噴射混凝土研究進展與發展方向

李凱琦，陸銀平，朱伶俐，諶世英

（河南理工大學，河南焦作 454000）

噴射混凝土是將膠凝材料、骨料等按一定比例拌制的混凝土拌合物送入噴射設備，借助壓縮空氣或其它動力輸送，高速噴至受噴面所形成的一種混凝土。噴射混凝土具有施工速度快、早期強度高、不需振搗等優點，具有廣泛的適用性，在礦業工程、鐵路工程和隧道工程等領域得到了廣泛的應用[1-2]。但由于普通噴射混凝土具有強度低、穩定性和耐久性差、回彈率高、施工環境粉塵高等缺點，在一定程度上限制了它的應用[3-4]。該論文介紹了高強度和高韌性噴射混凝土的基本配方，以及低粉塵噴射混凝土和噴射水泥的研究思路和主要成果，進而指出了噴射混凝土的發展方向是永久支護用噴射混凝土和3D混凝土。

1 噴射混凝土研究進展

1.1 高強度噴射混凝土研究

通過加入礦物摻合料，如硅灰[5]、磨細礦渣[6]等，可提高噴射混凝土的強度。本研究采用高活性偏高嶺土為礦物摻合料制備高強度噴射混凝土，實驗結果見表1。從表中可以看出，當偏高嶺土用量為5%～10%，噴射混凝土的抗壓強度隨著偏高嶺土用量的增加而明顯提高，當加入10%偏高嶺土時，噴射混凝土的28 天抗壓強度達到51.4 MPa，比基礎樣提高了34.6%；但隨著偏高嶺土用量的繼續增加，混凝土的強度提高不明顯。利用該配方在焦煤集團趙固一礦進行了現場實驗，結果表明噴射混凝土的28 天抗壓強度最高可達67 MPa，平均強度42.3 MPa，且偏高嶺土的加入可使噴射混凝土的密實性顯著提高，在巷道壁噴射施工時，噴射回彈率由20%降至10%。

1.2 高韌性噴射混凝土研究

表1 偏高嶺土對噴射混凝土抗壓強度的影響

通過加入纖維狀的材料可提高噴射混凝土的韌性[7-9]，本論文系統研究了鋼纖維以及白云母粉對噴射混凝土強度的影響，實驗結果如表2 所示。從表中可以看出，當加入鋼纖維后，噴射混凝土的7天抗壓強度均有不同程度的降低，但由于配方中加入了高活性偏高嶺土，其28 天抗壓強度均比基礎配方高；但是鋼纖維可使噴射混凝土的抗折強度明顯提高，當加入1%鋼纖維時，7 天抗折強度提高31%，28 天抗折強度提40%，材料的韌性良好。但是鋼纖維價格昂貴，施工過程中不易攪拌均勻，且噴射回彈料易劃傷人體，給噴射施工造成諸多不便。

另外，白云母粉對噴射混凝土的7 天強度影響不明顯，當加入0.8%白云母粉時，抗壓和抗折強度均有所降低，隨著白云母粉用量的增加，噴射混凝土的抗壓和抗折強度比基本配方樣品略有增加；但隨著時間的延長，噴射混凝土的28天強度明顯增加，當加入1%白云母粉時，其28 天抗壓強度提高15.3%，抗折強度提高18.7%。白云母是一種具有彈性的片狀硅酸鹽礦物，經過磨礦處理后，其比表面積和徑厚比增大，當混凝土受外力作用時，片狀的結構能有效阻止裂縫的擴張，并憑借其片狀結構和彈性來承擔更大的作用力，因此材料的韌性增加。白云母作為一種礦產資源，具有安全環保、價格低廉等優點，在噴射混凝土增韌材料中具有一定的應用前景。

表2 增韌材料對噴射混凝土強度的影響

1.3 低粉塵噴射混凝土研究

噴射混凝土支護工程中，會產生大量的粉塵，對施工人員的健康和勞動環境造成了嚴重的危害[10]。研究低粉塵噴射混凝土的主要技術有兩方面：第一，利用加濕上料機給噴射混凝土中添加一定的水（約為膠凝材料的10%左右），把噴射混凝土做成松散的潮濕狀態，仍然使用干噴機施工，可以看做機械潮噴；第二，給噴射混凝土配料中添加抑塵劑和減水劑，降低粉塵，提高強度。

