1、概况
近年来国内外喷射混凝土技术以它简便的工艺,独特的效应，经济的造价，广阔的用途,在建筑工程领域内展示出旺盛的生命力. 1.1 喷射混凝土的特点
喷射混凝土是借助喷射机械,利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌合料， 通过管道输送并以高速喷射到受喷面（岩石壁面、模板、旧建筑物）上凝结硬化而成的一种混凝土。
喷射混凝土不是依赖振动来捣实混凝土，而是在高速喷射时，由水泥与集料的反复连续撞击而使混凝土压密，同时又可采用较小的水灰比（常为0。4～0.45),因而它具有较高的力学强度和良好的耐久性.特别是与混凝土、砖石、钢材有很高的粘结强度，可以在结合面上传递拉应力和剪应力.喷射法施工还可在拌合料中加入速凝剂,使水泥在10分钟内终凝，使混凝土喷射后能立即获得强度.喷射法施工可将混凝土的运输、浇注和捣固结合为一道工序，不要或只要单面模板.可通过输料软管在高空、深坑或狭小的工作区间向任意方位施作薄壁的或复杂造型的结构，工序简单，机动灵活，具有广泛的适应性.研究凝结时间可调、工作性良好、长期性能稳定的微膨胀抗渗防裂高性能喷射混凝土，解决隧道工程中混凝土材料的关键技术问题，已成为现代喷射混凝土发展的主要趋势. 1.2 喷射混凝土技术的最新发展
喷射混凝土是由喷射水泥砂浆发展起来的.1914年在美国的矿山和土木建筑工程中 首先使用喷射水泥砂浆。1942年瑞士阿利瓦(Aliva）公司研制成转子式混凝土喷射机，1947年联邦德国公司研制成双罐式混凝土喷射机。1948～1953年间兴建的奥地利卡普隆水力发电站的米尔隧洞最早使用喷射混凝上支护.以后，瑞士、西德、法国、瑞典、美国、英国、加拿大、苏联、日本等国相继在土木建筑工程中采用了喷射混凝土技术。我国冶金、水电部门于六十年代初期,即着手研究混凝土喷射机械及喷射棍凝土技术，1965年11月，冶金部建筑研究院与第三冶金建设公司合作，成功地在鞍钢弓长岭铁矿建成了一条用喷射混凝土支护的矿山运输巷道。七十年代以来，国内外加强了对喷射混凝土的研究开发工作，技术上取得许多突破，使之在地下工程、薄壁结构工程、维修加固工程、岩土工程、耐火工程和防护工程等土木建筑领域获得了广泛的发展。
近年来，喷射混凝土技术的主要成就和最新发展集中地表现在以下几方面：
(1）施工机械不断更新，向系列化、配套化的方向发展
美国“Read”型和日本“改良—Ⅰ\"型转盘式混凝土喷射机，结构紧凑,体积小,重量仅约300kg,综合性能好，已在各类工程中广泛采用.美国巧仑奇（challenge）公司研制成的挤压泵送型湿喷机，生产能力高达“18m3/h，该机还附有能精确控制速凝剂添加的装置,能将圆柱状固态速凝剂,自动切削成粉末后运送到喷咀处。完成的喷射混凝土，回弹仅5％～8%，混凝土强度达2。8Mpa,施工粉尘显著减少.瑞典研制成用于单独喂送钢纤维的专门设备，可防止纤维喷射混凝土施工时纤维扭结成团.
遥控喷射机械手也在一些工程中应用.它由液压驱动，配有一根带喷嘴的悬臂，能自由地伸人高空进行喷射。在地下工程中，采用喷射机械手同配料、运输、搅拌联合作业的三联机组相结合的施工方式，不仅能大大提高工效，也可在放炮通风后立即喷射,有利于稳定岩层，施工人员可远离掌子面工作，既安全可靠，又可减轻粉尘的危害.
(2）新型外加剂与喷射水泥的开发，改善了喷射混凝土的性能 外加剂和水泥的特性对喷射混凝土的性能有重要影响。
国外最近已研制成新型非碱性速凝剂，PH值为７～７。５（而普通速凝剂的PH值高达12.7），当速凝剂掺量为水泥重量的2％时，初凝时间仅为38秒，加入这种速凝剂,喷射混凝土的后期强度损失也小，同时还可大大减少回弹。瑞士Aliva公司生产的非碱性速凝剂,掺入后，喷射混凝土28天龄期的抗压强度比掺入碱性速凝剂的大55％。西德近两年研制成siliponSPR6型粘结剂，它能显著地减少喷射混凝土施工粉尘.如在喷射混凝土原始混合料中掺人占水泥重偏的粘结剂,则可减少粉尘浓度80%～95%.
