝土技術(shù)所具備的簡便的工藝、施工高效、獨特的效果和造價經(jīng)濟的特點，已經(jīng)在隧道建設(shè)工程中獲得了廣泛應用。噴射混凝土在隧道支護作業(yè)中主要作用包括：(1)通過填充結(jié)構(gòu)表面的裂縫和節(jié)理，從而提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和強度。(2)能夠大面積與圍巖牢固接觸，從而進行支護。(3)利用接觸面的附著力和剪切力，把作用在噴射混凝土上的外力分散在圍巖上，防止出現(xiàn)局部掉塊，并在隧道壁面附近形成一個承載環(huán)，對圍巖的應力釋放起到控制效果。(4)填平圍巖凹面，避免出現(xiàn)應力集中，加強軟弱層，把壓力傳遞給鋼支撐和錨桿。為了防止圍巖被風化，在開挖之后要及時對壁面進行覆蓋。除隧道工程之外，噴射混凝土還在水利水電、護坡支護、礦山、地下工程、工程修補等諸多領(lǐng)域得到應用。噴射混凝土成型錨噴支護以及噴射混凝土支護與傳統(tǒng)的支護形式相比有著無可比擬的優(yōu)越性，對被襯物具有支襯、充填、隔絕、轉(zhuǎn)化的作用，一方面節(jié)約了鋼材和木材，降低了施工成本；另一方面使得施工簡單，工作安全，減輕了笨重的體力勞動，有利于一次成型和加快掘進速度，相信今后會獲得越來越廣泛地應用。

隨著現(xiàn)代交通的不斷發(fā)展，噴射混凝土質(zhì)量的好壞直接影響著我國眾多基礎(chǔ)設(shè)施工程的建設(shè)質(zhì)量和使用壽命。例如隧道工程是我國鐵路運輸以及公路運輸最為重要的組成部分，這些年隨著我國公路鐵路工程建設(shè)的加快，隧道工程也有了較大發(fā)展，在2018年我國隧道工程發(fā)展里程已經(jīng)達到了1735.6萬m。隧道施工過程中混凝土噴射技術(shù)是開挖初期支護非常關(guān)鍵的部分，其技術(shù)水平直接影響著隧道支護質(zhì)量以及施工的安全。

長期以來，噴射混凝土材料與工程技術(shù)沒有得到應有的重視，發(fā)展水平落后于工程技術(shù)發(fā)展的需求，特別是傳統(tǒng)的模具成型混凝土材料和技術(shù)相比，發(fā)展明顯滯后。近幾年，噴射混凝土材料制備的關(guān)鍵材料——噴射混凝土用速凝劑得到了快速發(fā)展，無堿液體速凝劑技術(shù)逐漸成熟，為噴射混凝土材料的高性能化發(fā)展提供了材料基礎(chǔ)；同時，噴射混凝土成型工藝也逐漸由干法噴射向濕法噴射方向轉(zhuǎn)型發(fā)展，噴射混凝土設(shè)備也正在逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化和智能化控制，明顯地提高了噴射混凝土作業(yè)環(huán)境和工程質(zhì)量。

但噴射混凝土產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展還處在比較粗放階段，噴射混凝土各種原材料、噴射專用設(shè)備、噴射工藝、檢測標準和設(shè)備、標準規(guī)范和質(zhì)量控制與驗收等關(guān)鍵材料和技術(shù)還待完善，操作施工人員技能尚待系統(tǒng)培訓。另外材料、設(shè)備、施工、設(shè)計、檢測和管理部分溝通協(xié)作繼續(xù)改善。

2.噴射砂漿/混凝土的發(fā)展歷程

噴射混凝土技術(shù)起始于20世紀的美國，發(fā)展至今已有100多年。1911年菲爾德自然史博物館的Carlton Akeley發(fā)明了噴射砂漿用的水泥槍（Cement Gun）并獲得專利并，成立了Cement Gun公司。1914年美國在礦山和土木工程中使用了噴射水泥砂漿。1953年建成的奧地利卡普隆水力發(fā)電站的米爾隧洞最早使用了噴射混凝土支護（干噴射機支護），此種方法就是“新奧法”。此后，瑞士、德國、法國、瑞典、美國、英國、加拿大和日本等相繼在土木工程中采用了噴射混凝土技術(shù)。濕法噴射工藝在第二次世界大戰(zhàn)之后研究成功，到20世紀70年代中期獲得商業(yè)應用。此后，噴射混凝土技術(shù)開始獲得了較快發(fā)展，在隧道與地下涵洞工程、邊坡與基坑工程、結(jié)構(gòu)補強加固工程、異型薄壁結(jié)構(gòu)工程與耐火工程獲得了廣泛應用。

1960年美國混凝土學會（ACI）就成立了噴射混凝土專業(yè)委員（506委員會），1966年首先制訂了《噴射混凝土施工規(guī)范》ACI506-66，1977年制訂了《噴射混凝土材料、配比與施工規(guī)程規(guī)定》ACI506-77。德國鋼筋混凝土協(xié)會與1974年制訂了《噴射混凝土施工規(guī)范DIN18551》，1976年制定了《噴射混凝土維護和加固混凝土結(jié)構(gòu)的規(guī)程》。1980年在英國召開的混凝土學術(shù)會議中，將噴射混凝土作為會議的三個主要議題之一。1996年，歐洲發(fā)布了《歐洲噴射混凝土指南》，該規(guī)程對噴射混凝土組成材料、施工工藝、試驗方法、質(zhì)量控制和健康與安全等均提出了明確規(guī)定。1999年挪威發(fā)布了《巖土支護用噴射混凝土指南》。從20世紀末至今，國內(nèi)外噴射混凝土技術(shù)有許多新進展，其中濕拌噴射混凝土技術(shù)和無堿液體速凝劑開發(fā)與應用代表著噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展方向。此外，硅灰、鋼纖維、有機纖維和其他功能材料在噴射混凝土中應用，顯著提高了噴射混凝土的力學性能與耐久性，推動噴射混凝土向高性能化和高耐久方向發(fā)展，噴射混凝土作為結(jié)構(gòu)混凝土使用受到設(shè)計和施工部門的重視。

我國冶金、水電部門在20世紀60年代末期開始研究噴射混凝土技術(shù)。1965年11月，第三冶金建設(shè)公司和冶金部建筑研究院程良奎等合作，成功地開發(fā)出了噴射混凝土機械、材料與工藝，并將噴射混凝土技術(shù)科研成果成功應用建造了鞍鋼弓長嶺鐵礦的礦山運輸巷道。1966年，北京地鐵工程使用噴射混凝土修復了因火災燒壞的鋼筋混凝土襯砌。這些都為我國早期噴射混凝土技術(shù)的研究與開發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1986年我國發(fā)布了國家標準《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)程》GBJ 86-85，后經(jīng)修改又發(fā)布了《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)程》GB 50086-2001和《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)程》GB 50086-2015，2016年發(fā)布了《噴射混凝土應用技術(shù)規(guī)程》JGJ 2156-2016；2017年發(fā)布了國際標準《噴射混凝土用速凝劑》GB 35159-2017。是我國噴射混凝土技術(shù)標準化建設(shè)日趨完善，有利推動了我國噴射混凝土材料與工程技術(shù)的發(fā)展。

3.噴射混凝土施工工藝

噴射混凝土施工技術(shù)有干法噴射工藝和濕法噴射工藝，兩種工藝各有特點，未來的發(fā)展方向是濕法噴射工藝。

3.1干法噴射工藝

干噴混凝土是將水泥、砂子、石子和除水外的其他所有外加材料按合理的配合比攪拌均勻后，利用干噴機，通過空壓機提供的風壓(一般在0.2MPa～0.4MPa)將混凝土干拌料噴射至受噴面，同時在噴嘴處加入一定量的水。施工工藝如圖1所示。干噴法工藝優(yōu)點可概括為：(1)施工工藝流程簡單方便、施工設(shè)備機具較少（只需強制攪拌機和干噴機）；(2)輸送距離長、施工布置方便靈活，輸送距離可達300m，垂直距離可達180m；(3)速凝劑可提前在噴射機前加入，拌和比較均勻。但干噴法也存在其固有的缺陷：(1)施工過程中粉塵量及回彈量均較大、工作環(huán)境惡劣、噴料時有脈沖現(xiàn)象且均勻度差；(2)實際水灰比不易準確控制，影響噴射混凝土的質(zhì)量；(3)生產(chǎn)效率低。此外，干噴噴射混凝土也存在后期強度損失多(30%~50%)及耐久性差的問題。因此我國已要求從2012年1月27日起在井下及隧道的混凝土噴射作業(yè)中禁止使用該方法，在其他工程領(lǐng)域噴射混凝土施工也逐漸由干噴法向濕噴法方向發(fā)展。