在大同同忻煤礦進行的現場試驗結果表明，采用加濕上料機給物料加濕，添加抑塵劑、減水劑和高活性偏高嶺土，可以使噴射混凝土的呼吸性粉塵降低80%，噴射回彈率由25%降低到12%，28 天抗壓強度達到52 MPa。

1.4 噴射水泥研究

目前，噴射混凝土用的水泥主要是普通硅酸鹽水泥，少數單位用復合硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，它們都屬于通用水泥，為了滿足初凝時間大于45分鐘的技術要求，這些水泥中都添加了5%～8%的二水石膏做緩凝劑。用含有緩凝劑的水泥，再添加速凝劑制備噴射混凝土，顯然不合理。所以，通過在水泥去掉石膏，經過配方調整，研制噴射混凝土專用水泥，使用時可以降低速凝劑用量，提高噴射混凝土強度。

當基本配方為硅酸鹽水泥熟料80%，偏高嶺土20%時，當加入速凝劑1%時，其初凝時間為4：12，終凝時間為8：40，達到標準要求。經測試，噴射水泥的28天抗壓強度達到44.2 MPa。因此，依照噴射水泥基本思路，通過配方調整，在經濟合理的前提下，利用噴射水泥可以制備50 MPa～60 MPa的噴射混凝土。

表3 速凝劑用量對噴射混凝土凝結時間的影響

2 噴射混凝土發展方向

3D打印技術是當今最重要，也最具活力的前緣技術之一。在金屬材料領域的3D打印技術從1986年已經商業化，而3D建筑從2012年才開始研究，至今仍存在一些問題，其最大的技術障礙就是3D混凝土材料。

3D 打印機對3D 混凝土的技術要求是具有泵送混凝土和噴射混凝土的雙重特性，即在打印機中具有泵送混凝土的流動性，在擠出打印機噴頭后，又像噴射混凝土一樣，立即失去流動性，停留在規定的位置不再移動，并很快產生一定的強度，以承受繼續打印產生的壓力；同時，3D 混凝土還必須具備普通混凝土的強度、耐久性等性能指標。從這個意義上講，高性能噴射混凝土最接近3D混凝土，所以，噴射混凝土的發展方向是3D混凝土。

眾多學者把3D 混凝土的應用定位在建筑3D 打印領域。例如，中國建筑研究院、河北工業大學、上海盈創科技有限公司等都致力于3D打印建筑的研究工作，并成功地利用3D 技術建造了部分建筑，可以說，建筑3D 打印技術已經取得了一定進展，3D 打印建筑時代或3D 打印建筑與傳統建筑、裝配式建筑三足鼎立的時代呼之欲出。

3D打印技術最大的優勢就是節約人力，而就混凝土諸多應用領域而言，建筑工程的混凝土施工并不是效率最低的，為此，我們提出“弓形混凝土支護工程3D打印技術”，它是3D 混凝土最重要的應用領域，也是噴射混凝土最重要的發展方向。

“弓形混凝土支護工程3D打印技術”也可以叫做“弓形混凝土支護工程智能制造成套技術”，它的主要應用領域在隧道、涵洞、地鐵、民防、煤礦巷道、軍事工程等混凝土支護工程領域，這些領域更能體現3D 打印技術的先進性，最能發揮3D打印技術的優勢。

3 結論

（1）利用高活性偏高嶺土可以制備40 MPa的噴射混凝土，再添加纖維材料或片狀白云母粉可使噴射混凝土的抗折強度提高20%以上。

（2）利用加濕上料機、抑塵劑、減水劑和高活性偏高嶺土可以使噴射混凝土的呼吸性粉塵降低80%，噴射回彈率由25%降低到12%，28 天抗壓強度達到52 MPa。

（3）在水泥粉磨時去掉二水石膏可降低速凝劑的用量，加入特定的1%速凝劑，噴射水泥的膠砂強度可以達到40 MPa。

（4）噴射混凝土的發展方向是3D 混凝土，其主要應用領域是建筑3D打印和弓形混凝土支護工程3D打印。