进人七十年代，美国、日本等国在市场上出售喷射水泥（Jet cement），它对改善喷射混凝土的性能和扩大喷射混凝土应用也颇有成效.喷射水泥同普通硅酸盐水泥相比，具有许多优良的特性,如凝结时间能任意调节具有良好的快硬性能，2～3小时后抗压强度达20MPa；低湿下强度发展良好，在5℃时，6小时抗压强度在10MPa以上;干缩小抗渗性好。
（3）钢纤维喷射混凝土的研究和应用有了明显的成效 国内外的资料表明，在喷射混凝土中掺入直径为0.25～0.4mm，长度为20～30mm的钢纤维（掺量为每立方米混凝土80～100kg），可以明显地改善喷射混凝土的性能,即抗压强度提高50%；抗拉强度提高50%~80%；抗弯强度提高60％~100％；韧性提高20～50倍；抗冲击性提高8～30倍。此外,它的抗冻融能力、疲劳强度、耐磨和耐热性能都有明显的改善，因而应用领域十分广泛。
(4)“新奥法\"不断完善，革新了困难地层条件下的隧洞建造技术
以喷射混凝土、锚杆和测量技术为三大支柱的新奥地利隧道设计施工法(简称新奥法），能及时地掌握围岩和支护的变形动态，以此作为指导设计和施工信息，从而能最大限度地发挥围岩的自支承作用，具有极大的适用性和经济性,如奥地利的陶恩公路隧道和阿尔贝格公路隧道，穿过的岩层主要为软弱破碎的千枚岩，并具有强烈的构造应力。石墨特征明显的千枚岩的抗剪强度常小于0.1MPa,采用新奥法施工，使围岩得以稳定。西德、法国的一些城市地下铁道,穿过砂质粘土等软弱地层，采用喷射混凝上、锚杆为主要特征的新奥法施工，衬砌可以在12小时内闭合，使地面沉陷控制在1～2cm以内，显示了极大的优越性。
（5）造壳喷射混凝土改进了施工工艺
日本近年来首创的造壳喷射混凝土(或称水泥裹砂喷射法)施工，兼有干式及湿式喷射法的优点.它将喷射混凝土的原材料分为砂浆和干集料两部分，分别用压缩空气送到喷咀附近的混合管处合流,再由喷咀喷出。由于包裹在砂子表面的砂浆具有不离析、不泌水，强度稳定等特点，使喷射混凝土回弹率小，粉尘少，强度稳定，表现出多方面的优点。
（6）变革模板体系,扩大了在薄盈异型建筑中喷射混凝土技术的应用
采用喷射混凝上可以施作成任意形状的薄壁结构，粘结力高，防水性好，对于球壳结构和薄壁异型结构的施工，十分有利。近年来，国外对喷射混凝土模板结构作了一系列改革，如采用建筑物的隔热层(泡沫苯乙烯）作模板、气囊模板、钢丝网模板。用钢丝网代替模板， 既能阻止骨料的穿透,又因其富有弹性以及孔眼能吸收喷射冲击力,使回弹量减少。这样就扩大了在薄壁异型建筑中喷射混凝土技术的应用。如美国印第安州的妇科医院圆顶建筑群， 香港的太空馆，法国巴黎的瑞士Zurich的球壳形住宅，，巴哈马群岛预应力贮藏罐的圆顶结构，都成功地采用了喷射混凝土，既保证了工程质量,又节省了工程造价.我国北京石化总厂聚丙烯成品库为10个24×24m的双曲连续球壳建筑，在施工中采用预制定型模板，整体升降钢模架和喷射混凝土，收到了明显的效果，表现为混凝土密实性高、抗裂抗冻性好、节省外模和缩短施工周期。
1.3 施工工艺
喷射混凝土的施工工艺系统由供料、供气、供水三个子系统组成。这三部分子系统的不同组合方式产生的不同施工工艺和施工技术，对喷射混凝土的质量有着显著的影响，施工费用也各不相同。在过去干喷法、湿喷法的基础上，通过不断的工程实验研究，不断完善和发
展了新的喷射混凝土施工技术，如纤维喷射混凝土法、水泥裹砂法、双裹并列法、潮掺浆法等.近二十年来，我国的喷射混凝土技术得到了突飞猛进的发展，接近和达到了国际水平. 1。3。1 干喷法
干喷法发展最早，应用最广泛.它是将干料拌和后送到喷头处与水混合，再到达受喷面上的一种方法。它的优点可概括为：1）施工工艺流程简单、方便,所需施工设备机具较少，只需强制拌和机和干喷机即可；2）输送距离长，施工布置比较方便、灵活，输送距离可达300 m，垂直距离可达180 m；3）速凝剂可提前在喷射机前加入，拌和比较均匀。当然它存 在着固有的缺陷：1）其工作面粉尘量及回弹量均较大,工作环境恶劣；喷料时有脉冲现象且均匀度差；2）实际水灰质量比不易准确控制，影响喷射混凝土的质量；3）生产效率低。 1。3。2 湿喷法
为了克服干喷法的缺点，人们发展了湿喷法。它是将干料提前与水混合,然后再在喷头处与速凝剂汇合到达受喷面上的一种方法。它的优越性相应的表现在：1）粉尘、回弹量均较低，生产环境状况较好；2)设计水能与干料拌和均匀，水灰质量比能准确的控制；3）生产率相对干喷法要高。湿喷法存在机械设备复杂庞大、维修费用高，输送距离近，施工操作较吃力等缺点，这与工程中的成本经济、施工简便的原则相违背。为了更直观的说明湿喷法与干喷法的工艺特点，把各指标的性能比较列于表1.