圖1 干噴工作過程示意圖

3.2濕法噴射混凝土

為了克服干噴法粉塵濃度大、回彈損失多等缺點，國內(nèi)外研究發(fā)展出濕法噴射工藝。20世紀60年代，“濕噴法”出現(xiàn)在斯堪的納維亞半島，該地區(qū)的噴射混凝土市場也因此發(fā)生了巨大變化，噴射混凝土的干噴法市場全部轉(zhuǎn)為濕噴法市場。在同一時期，也發(fā)生了噴射混凝土施工機械手操作逐步代替手工操作的重大轉(zhuǎn)變，并朝向摻加硅粉和鋼纖維的方向發(fā)展，其使用數(shù)量呈快速增長趨勢。

目前，濕噴法在國外噴射混凝土施工中占的比例較大，具體如表1所示。濕式噴射混凝土工藝在世界各種行業(yè)中以獨有的優(yōu)勢占據(jù)了主導地位，并成為一種發(fā)展趨勢。尤其是近幾年濕式噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展，極大地增加了濕式噴射混凝土在地下工程中的應用范圍。

表1 國外濕噴采用比例及其濕噴混凝土年消耗量

圖2 濕噴工藝流程圖

濕噴法施工工藝如圖2所示，其優(yōu)點表現(xiàn)在：(1)粉塵、回彈量均較低，生產(chǎn)環(huán)境狀況較好；(2)拌和水能與干料拌和均勻，水灰比能準確的控制；(3)生產(chǎn)率相對干噴法要高。但濕噴法也存在機械設(shè)備復雜龐大、維修費用高、輸送距離近、施工操作較吃力等缺點，這與工程中的成本經(jīng)濟、施工簡便的原則相違背。因此，為了更直觀的說明濕噴法與干噴法的工藝特點，現(xiàn)將各指標的性能對比列于表2中。

表2 干噴法與濕噴法技術(shù)性能比較

由于采用濕式噴射混凝土作業(yè)時設(shè)備投資較高，設(shè)備操作和維修要求有一定的技術(shù)水平，因此濕式噴射混凝土的施工成本高于干式噴射混凝土的施工成本，使?jié)袷絿娚浠炷良夹g(shù)在國內(nèi)的推廣受到一定程度的限制。但是，從施工的整體效益上來看，濕式噴射混凝土的總費用比任何形式干式噴射混凝土低。隨著我國地下工程對噴射混凝土質(zhì)量要求的提高，以及人們環(huán)保意識的不斷提高，干噴法因其固有的缺陷已經(jīng)不能滿足這些要求，濕噴法是未來噴射混凝土技術(shù)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在濕式混凝土噴射機已逐漸發(fā)展成熟并成為噴射混凝土作業(yè)的主要機具，而且在一些工程中要求必須采用濕噴工藝，干噴機或潮噴機正在一步一步退出歷史舞臺。鑒于噴射混凝土技術(shù)本身具有高度綜合機械化的特點，未來的技術(shù)應該朝著低成本、高效率、設(shè)備機動靈活、作業(yè)安全的施工工藝方向改進以及對現(xiàn)有的技術(shù)進行不斷革新。

4.噴射混凝土施工設(shè)備

4.1干式混凝土噴射機

對應于不同的噴射施工工藝，有干法混凝土噴射機。干式轉(zhuǎn)子式噴射機于1942年由瑞士ALIVA公司率先研制并應用，此后歐美各國相繼研制出各種干式噴射機，按結(jié)構(gòu)形式的不同大致可分為雙罐式、螺旋式、轉(zhuǎn)子式三種類型。國外部分廠家的干噴機性能參數(shù)見表3。

表3 國外部分干噴機性能參數(shù)

我國從20世紀60年代開始展開混凝土噴射機的研制工作，并相繼研制出冶建-65型、HLP-701型等各種干式混凝土噴射機，滿足了當時噴射混凝土工藝的要求。國內(nèi)典型干噴機性能參數(shù)如表4。

表4 國內(nèi)典型干噴機性能參數(shù)

“七五”期間，我國成功研制了潮噴機進一步促進和推廣了噴射混凝土技術(shù)在井工巷道的應用，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)成為潮式混凝土噴射機的主要型式。據(jù)統(tǒng)計，目前我國各行業(yè)投入使用的轉(zhuǎn)子式混凝土噴射機近10萬臺。但干（潮）噴施工作業(yè)粉塵濃度高、回彈損失大、噴射質(zhì)量不穩(wěn)定等問題始終沒有解決，鑒于干式混凝土噴射工藝的上述問題，2010年國家安監(jiān)總局禁止煤礦使用干式混凝土噴射機，明確將干式混凝土噴射機列為淘汰產(chǎn)品。促進了濕噴混凝土噴射機在煤礦的應用。第3批井工煤礦禁用設(shè)備明確規(guī)定干式混凝土噴射機于2012年1月27日起禁止使用，濕噴技術(shù)替代干噴已成為煤礦井下混凝土噴射技術(shù)的必然選擇。

4.2濕式混凝土噴射機

混凝土濕噴機按照工作原理的不同可分為風送型和泵送型兩大類。氣送式濕噴機利用壓縮空氣將物料在軟管中以“稀薄流”的形式輸送至噴嘴直接噴出。泵送型濕式混凝土噴機將“稠流”混凝土壓送至輸送管，利用安裝在輸送管出口噴嘴處接入壓縮空氣將混凝土噴射出去，泵送方式主要有柱塞泵式、螺桿泵式和擠壓泵式三種形式。各國濕式混凝土噴射機類型及參數(shù)見表5。國際隧道協(xié)會推薦采用泵送柱塞式濕噴機。

表5 各國濕式混凝土噴射機類型及參數(shù)

我國自20世紀80年代中期開始研制的濕式混凝土噴射機，主要有以下三種：(1)江西煤研所研發(fā)的罐式濕噴機；(2)煤科總院上海分院研發(fā)的SHP-1型活塞式濕噴機組；(3)煤科總院南京研究所研發(fā)的HPS4ZA型擠壓泵式濕噴機組。在20世紀90年代后期，鐵科院西南分院又研制出一種轉(zhuǎn)子活塞式濕噴機。近年來，由于噴射混凝土工藝的進一步完善，我國的噴漿裝備也漸漸得到了發(fā)展。國內(nèi)典型泵送式濕噴機參數(shù)對比如表6所示。

表6 國內(nèi)典型泵送式濕噴機參數(shù)對比

4.2.1風送型濕噴機

風送型濕噴機利用壓縮空氣將混凝土在輸料管中以“稀薄流”的形式輸送至噴嘴處摻加速凝劑后噴出，主要有轉(zhuǎn)子式、轉(zhuǎn)子活塞式、螺旋式、罐式、葉輪式等。我國研制出的風送型濕式混凝土噴射機有TK-961型濕式混凝土噴射機、SPZ-6型濕式混凝土噴射機等，這兩種噴射機的工作原理詳細分析如下。

1.TK-961型濕式混凝土噴射機：該型號的噴射機是由鐵道科學研究院西南分院研制的新型噴射機，屬于轉(zhuǎn)子活塞式噴射機。已在中國寶成支線、渝長高速公路上應用，并獲取到國家專利(ZL9232716.5)。該噴射機主要是利用一組活塞將濕拌料推送至機器頂部的混合室，并將其與空氣充分混合后，利用軟管將物料輸送到噴嘴，在噴嘴處加入加速凝劑，最后噴至工作面。其主要優(yōu)點為送料連續(xù)性較好，且無余氣排放，空氣中的污染程度也非常小，但是在應用過程中存在著成本高，難保養(yǎng)等缺點。

2.SPZ-6型濕式混凝土噴射機：由北京礦冶研究總院研制，屬于氣送轉(zhuǎn)子式濕式混凝土噴射機。已于1996年通過了中國有色金屬工業(yè)總公司的技術(shù)鑒定，并獲得國家專利(ZL98207689.4)。其工作原理為：由電動機經(jīng)減速器帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進而輸送物料。具有較高的生產(chǎn)效率，且重量較輕，機動性較好。但是在應用過程中生產(chǎn)成本比較高、操作過程中也存在非常高的難度和復雜性以及比較困難的后期維護過程。

4.2.2泵送型濕噴機

由于風送型濕噴機在實際應用中存在最大輸送距離短、回風現(xiàn)象嚴重等缺點，因此難以滿足礦山井巷與地下工程建設(shè)中混凝土噴射作業(yè)的需要。而泵送型濕噴機可以克服風送型濕噴機存在的不足。它采用混凝土泵輸送物料，然后在噴嘴處接入壓縮空氣將混凝土噴射出去，主要有活塞泵式、螺桿泵式、擠壓泵式等，但是目前只有活塞泵式應用得比較好。

活塞泵式濕噴機關(guān)鍵技術(shù)主要掌握在西方發(fā)達國家手中，例如Meyco、Normet、Putzmeister等公司都有成熟的產(chǎn)品。但國內(nèi)一些機構(gòu)也進行了活塞泵式濕噴機的理論研究和樣機試制，例如鄭州瑞申機器制造有限公司的RPB7型濕噴機、安徽佳樂建設(shè)機械有限公司的YSP5-15S液壓泵送式混凝土濕噴機、河南新鄉(xiāng)市豫龍機電設(shè)備有限公司的濕噴機等，但都因液壓系統(tǒng)可靠性不足、性能無法滿足井下混凝土噴射要求，沒有獲得大規(guī)模推廣使用。國內(nèi)目前使用的各種大型的濕式噴射機多是從國外引進的柱塞式混凝土噴射裝備，主要有瑞典斯塔比萊托(Stabilator)、瑞士Meyco公司(麥斯特)、瑞士ALIVA公司(阿利瓦)及芬蘭Normet公司(諾麥特)等，價格昂貴。

4.3噴射混凝土機械手

近年來，大型噴射混凝土機械手濕噴工藝，已經(jīng)成為混凝土施工的一種新型方法，并在隧道施工過程中得到了廣泛應用。此項技術(shù)的應用，不僅大大提高了混凝土施工的工作效率和施工質(zhì)量，也同時改善了施工作業(yè)環(huán)境、降低了施工成本。

噴射機械手在20世紀60年代開始在國外使用，目前應用較多的有芬蘭的Normet、瑞士的Aliva、Meyco、日本的古河等系列型號。我國亦從70年代開始研制噴射機械手，目前較成熟的有中鐵軌道系統(tǒng)集團工程機械公司研制的HPS3016型、山東科技大學研制的RPJ型、以及中聯(lián)重科旗下的意大利CIFA公司CSS3型。但是噴射混凝土機械手也有其無法忽視的局限性，主要體現(xiàn)在：(1)受工作空間、工序要求及工作量大小的限制，且混凝土噴射機械手在很多方面并不適用，靈活性較差；(2)設(shè)備和人工成本費用較高；(3)系統(tǒng)部件繁多，施工技術(shù)含量較高。因此在現(xiàn)有機械手基礎(chǔ)上，未來噴射混凝土機械手如能加以改進，必然能得到更為廣闊的發(fā)展空間。

我國近幾年在混凝土噴射設(shè)備研發(fā)上獲得了快速發(fā)展。以中聯(lián)重科為代表的國內(nèi)大型設(shè)備制造企業(yè)開始噴射機械手設(shè)備的開發(fā)。中聯(lián)重科開發(fā)的CIFASpritzCSS-3噴射機械手利用可編程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了全自動噴射控制工程遙控遠程駕駛，通過遠程指揮中心可遙控操作濕噴機駕駛，底盤具有路況信息識別功能，遇到障礙物自動剎車制動。具有快速輪廓掃描功能，激光掃描儀具有216°掃描范圍，每秒高達萬點掃描速度，掃描時間小于2分鐘，掃描結(jié)束后隧道輪廓數(shù)據(jù)自動導入車載電腦。機械手信息化程度高，濕噴機可記錄施工過程中的各項參數(shù)，自動生成施工日志，并上傳到大數(shù)據(jù)平臺，進行遠程數(shù)據(jù)分析。2018年，鐵建重工開發(fā)出全智能型混凝土噴射機，據(jù)稱是全球首臺具有自感知、自決策與自適應功能的全智能型混凝土噴射機，集行走、泵送、自動掃描、智能噴射于一體的適用于礦山隧道噴護的混凝土噴射裝備，旨在取代人工操作實現(xiàn)自動噴射作業(yè)。

總體而言，我國現(xiàn)在大多數(shù)噴射設(shè)備還處于較低只能水平狀態(tài)。

中交第二公路工程局有限公司隧道工程公司在金斗量隧道實際施工中，使用濕噴設(shè)備較傳統(tǒng)工藝效果及綜合延米成本對比見表7。

表7 工藝效果及綜合延米電耗對比

5.噴射混凝土用速凝劑及其他外加劑的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

混凝土外加劑是一種在混凝土攪拌之前或拌制過程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。噴射混凝土的配制與施工需要各種化學外加劑，一般包括速凝劑、黏度調(diào)節(jié)劑和界面黏結(jié)劑，其中最重要的是速凝劑。

混凝土速凝劑是一種能使水泥或混凝土快速凝固的化學外加劑，有時也被稱作促凝劑。其主要功能是加速噴射混凝土的凝結(jié)硬化速度、減少回彈損失、防止噴射混凝土因重力引起脫落、加大一次噴射厚度以及縮短噴射層間的間隔時間等。目前，速凝劑已廣泛應用于隧道、城建、水利電力涵洞、引水洞等地下工程的噴射混凝土施工，結(jié)構(gòu)自防水的噴射混凝土支護、防漏、堵漏施工，地面混凝土快速施工、混凝土緊急搶險等工程中。

到20世紀末，混凝土速凝劑經(jīng)歷了由高堿粉劑到低堿粉劑再到高堿液體速凝劑三代的發(fā)展過程。而進入新世紀后，低堿甚至于無堿速凝劑開始逐步走向市場。

5.1粉狀速凝劑

粉狀速凝劑應用于干法噴射工藝，也分為堿性速凝劑和無堿速凝劑。大多數(shù)粉狀速凝劑都是高堿性速凝劑。國外對噴射混凝土速凝劑的研究要追溯到20世紀30年代，最早投入到工程使用的是由瑞士和奧地利共同研制并順利應用的西卡(Sika)速凝劑（其主要成分是硅酸鈉）。隨后，國外又出現(xiàn)了多種其它成分的速凝劑，其中絕大多數(shù)是以堿金屬碳酸鹽、鋁酸鹽為主要成分，這些速凝劑統(tǒng)稱為傳統(tǒng)速凝劑。該類速凝劑雖然滿足施工過程中速凝的要求，但后期強度損失過大，主要原因是含有大量的堿性物質(zhì)。

自20世紀60年代我國引進噴射混凝土技術(shù)以來，隨著對速凝劑的開發(fā)研究，我國也研發(fā)了不同種類的早期粉狀堿性速凝劑，例如紅星Ⅰ型（由中國科學院工程力學研究所于1966年研制成功）、711型（由上海市建筑科學研究所和上海市硅酸鹽制品廠于1971年研制而成）、陽泉Ⅰ型、73牌速凝劑、782型、J85型速凝劑等。這些速凝劑也具有較高的堿含量，摻量通常為水泥質(zhì)量的3%~5%。雖然摻入后對后期強度影響較大，但由于其速凝效果好、早強作用明顯、摻量和生產(chǎn)成本低，所以當時在國內(nèi)噴射混凝土施工中應用廣泛。

5.2液體速凝劑

液體速凝劑適用于濕法噴射工藝。隨著噴射混凝土技術(shù)的深入開展以及混凝土后期強度的要求，20世紀70年代中后期，國外開始研究無（低）堿速凝劑。例如美國和歐洲各國開始使用鈣鹽和鋁鹽代替堿金屬鹽進行研究，并生產(chǎn)了無堿速凝劑；而日本則主要致力于低堿速凝劑的研究。直到90年代末，美國及歐洲各國致力于無堿速凝劑的開發(fā)研究，如瑞士的MBT公司生產(chǎn)的MEYCOSA系列無堿液態(tài)速凝劑，優(yōu)點有早期強度高、Cl－含量低、施工中粉塵量少等。發(fā)展至今，美國、日本和歐洲等發(fā)達國家，已經(jīng)幾乎不存在堿性速凝劑。

與此同時，隨著噴射混凝土施工技術(shù)在我國的廣泛應用，液體堿性速凝劑、液體無(低)堿速凝劑、有機無機復合型液體速凝劑在我國開始逐步展開研究和發(fā)展。成功研制的NC300、KR-P、WJ-1型、AC型（由長沙研究所研制）、GK型（由石家莊鐵道學院和化工廠開發(fā)）和SL型（由北京工業(yè)大學和北京新港水泥制造有限公司聯(lián)合研制）等液體速凝劑，大力推進了我國濕噴技術(shù)的發(fā)展。其中液體速凝劑按堿含量可分為高堿、低堿和無堿液體速凝劑，按主要促凝組分可分為水玻璃型、鋁酸鈉(鉀)型、硫酸鋁型和無堿無氯型液體速凝劑。

5.2.1堿性液體速凝劑

水玻璃型是最早的液體速凝劑，其主要成分為硅酸鈉（鉀）。我國曾研發(fā)了兩種水玻璃型早強促凝劑NS1、NS2。這兩種速凝劑具有以下特點：凝結(jié)硬化快（混凝土可在2min內(nèi)終凝）、早期強度高（1d抗壓強度接近普通混凝土的28d強度）、可在低溫下施工、干縮變形大、摻量大。鋁酸鈉（鉀）型速凝劑一般以鋁酸鈉（鉀）為主要促凝組分，復配一些改性組分、有機醇胺、增黏組分或甘油等。張建綱等、王錦宇等、黃玉華等均對鋁酸鈉液體速凝劑進行了不同方面的改性，使其性能得到優(yōu)化以制備出效果更好的液體速凝劑。

上述兩種速凝劑的高堿含量易引發(fā)堿骨料反應且對人體皮膚具有強烈腐蝕性，這是限制它應用的最主要因素。而目前國際上比較知名的無堿液體速凝劑均屬于硫酸鋁系。

5.2.2無(低)堿液體速凝劑

在我國，王子明等以硫酸鋁和其他無機鹽制備出堿含量為9%左右的S-L低堿液體速凝劑。尚紅利研制的無堿速凝劑主要是由硫酸鋁、有機胺和懸浮劑組成。該速凝劑粘結(jié)性好、回彈量低、抗?jié)B性高、28d抗壓強度比能達到90%以上。王莊等研制的無堿速凝劑主要是由氟化鎂鋁、硫酸鋁、有機胺和穩(wěn)定劑組成。該速凝劑存放期長、摻量低凝結(jié)快、回彈率低、早期強度高、后期強度基本不損失、材料相容性好。中鐵隧道集團科學研究所曾用硫酸鋁、氫氧化鋁、三乙醇胺和聚丙烯酰胺配制出一種低回彈無堿液體速凝劑。長沙礦山研究院曾研究過把聚羧酸高效減水劑與硫酸鋁、氟化鈉等復合搭配研制成低堿速凝劑。上述無堿液體速凝劑雖然不存在高堿含量帶來的危害，但卻存在穩(wěn)定性差或含有有毒原料等缺點，所以仍需進行不斷改進。

近年來，研究者經(jīng)過持續(xù)努力研制出了一批優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。中國水利水電科學研究院研制了一種無堿無氯高早強液體速凝劑：由硫酸鋁、堿土金屬鹽、氫氧化鋁、羥基羥酸、有機胺化合物、穩(wěn)定劑合成。摻該種速凝劑的砂漿凝結(jié)時間可調(diào)、1d抗壓強度可達20MPa以上、28d抗壓強度比100%左右、合成工藝簡單、反應條件溫和。中國建筑材料科學研究總院研制了一種無堿無氯液態(tài)混凝土速凝劑，其組成成分有硫酸鋁、無機酸、多元醇、有機胺和配位劑。這一類速凝劑穩(wěn)定性好、摻加入水泥后分散均勻性好、早期強度高、后期強度損失小。但在我國市場上，無（低）堿液體速凝劑產(chǎn)品仍然存在產(chǎn)品種類少，綜合性能不良，價格昂貴等問題。

液體無（低）堿速凝劑憑借其早期強度增加快、后期強度減少小、無粉塵、含堿量低、對人的健康損害較小、回彈小、施工操作方便等優(yōu)點正逐漸取代傳統(tǒng)速凝劑，這種速凝劑的成功研制是混凝土外加劑研制的又一重大成果。速凝劑今后將向新型高性能無堿液體速凝劑方向發(fā)展，但以鋁酸鈉型和水玻璃型為代表的高堿液體速凝劑在未來仍將與硫酸鋁型無（低）堿液體速凝劑長期共存。由于液態(tài)無（低）堿速凝劑在適應性、摻量、穩(wěn)定性、強度影響、產(chǎn)量價格、施工控制和安全環(huán)保等方面仍存在很多問題，所以今后還需進行大量、深入、系統(tǒng)的研究進行改進。速凝劑促凝機制的研究是速凝劑發(fā)展的動力，對速凝劑促凝機制的探討和總結(jié)應是長期的工作。

圖3 速凝劑凝結(jié)時間對回彈率的影響

摻加速凝劑的水泥漿體的凝結(jié)時間也不是越短越好。王璞東等研究結(jié)果表明，初凝時間太短或者太長都不利于降低混凝土回彈量，速凝劑初凝時間對噴射混凝土回彈率的影響的試驗結(jié)果，見圖3。初凝時間控制3～4min時，噴射混凝土的回彈率相對較低。

6 噴射混凝土性能的檢測方法及標準規(guī)范

6.1工作性能

噴射混凝土不需要模板、無需振搗，這決定了濕噴混凝土工作性的特殊含義。特別是當使用速凝劑后，新拌噴射混凝土的性能在短時間內(nèi)迅速變化，因此噴射混凝土的工作性主要指終凝前的噴射混凝土。對于濕噴混凝土的工作性，很多研究者將其劃分為可泵性（也稱作可壓送性）、可噴性兩方面進行研究。

6.1.1可泵性

通常認為可泵性（可壓送性）包含流動性、穩(wěn)定性兩方面含義。流動性指新拌混凝土在管道中具有流動能力，能順利通過管道；穩(wěn)定性指新拌混凝土在壓送過程中保持混凝土初始拌和狀態(tài)時組成材料均勻性的能力。相對來說，混凝土的流動性容易測定，測定的標準方法有坍落度法、韋伯稠度法等。有研究者通過測定混凝土坍落度經(jīng)時損失、壓力泌水率等方式評價混凝土的穩(wěn)定性。Gordon認為濕噴混凝土坍落度的最佳范圍是40mm～80mm，Beaupré用坍落度及壓力泌水率雙控指標確定了濕噴混凝土可壓送區(qū)域。

新拌混凝土可泵性評價指標單一是目前存在的問題。我國《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015）中對混凝土的坍落度值只有推薦性指標(80mm~120mm)的要求，反映了混凝土的流動性要求。但是流動性并不能確保新拌混凝土在密閉的管道中是否穩(wěn)定以及發(fā)生分層離析。所以滿足可壓送性的新拌混凝土一定可以噴射，但并不能確保噴射后穩(wěn)定地留在噴射面上。因此除了可壓送性，新拌混凝土噴射至噴射面后還應當在回彈率低、不滑移、不脫落情況下達到一定的一次噴射厚度，即滿足可噴性。

6.1.2可噴性

可噴性并沒有精確的定義，只能定性地描述為噴射混凝土的可噴射能力，通常用回彈率和一次噴射厚度加以評價。一次噴射厚度可以定義為：進行分層噴射混凝土時，保證混凝土層在不錯裂、不脫落的情況下達到的最大厚度?；貜検菄娚浠炷脸Ｒ姮F(xiàn)象，通常情況采用平均回彈率表示，即受噴面上濺落的混凝土的總質(zhì)量與所噴射的混凝土總質(zhì)量比值的百分率?；炷聊芤淮螄娚涞捷^大厚度且不流漿和脫落即被認為可噴性較好。在我國目前尚沒有正式測定噴射混凝土一次噴射厚度和回彈率的方法，但在國外有一些研究者進行了設(shè)計研究并做出了一定貢獻。

為了使一次噴射厚度量化，Morgan設(shè)計了一種測試噴射厚度-脫落的試驗方法。Denis Beaupré設(shè)計了一種測定垂直于噴射面的一次噴射厚度的試驗方案，并得出結(jié)論：一次噴射厚度與新拌混凝土的屈服應力線性正相關(guān)，當新拌混凝土的屈服應力增大時，一次噴射厚度增大。當噴射混凝土的坍落度控制在140mm～160mm時，噴射混凝土的回彈率最低。由此可見，采用濕法噴射應嚴格控制混凝土的坍落度以減小混凝土的回彈率，降低原材料浪費。

噴射混凝土回彈率分為水平噴射回彈率和向上噴射回彈率，一般是在工地現(xiàn)場測試。采用直接稱重法和元素分析法測試回彈率都是對混凝土直接進行稱重，在現(xiàn)場施工的復雜環(huán)境下存在較大的偏差。而近十幾年來，三維掃描技術(shù)作為測試回彈率的新興技術(shù)發(fā)展迅速，具有高效率、低成本、易操作等優(yōu)點。羅意在對隧道噴射混凝土回彈分析中得出結(jié)論：三維激光掃描法的精確度更高，且無需直接接觸噴射面及混凝土，具有安全高效的特點。

對高強噴射混凝土的研究而言，找到可噴性與可壓送性之間的平衡是獲得噴射質(zhì)量較好的混凝土的必要條件，也是研究高強噴射混凝土其它性能與工程應用的基礎(chǔ)。新拌噴射混凝土的性能是噴射混凝土的一項關(guān)鍵性能，它關(guān)系到噴射手的安全，影響著噴射混凝土的回彈量、一次噴射層厚度，關(guān)系到混凝土密實的難易程度，對硬化后混凝土性能有重要影響，對于確保噴射混凝土的質(zhì)量及降低成本有著重要意義。

噴射混凝土施工中由于回彈量控制難度大等原因存在普遍“超耗”現(xiàn)象，噴射混凝土及其施工費用一直是隧道工程項目成本控制的重點。尤其對長大隧道來說，有時成為隧道工程項目盈利的關(guān)鍵。在建設(shè)某條超長隧道時，實測噴射混凝土超耗情況如表8所示。結(jié)果顯示超耗量大概為設(shè)計量的1倍。造成材料超耗的原因有多種原因，其中施工人員技術(shù)的影響最為顯著。經(jīng)過施工人員培訓和技術(shù)優(yōu)化后，材料超耗降低了50%，如表8。

表8 噴射混凝土在超長隧道內(nèi)超耗統(tǒng)計

6.1.3凝結(jié)時間的測定方法

由于噴射混凝土速凝的特性，無法采用普通塑性混凝土拌合物性能試驗方法標準（《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》（GB/T 50080—2016），或者ASTMC 403/C403M-08 Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistance）中規(guī)定的凝結(jié)時間測定方法，一般采用摻加速凝劑的水泥凈漿或者砂漿進行測試（《噴射混凝土用速凝劑》（GB/T 35159—2017），ASTMC 1102 Standard Test Method for Time of Setting of Portland-Cement Pastes Containing Quick-Setting Accelerating Admixtures for Shotcrete by the Use of Gillmore Needles, JSCE-D102-2005-2005 Specification for Set Accelerating Agent for Sprayed Concrete(Mortar)）。

中國鐵道科學研究院集團有限公司王軍偉等研究發(fā)現(xiàn)，依據(jù)GB/T 35159—2017檢驗結(jié)果的重復性優(yōu)于依據(jù)JC 477—2005檢驗的結(jié)果，但依據(jù)GB/T  35159—2017判定，無堿液體速凝劑檢驗結(jié)果的合格率會降低，有堿液體速凝劑檢驗結(jié)果合格率會升高。楊富民和黃斌等認為，采用GB/T 35159—2017規(guī)定的試驗條件（水膠比為0.35、快速攪拌時間控制在10s～15s時），檢測的無堿速凝劑的凝結(jié)時間符合工程實際情況。

水泥與水之間的反應是混凝土產(chǎn)生凝結(jié)的主要原因，混凝土的凝結(jié)時間與配制該混凝土所用水泥的凝結(jié)時間并不一致。標準中規(guī)定混凝土初凝時間和終凝時間分別為貫入阻力達到3.5MPa和27.6MPa的時間，但是貫入阻力并不代表當時混凝土的強度。實際上，初凝時混凝土基本沒有抗壓強度。

圖4 貫入阻力隨時間的變化曲線圖

由圖4可以看出，初凝時間和終凝時間只是曲線中的兩個時間點，連接這兩個點可以有很多曲線，凝結(jié)時間并不能完全反應混凝土凝結(jié)硬化的全部情況。對于凝結(jié)時間和早期強度要求高的噴射混凝土，獲得貫入阻力隨時間的變化曲線比僅僅測定凝結(jié)時間更重要。

6.2微觀性能檢測

混凝土材料的組成影響其水化硬化過程，從而進一步影響其微觀結(jié)構(gòu)，而最終微觀結(jié)構(gòu)決定力學性能及耐久性能。目前，國內(nèi)外對不同組成的水泥凈漿及其水化過程展開了較為深入的研究。有很多方法可以研究噴射混凝土的微觀性能，包括物相分析（X射線衍射法）、物相組成鑒定（熱分析方法）、微觀形貌（投射式電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡）、孔隙學研究（光學法、汞壓力法、等溫吸附法、小角度X射線散射法）等。例如呂鵬等采用環(huán)境掃描電鏡對硅酸鹽水泥早期水化進行了連續(xù)觀察并對其各階段水化過程及機理進行了分析；丁莎通過X射線衍射等方法，探索了噴射混凝土微觀性能與齡期之間的關(guān)系，并表明了噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)的密實度與水膠比有關(guān)；王曉麗通過X射線衍射和表面形貌測試與分析，發(fā)現(xiàn)石膏在水泥中的形態(tài)，以及NaAlO₂在速凝劑中占比的大小決定了混凝土凝結(jié)硬化的快慢。

6.3噴射混凝土的力學性能測定

6.3.1抗壓強度

噴射混凝土力學性能測試共分為10個齡期，分別為1h、3h、7h、1d、3d、7d、28d、60d、90d及180d(劈裂抗拉強度為后7個)。齡期小于1d試件的抗壓強度按照《硬化混凝土貫入阻力試驗方法》（ASTMC 803-2010）中的貫入法進行測定；其余齡期試件抗壓強度及劈裂抗拉強度按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)中規(guī)定進行，其中齡期小于7d力學性能采用鉆芯法圓柱體試件測定，大于7d采用立方體試件測定。

從技術(shù)本身來講，檢測噴射混凝土抗壓強度的方法有氣壓射釘槍法、切割鉆芯法、回彈檢測法、超聲波檢測法、回彈-超聲綜合法。其中氣壓射釘槍法和切割鉆芯法的劣勢在于：(1)所需時間較長；(2)對噴射混凝土結(jié)構(gòu)會造成一定的破壞。而回彈檢測法是一種新型的無損檢測技術(shù)，其原理是通過回彈儀對混凝土表面進行彈擊進而檢測混凝土的內(nèi)外強度，優(yōu)勢在于：(1)不會破壞混凝土的結(jié)構(gòu)和性能；(2)檢測結(jié)果相對較準確。超聲光譜法利用反射的剪切和壓力波(在0.1MHz~10MHz的范圍內(nèi))能夠檢測硬化水泥漿體和混凝土泊松比和剪切模量。試驗結(jié)果表明，超聲波檢測和氣壓射釘槍法檢測結(jié)果具有很好地吻合性，如圖5所示。

圖5 不同檢測方法結(jié)果的相關(guān)性

受檢測條件、環(huán)境以及目標本身的變異性和離散性的影響，目前噴射混凝土的強度檢測主要是采用噴大板法和鉆芯法。目前，涉及到的隧道工程噴射混凝土抗壓強度檢驗評定的標準主要有：《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T 50107—2010）、《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》（CECS 03：2007）、《鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 384—2016）和《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015），其中前3個均為推薦性規(guī)范。黃國富等人經(jīng)過研究得出：綜合試件養(yǎng)護環(huán)境和尺寸要求，提出對于濕噴混凝土強度質(zhì)量的檢驗應當采用實體強度值進行評定，并在前人研究的思路上總結(jié)出隧道工程結(jié)構(gòu)實體鉆芯取樣法噴射混凝土合格性評定方法。

6.3.2粘結(jié)強度

粘結(jié)強度是噴射混凝土最重要的性能指標之一。新修訂的國家標準《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)刪除了預留試件拉拔法和噴大板切割劈裂法，提出了噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強度的兩種試驗方法：(1)對鉆芯隔離的混凝土試件進行拉拔試驗；(2)對鉆取的芯樣進行拉力試驗。但新修訂的《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》(DL/T 5181—2017)仍保留了預留試件拉拔法、鉆芯拉拔法和噴大板切割劈裂法這3種方法作為粘結(jié)強度試驗方法。因此目前我國對粘結(jié)強度的試驗方法尚不統(tǒng)一。

諸多學者開展了相關(guān)試驗研究工作：馬興明等采用鉆芯安裝膨脹螺栓拉拔法和噴大板切割劈裂法開展了三峽右岸地下電站噴射鋼纖維混凝土與圍巖粘結(jié)強度測試，并建議采用劈裂抗拉強度替代粘結(jié)強度。楊紅艷對熱害隧道噴射混凝土開展了噴大板劈裂試驗和噴大板鉆芯植筋拉拔試驗的對比研究，結(jié)果表明劈裂法測定的粘結(jié)強度普遍大于鉆芯拉拔法測定強度，兩者相差15%～25%。羅榮等人研究表明：鉆芯隔離試件拉拔試驗測試強度值可作為粘結(jié)強度下限值，噴大板切割巖塊試件進行室內(nèi)拉力試驗的結(jié)果可作為粘結(jié)強度上限值。建議采用直徑100mm鉆芯隔離試件現(xiàn)場拉拔和噴大板切割試件拉力試驗相結(jié)合的方法，分別測試上、下限值綜合評價粘結(jié)強度。

采用噴大板切割試件開展室內(nèi)劈裂試驗是目前國內(nèi)開展噴射混凝土與圍巖粘結(jié)強度試驗的最主要方法。其優(yōu)點是操作相對簡單、試件制作方便、試驗條件容易控制、噴射混凝土與巖塊受擾動影響較小、軸拉試驗結(jié)果主要反映噴射混凝土與巖石的粘結(jié)強度。由于現(xiàn)場預留試件拉拔法和現(xiàn)場鉆芯拉拔法獲得滿足試驗條件的芯樣較為困難、測試效率較低，因此相關(guān)應用開展較少。

6.3.3彎曲韌性

混凝土作為一種多組分、多層次的非均質(zhì)材料，具有高承載力、良好的變形性能與彎拉韌性的優(yōu)點，因而廣泛地應用于井下運輸巷道、隧道襯砌、巖面斜坡、板殼結(jié)構(gòu)、橋梁等工程的維修加固中，對其彎曲韌性的測定極其重要

關(guān)于噴射混凝土彎曲韌性的測定，國內(nèi)大多采用梁式試件彎折試驗法。眾所周知，梁式試件與實際噴射混凝土受載作用機理有很大差別，因此不能直接用于測試噴射混凝土的彎曲韌性。我國CECS 13:2009標準中6.12節(jié)彎曲韌性試驗（圓板法）與ASTM(American Society of Testing Materials)C1550－03圓板彎曲試驗都使用的是直徑為800mm、厚75mm、板底三點對稱簡支的圓板試件，采用計算板底中心撓度達到40mm時試驗板所消耗功的指標進行評價噴射混凝土的工作性能。該試驗方法簡便合理而且試驗結(jié)果的歸一性很好，是目前最合適、可靠的噴射混凝土彎曲韌性評價方式。采用圓板法檢測噴射混凝土彎曲韌性已經(jīng)被廣泛應用并取得了豐富的實踐經(jīng)驗。

6.4噴射混凝土的耐久性能檢測

6.4.1噴射混凝土抗?jié)B性

抗?jié)B性差是噴射混凝土的突出問題，也是襯砌結(jié)構(gòu)普遍滲漏水的主要原因之一。近年來，各國研究人員對噴射混凝土的耐久性進行了初步研究?？?jié)B性的測試方法也越來越多，如滲水高度法、電通量法、氯離子滲透試驗、透氣性試驗、吸水性測試試驗等。

國外傾向于用滲水高度及相對滲透系數(shù)來評價混凝土的抗?jié)B性。我國也積累了這方面的經(jīng)驗，并在一些行業(yè)標準中采用了類似方法，如《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL 352—2006）、《公路工程水泥及混凝土試驗規(guī)程》（JTGE 30—2005）、《水運工程混凝土試驗規(guī)程》（JTS/T 236—2019）等行業(yè)標準均列入了滲水高度法或相對滲透系數(shù)法。我國的《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》（GB/T 50082—2009）在參考歐洲以及我國交通、電力、水工等行業(yè)標準的基礎(chǔ)上，制定了(平均)滲水高度方法。該方法通過在混凝土試件上持續(xù)24h施加1.2MPa的水壓力，然后測量試件的滲水高度用以反映混凝土的抗水滲透性能。該方法的優(yōu)點是試驗時間較短、試驗結(jié)果比較準確、可操作性較強。

應用電學或電化學方法快速評價混凝土滲透性是混凝土滲透性評價方法中一個重要的研究領(lǐng)域。目前，混凝土中CI^-滲透性快速檢測方法包括快速氯離子滲透系數(shù)法（RCM法）和電通量法（GB/T 50082—2009，ASTMC1202）。

快速氯離子滲透系數(shù)法（RCM法）快速測定的試驗原理和方法最早由唐路平等人在瑞典高校CTH提出，稱CTH法(NTBuild 492-1999.11)。目前該方法已被瑞士SIA 262/1-2003標準和德國BAW標準草案(2004.05)采納。我國GB/T  50082—2009中以NTBuild 492中的"Chloride Migration Coefficient from Nonsteady-state Migration Experiments"（非穩(wěn)態(tài)遷移試驗得到的氯離子遷移系數(shù)法）方法為藍本，經(jīng)適當?shù)奈淖中薷亩?，基本上為等同采用?/span>

ASTMC1202（簡稱電通量法）是美國材料實驗室協(xié)會制定的關(guān)于混凝土抵抗氯離子滲透能力的標準試驗方法，也是目前國際上應用最為廣泛的混凝土抗氯離子滲透性的試驗方法之一。該方法通過測定一定時間內(nèi)通過混凝土的電量從而快速評價混凝土滲透性的高低。

6.4.2噴射混凝土抗凍性

噴射混凝土在使用中分為兩種情況：一種是暴露在使用環(huán)境中的，比如邊坡加固、基坑以及國外一些不做二次襯砌的隧道等，在這些工程建設(shè)中就要考慮噴射混凝土抗凍性的要求；另一種是不暴露在使用環(huán)境中的，比如在隧道工程中噴射混凝土是一種作為部分初期支護的新型支護結(jié)構(gòu)，應用廣泛。在季節(jié)性凍土地區(qū)，氣溫的正負交替現(xiàn)象非常頻繁，有些地區(qū)的巖土凍融循環(huán)次數(shù)甚至每年就要達到上百次。因此，直接暴露在自然環(huán)境中（或者一定深度范圍內(nèi)的）的噴射混凝土都會受到寒冷氣溫的影響，從而引起噴射混凝土材料的損傷和破壞，對其結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生影響。因此，在寒冷地區(qū)的噴射混凝土必須考慮抗凍耐久性要求。

國際材料試驗協(xié)會(RILEM)制定的抗凍性試驗方法近年來一直處于變化之中，具體的過程為：(1)1977年國際材料試驗學會頒布了RILEMTC4-CDC，包括鹽凍法、快凍法和極限充水程度法，此時快凍法是RILEM推薦的方法之一；(2)1995年國際材料試驗學會頒布了RILEMTC117-FDC，包括CDF(CD)法、Slab（平板）法和立方體法。其中CDF法全名為毛細吸鹽凍融試驗方法，CD法就是用水代替鹽溶液進行試驗；(3)2002年國際材料試驗學會頒布了RILEMTC176-IDC2002，包括CIF法和Slab（平板）法，其中CIF法是由CDF法轉(zhuǎn)化而來的，其余并未做太多改動。

我國規(guī)范中也有針對混凝土抗凍性的規(guī)定，但早期規(guī)范中并未區(qū)分環(huán)境等級，且在考慮鋼筋銹蝕和腐蝕的時候也是如此。而近年來國內(nèi)已有專家學者認識到這些問題，例如水工行業(yè)在《水工建筑物抗冰凍設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50662-2011）中已有相關(guān)規(guī)定：各類水工結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的混凝土等級應根據(jù)氣候分區(qū)、凍融循環(huán)次數(shù)、表面局部小氣候條件、水份飽和程度、結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性和檢修條件等按規(guī)范選定。在不利因素較多時，可選用提高一級的抗凍級別。

目前我國針對普通混凝土抗凍性試驗主要依據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GB/T 50082—2009)中的快凍法、慢凍法和單面凍融法（或稱鹽凍法）進行。(1)快凍法采用質(zhì)量損失率和相對動彈性模量作為混凝土抗凍性的評價指標，混凝土的抗凍等級以質(zhì)量損失率不超過5%并且相對動彈性模量不小于60%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)確定；(2)慢凍法采用質(zhì)量損失率和抗壓強度損失率作為混凝土抗凍性的評價指標，混凝土的抗凍標號以質(zhì)量損失率不超過5%并且抗壓強度損失率不超過25%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)確定；(3)單面凍融法以單位面積剝落物總質(zhì)量或超聲波相對動彈性模量指標來表示混凝土的抗凍性能。

7.噴射混凝土的應用領(lǐng)域及創(chuàng)新發(fā)展

噴射混凝土不僅可以用于新建結(jié)構(gòu)施工，也可以用于建筑結(jié)構(gòu)的修復與維護。與普通混凝土相比，噴射混凝土技術(shù)具有快凝結(jié)、高早強、節(jié)約材料與勞動力、工效高、費用低、效果好等特點。自1970年在法蘭克福和慕尼黑的市政隧道施工中作為襯砌混凝土使用以來，噴射混凝土被廣泛應用于地下工程、巖土工程、修復加固工程、薄壁結(jié)構(gòu)工程、耐火工程、防護工程等土木建筑工程領(lǐng)域（尤其是水利工程、隧道工程施工）。

7.1交通隧道工程

由于噴射混凝土技術(shù)的自身優(yōu)勢，被廣泛應用在公路隧道施工中。噴射混凝土是一種新型支護結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程建設(shè)要求，動態(tài)的控制噴射混凝土厚度并與其他的鋼筋網(wǎng)和鋼拱架配合支護，從而構(gòu)建成一種復合式支護結(jié)構(gòu)。在高速公路隧道工程中應用噴射混凝土具有以下優(yōu)勢：(1)能夠有效保障其強度和粘結(jié)力，并具有很好的防滲性能；(2)噴射混凝土能夠有效填充巖塊間的凹穴和裂隙，使圍巖整體性增強并避免出現(xiàn)松動和風化狀況；(3)噴射混凝土的物理性能較之模筑混凝土而言均有所提升（如混凝土抗壓強度、抗疲勞強度和抗?jié)B性能等），可以更好的提升工程施工質(zhì)量。

現(xiàn)階段高速公路隧道施工中混凝土噴射施工技術(shù)包含潮噴和濕噴，且均有廣泛應用，屬于最為流行的施工技術(shù)。潮式噴射混凝土施工工藝采用的噴射槍具有價格低廉、工作性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維修和操作方便等優(yōu)點。但混凝土在潮噴時也存在以下缺點：(1)工人勞動強度大、效率低、混合料配比不夠精確；(2)施工時現(xiàn)場粉塵濃度大，環(huán)境惡劣；(3)混凝土噴射時有較大回彈量；(4)易損件消耗大、壽命較短，材料浪費嚴重。

與潮噴法相比，濕噴施工技術(shù)噴射厚度可達到10cm，不會出現(xiàn)較大的回彈力，能有效控制混凝土質(zhì)量，不會產(chǎn)生粉塵以及對環(huán)境的破壞。憑借這些優(yōu)勢能夠使混凝土平噴射黏結(jié)性和支護能力有顯著提升，充分發(fā)揮出圍巖本身的承受能力，為支護強度和質(zhì)量的提高提供重要支撐。但是濕噴工藝也存在以下缺點：(1)對設(shè)備要求較高，必須由專業(yè)人員負責設(shè)備的使用與維護；(2)噴射故障處理困難、機械設(shè)備清理不便等。綜合兩種工藝的特點及優(yōu)、缺點對比，大多數(shù)公路隧道施工中普遍采用濕法工藝進行混凝土噴射作業(yè)。

噴射混凝土技術(shù)的發(fā)展在隧道工程支護技術(shù)發(fā)展中占有很重要的地位，目前錨噴支護技術(shù)的發(fā)展趨勢主要集中在全面推行濕噴技術(shù)、鋼纖維噴射混凝土和聚丙烯纖維噴射混凝土的推廣和應用、隧道噴射混凝土單層襯砌將成為隧道永久性襯砌3個方面。我們應不斷改進創(chuàng)新噴射混凝土的施工工藝和施工材料，并重視無損檢測技術(shù)的運用，使檢測結(jié)果更為科學、精確，以全面提高公路隧道工程的施工質(zhì)量，從而促進我國公路隧道工程的快速發(fā)展。

7.2水利建設(shè)工程

噴射混凝土在應用條件方面，不僅可以在水利水電工程的特殊混凝土結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用，在灌注隧道內(nèi)襯、墻壁、天棚、薄壁結(jié)構(gòu)等建筑空間中也有較為廣泛的應用條件，是一種高效、早強、經(jīng)濟的輕型支護結(jié)構(gòu)。因為噴射混凝土與直接進行灌注施工具有非常大的差異，很可能產(chǎn)生噴射混凝土變形、噴涂不均等不良現(xiàn)象，所以其施工技術(shù)對施工人員的專業(yè)素質(zhì)及施工經(jīng)驗要求較高。噴射混凝土施工技術(shù)的正確實施是保障水利工程順利完成的重要手段之一，從而促進我國水利工程事業(yè)的建設(shè)和發(fā)展，為生態(tài)環(huán)境的保護和水資源的調(diào)劑起到至關(guān)重要的作用。

當前，我國正處于大型水利工程集中建設(shè)時期，噴射混凝土是地下洞室和廠房建設(shè)中重要的混凝土類型之一。為提高噴射混凝土的性能以滿足工程設(shè)計要求，關(guān)鍵部位的噴射混凝土中會加入一定量的纖維(鋼纖維或聚丙烯粗纖維)。

在混凝土中加入一定量的纖維能延緩混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展，阻止宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，能有效提高混凝土的力學性能、耐久性能和變形性能，特別是對提高混凝土抗拉強度和韌性效果尤為明顯，因此纖維增強混凝土近年來得到了廣泛的研究和應用。在加入鋼纖維后，噴射混凝土的抗壓強度、抗折強度、抗彎強度及耐沖擊性能均有較大幅度的提高，尤其適用于松軟、破碎的地層支護。而對防滲要求不高、圍巖滲透性較低的水工隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖，采用鋼纖維噴射混凝土作為永久襯砌支護型式，也具有安全性較高、施工方便、施工速度快、適應性廣和造價低等優(yōu)點。這種隧洞襯砌型式在我國中小型水電站水工隧洞中得到了廣泛應用，并積累了豐富的設(shè)計和施工經(jīng)驗。

7.3煤礦建設(shè)系統(tǒng)

目前濕噴混凝土在我國隧道、水電站等領(lǐng)域都得到了廣泛應用，但是在煤礦方面仍屬于初始階段。隨著我國煤礦開采強度和開采規(guī)模的不斷增加，對噴射混凝土的性能要求越來越高，對噴層支護理論的研究也越來越迫切。隨著新奧法理論的提出和發(fā)展以及在大量工程中的應用表明，用噴射混凝土支護滿足對巷道圍巖初期柔性支護和后期剛性支護的要求，在工程中得到廣泛應用。

20世紀60年代開始，我國煤礦系統(tǒng)開始推廣干噴法。“六五”期間，我國成功研制潮式混凝土噴射機，開始推廣潮噴技術(shù)?！鞍宋濉逼陂g，我國煤礦行業(yè)錨噴支護在鞏固、提高、調(diào)整的基礎(chǔ)上有了突破性的進展，全國煤礦錨噴支護的巷道每年保持在1200km左右，并且形成一套行之有效的錨噴支護技術(shù)和與錨噴支護密切相關(guān)的的噴射混凝土技術(shù)。20世紀80年代初，濕噴法在我國發(fā)展起來。濕法噴射混凝土技術(shù)相對干法噴射混凝土技術(shù)，有工作效率高、作業(yè)環(huán)境好、支護性能好、施工機械化程度高、混凝土強度高、經(jīng)濟效益和社會效益顯著等諸多優(yōu)勢。不僅可以作為臨時支護和永久支護，還可以用于處理工程事故，適用范圍廣。但是濕法噴射混凝土在煤礦中應用也存在以下缺點：(1)施工工藝比較復雜，機械設(shè)備出現(xiàn)故障難處理；(2)對于含水量高的軟弱巖層和滲水巷道，使用濕法噴射難以穩(wěn)固；(3)濕法噴射混凝土使用的設(shè)備體積都很大，在巷道內(nèi)由于空間限制，與其他設(shè)備占用空間的矛盾也難以協(xié)調(diào)。所以濕噴法在礦井巷道中難以進行大量推廣和應用，因此目前干噴與潮噴仍是煤礦中噴射作業(yè)的主要施工方法。

但最近幾年來，隨著濕噴機的小型化和雙活塞泵送技術(shù)的提高，目前一些煤礦已經(jīng)開始使用濕噴法支護技術(shù)。盡管濕噴技術(shù)在我國工程應用中尚處于理論研究與探索階段，但由于其獨特的優(yōu)越性，相信在不久的將來勢必會取代干噴技術(shù)成為一種應用較廣泛的支護形式。

因此，在充分借鑒近年來國內(nèi)外濕法噴射混凝土技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，研發(fā)新型濕噴設(shè)備、革新現(xiàn)有的施工工藝以及濕噴混凝土工藝的不斷發(fā)展將對地下礦山的安全穩(wěn)定、采煤的安全生產(chǎn)、職工的身體健康以及提高采煤效率均具有重要的意義。隨著逐漸改進施工工藝、研發(fā)使用功能更加完善的新型噴射機，噴射混凝土作為一種新型材料、新型支護結(jié)構(gòu)和施工技術(shù)將會具有更加廣泛的發(fā)展前景。

7.4復雜結(jié)構(gòu)游泳池和水利建設(shè)施工

混凝土噴射工藝是常用于造型復雜的休閑泳池和其他水利設(shè)施方法，如圖6所示。泳池建造時可以將混凝土澆筑和噴射方法結(jié)合使用，泳池底部可以用混凝土澆筑成型，而泳池墻壁可以用噴射混凝土成型流線型結(jié)構(gòu)。位于香港的上海銀行就是采用噴射混凝土在72000m²面積上噴射成型了1000m³的混凝土。

圖6 Pierepoint橡皮艇障礙賽道

此外，水渠護坡、大壩、港口、防波提、煙囪襯層、拱形結(jié)構(gòu)、穹頂以及儲存罐等異形結(jié)構(gòu)都可以采用混凝土噴射施工。SaudiArabia利雅得建造的新動物園建筑群(New Zoological Gardens)是典型的采用濕噴混凝土工藝施工的建筑物，濕噴混凝土用量達到12500m³(圖7)。

圖7 沙特阿拉伯利亞德動物園建筑群

7.5泡沫噴射混凝土及其創(chuàng)新應用

韓國Kyong-KuYun教授發(fā)明了一種創(chuàng)新性制備高性能噴射混凝土的方法——泡沫噴射混凝土。其制備方法相對簡單，即在預拌混凝土輸送車到達施工現(xiàn)場后，先加入一定量的發(fā)泡材料（如圖8），在罐車內(nèi)攪拌均勻后，再加入硅灰攪拌均勻即可。加入發(fā)泡材料前，新拌混凝土的含氣量為3.5%，加入發(fā)泡材料后含氣量增加到27%，噴射成型后混凝土含氣量又變成4.5%，噴射成型過程破壞了大氣泡式含氣量下降。泡沫噴射混凝土應用于隧道口建設(shè)獲得了良好的仿石裝飾效果（如圖9）。也可以通過雕刻獲得紋理，酸染色而創(chuàng)造出一種外觀像巖石一樣的表面。在巖石護坡施工時，可以獲得更加生動的裝飾效果（如圖10）。

圖8：(a)多孔材料；(b)噴涂多孔噴涂混凝土

圖9泡沫噴射混凝土用于裝飾隧道建筑（左）圖10泡沫噴射混凝土用于加固巖石邊坡（右）

德國的ErichErhard發(fā)明了一種用噴射混凝土進行表面設(shè)計和紋理裝飾的新方法。具體做法是在新噴射混凝土表面上放置聚苯乙烯格柵模板，然后再噴射一層裝飾混凝土層，在裝飾混凝土層初凝后，取下格柵模板，表面紋理類似于天然石頭墻，如圖11所示。

圖11 用噴射混凝土進行表面設(shè)計和紋理裝飾

7.6維修加固工程

噴射混凝土的施工方式可以用于加固橋梁，消除出現(xiàn)病害問題，全面提升橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力。隨著噴射混凝土技術(shù)應用范圍的擴大，噴射混凝土技術(shù)在加固危房領(lǐng)域也顯示出諸多優(yōu)點，如粘結(jié)強度高、凝結(jié)速度快、時間短等，用于因地震、沖刷、火災等造成的建筑結(jié)構(gòu)問題，以及優(yōu)于施工不準確而造成混凝土與鋼筋結(jié)構(gòu)損傷有著很好地修復效果，顯示出良好的應用前景。

7.7廢棄礦山修復與護坡

美國的Stoneyhurst礦山修復工程是典型的噴射混凝土高效和可持續(xù)發(fā)展利用的示范工程。在修復工程中約有6000m²的土釘擋土墻采用了噴射混凝土處理，原有23米高礦山墻壁也用噴射混凝土進行了加固處理。如圖12所示。

圖12 噴射混凝土用于礦山修復

修復工程歷經(jīng)三年完成，檢測噴射混凝土強度在34MPa~40MPa范圍內(nèi)（齡期13d~28d）。工程完工后效果很好，噴射混凝土強度穩(wěn)定，彩色噴射混凝土仿石墻有局部泛白現(xiàn)象。該修復工程獲得2013年美國噴射混凝土協(xié)會“杰出建筑工程獎”。

7.8高溫窯爐的耐火材料成型

盡管目前使用模具澆筑成型仍然是工業(yè)界常用的耐火材料成型方法，但耐火材料的噴射成型工藝已經(jīng)獲得了廣泛認可，并呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢。與傳統(tǒng)方法相比，耐火噴射混凝土施工具有施工快速、縮短停窯時間和提高設(shè)備周轉(zhuǎn)率等顯著優(yōu)點。隨著低水泥澆注料(LCC)和超低水泥澆注料(ULCC)在耐火噴射混凝土中的應用，美國的綜合鋼鐵廠都在考慮采用耐火噴射混凝土技術(shù)進行耐火材料的施工。

8.噴射混凝土在我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中應用情況

據(jù)統(tǒng)計，我國在建鐵路隧道2950座（總長6419km）；規(guī)劃建設(shè)鐵路隧道6395座（總長16326km）。我國正在建設(shè)的有隧道工程項目的高速鐵路共41條（總長8349km），共有隧道1331座（累計長度約2560km），其中長度10km以上的特長隧道46座（累計長度約591km）；我國規(guī)劃的有隧道工程項目的高速鐵路共86條（總長19718km），共有隧道3208座（累計長度約7975km），其中長度為10km~20km的特長隧道139座（總長1882km）。由于公路、鐵路、水利項目噴射混凝土計算用量與各工程隧道段面面積、設(shè)計噴射混凝土厚度、圍巖等級等許多條件相關(guān)聯(lián)，因此難以準確計算。一般的可以按照隧道每延米用噴射混凝土20m³來估計，預計鐵路隧道建設(shè)還需噴射混凝土4.55億m³。假設(shè)噴射混凝土膠凝材料用量為450kg/m³，摻加無堿速凝劑按摻量為6%計算，則鐵路隧道工程所需無堿速凝劑約1228.5萬噸。

根據(jù)混凝土外加劑協(xié)會統(tǒng)計，2017年我國噴射混凝土用速凝劑用量突破120萬噸，其中液體速凝劑占比已接近80%，粉狀速凝劑占比萎縮到20%。2015年統(tǒng)計結(jié)果中，粉狀速凝劑占比達到40%，可以看出液體速凝劑取代傳統(tǒng)粉狀速凝劑是大勢所趨。

9.噴射混凝土材料與工程技術(shù)發(fā)展趨勢

噴射混凝土是對應于澆筑成型混凝土的另一大類混凝土，其最重要的特征是通過噴射工藝成型，因而對其新拌混凝土的各項性能要求也有顯著不同的要求。噴射成型的工藝特點使硬化混凝土的力學性能和耐久性也不同于普通模具澆筑成型混凝土?？梢哉f，從混凝土性能要求、施工設(shè)備、應用領(lǐng)域，乃至檢驗檢測方法和標準規(guī)范都自成體系。

利用谷歌學術(shù)專利查詢，通過關(guān)鍵詞（shotcrete和sprayed concrete）篩查國際上噴射混凝土方面的專利隨年份的發(fā)展情況，屬于噴射混凝土相關(guān)設(shè)備、施工或者材料的專利占比及數(shù)量達到57550件。國際范圍內(nèi)，從1993年至今的噴射混凝土領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，如圖13所示。

圖13 1993-2020期間噴射混凝土領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量統(tǒng)計

同期，中國在噴射混凝土領(lǐng)域?qū)＠暾垟?shù)量呈現(xiàn)出快速發(fā)展趨勢，如圖14所示。我國在噴射混凝土領(lǐng)域的專利數(shù)從1993-1996年的481件，上升到最近三年的26265件，增加了超過50倍。間接反映了噴射混凝土行業(yè)還處于快速發(fā)展階段。

圖14 1993-2020中國噴射混凝土領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量統(tǒng)計

總體而言，國內(nèi)外對噴射混凝土施工、設(shè)備、力學性能、耐久性和檢驗檢測方法的研究遠不如澆筑成型混凝土系統(tǒng)和深入，而噴射混凝土在建筑工程中又大量應用于隧道、地下工程和煤礦等。隨著既有結(jié)構(gòu)維護加固、新建結(jié)構(gòu)復雜形狀對噴射混凝土出現(xiàn)的新的需求，需要加強對噴射混凝土全方位系統(tǒng)研究工作，特別是硬化混凝土的耐久性、標準規(guī)范體系、關(guān)鍵材料和設(shè)備、工程設(shè)計等。基于噴射混凝土材料與工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，噴射混凝土領(lǐng)域未來重要發(fā)展方向和趨勢主要在如下幾個方面：

（1）噴射工藝方面—濕噴工藝及其配套濕噴設(shè)備是未來噴射混凝土的發(fā)展方向，干法噴射將逐步被限制和取代。

（2）速凝劑是噴射混凝土中重要的化學外加劑，速凝劑也正在由堿性粉狀速凝劑，向無堿液體速凝劑的方向發(fā)展。除速凝劑外，減水劑、引氣劑、粘度調(diào)節(jié)劑、發(fā)泡劑等也是重要的噴射混凝土用化學外加劑。這些不同類型化學外加劑的性能及相容性也是影響噴射混凝土質(zhì)量的重要因素，急需開展系統(tǒng)性研究。

（3）噴射混凝土材料向“高性能噴射混凝土”方向發(fā)展，不僅具有可靠的可噴射性能，同時具有優(yōu)異的力學性能和耐久性能。

（4）建立健全噴射混凝土性能的檢測評價方法和相關(guān)標準規(guī)范。其中噴射混凝土可噴性目前尚沒有正式測定具體指標的方法；粘結(jié)強度的試驗方法尚不統(tǒng)一；我國尚無噴射混凝土的早齡期強度(2h,6h,12h)的測定方法和規(guī)定。

（5）噴射混凝土應用技術(shù)和應用領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。噴射混凝土不僅僅用于隧道等工程，在許多領(lǐng)域都有很好的應用前景。隨著噴射混凝土用無堿液體速凝劑的技術(shù)的成熟，噴射混凝土的力學性能和耐久性明顯改善，可以作為結(jié)構(gòu)混凝土應用。

（6）噴射混凝土專用設(shè)備的自動化和智能化水平提升。

（7）噴射混凝土成型工藝本質(zhì)上是一種“3D噴墨打印成型工藝”。隨著材料、設(shè)備、性能和計算機輔助技術(shù)的發(fā)展，在我國經(jīng)濟建設(shè)中必將顯示出更加廣泛的應用前景。

（8）繼續(xù)開展噴射手和承包商的專用技能和資質(zhì)培訓。