表1 干喷法与湿喷法技术性能比较 项目 机械设备 粉尘浓度 耗风量 回弹率 水灰质量比 压送距离 干喷法 简单 湿喷法 （风动型) 较简单 湿喷法 (泵送型） 较复杂 可降低 80%以上 一般大于 可降低 50mg/m3 50%～80% 较大 20%～40％ 0。4～0。5 200～300m 可降低 或降低50％左50%左右 右 可降低至 10％左右 0.5～0.55 可降低至 5％～10％ 0.55 （加塑化剂） 水平60m 水平100m 垂直30m 垂直30m 困难， 困难， 中途不能停中途不能停歇 歇 450～480kg/m3 8～10 480~560kg/m3 10～12 设备清洗 容易 水泥用量 混凝土 坍落度 1。3.3 水泥裹砂法(SEC)
400kg/m3 5~7 干喷法和湿喷法各有利弊。近十多年来在日本发展起来的水泥裹砂法吸取了两者的优点，具有输出量大、效率高、压送距离长、喷射质量均匀、强度高、回弹率低、粉尘量少等优点，利于在涌水条件下进行作业，在国内外得到了广泛的应用。SEC喷射混凝土是将喷射集料分成两条线作不同处理后再压入混合管混合,然后通过联结混合管和喷头喷射到工作面上去的新施工方法.SEC法施工的关键环节是造壳水泥砂浆的制备,其结构模型见图1。正是造壳水泥以低水灰比，高强度状态包裹砂粒表面，加强了界面的粘合力，弥补了传统水泥砂浆中水泥浆与砂粒表面粘合力不高的缺陷.在造壳水泥砂浆的制备中的关键环节是砂表面含水率保持4％～6％和两次加入水量的控制。SEC喷射混凝土比普通喷射混凝土的性能有很大的提高。但当前此法值得注意的问题有：1)湿路中砂的含水率保持在4%～6％很有必要；2)两条供料线路的流量要匹配；3）干路中的机械磨损；4）采用机械手喷.
1-干燥水泥；2—干燥砂粒；3—低水灰比、高强度水泥壳；4—普通水泥净浆W—总用水量；
W1-水泥裹砂用水；W2—二次水泥裹砂用水;G—骨料
（a）普通砂浆一次加水拌成 （b）水泥裹砂砂浆二次加水拌成
图1 水泥裹砂造壳砂浆结构模型示意图 1.3.4 双裹并列法
双裹并列法喷射混凝土在作业方式上也是采用两条线路输送喷射物料的，但它与SEC喷射混凝土的本质差别是在于它将SEC法中的纯干路变成微湿路，也形成一种裹灰物料线路,这样两条输料线路都有水泥的包裹作用，故称“双裹并列法”。它的优点可以体现在强度提高、水泥用量减少、粉尘得到控制、回弹率进一步降低等几个方面，但同时它的配料要求明显提高，施工组织、人员管理更要求科学化。 1.3.5潮料掺浆法
潮料掺浆法喷射混凝土工艺是在总结潮喷法和SEC法实践经验的基础上发展起来的，目的是采用传统干喷法的设备和作业方式，但能取得SEC法的效果的一种方法.它也是两条管道进行作业，一条是造壳潮混合料（类似于双裹并列法中的微湿线路）,一条是水泥净浆，由于水泥净浆的良好粘稠性，在喷头处能更好的与造壳潮混合料糊化融合，从而提高强度；另一优点就是它的设备和作业方式可以达到干喷法的简化程度。它所存在的问题也是集中在配料的优化设计上。 1。4 机械设施
喷射混凝土的施工机具，包括混凝土喷射机、喷嘴、混凝土搅拌机、上料装置、动力及贮水容器等。混凝土喷射机分干式和湿式两类。国内目前以干式喷射机为主。铁道部科学研
究院西南分院研制的T K-961型转子活塞式湿喷机正在试制阶段，还不能推广。相比而言,国内与国外的机械化程度有着明显的差别.美国challenge公司开发的挤压泵送湿喷混凝土的回弹率仅为5%~8％，施工粉尘量显著减少，抗压强度达到28 MPa;德国生产的一种双罐式喷射机使工程作业效率提高了80%以上。这些都说明我国的机械行业远远落后于其他发达国家，这也是制约着我国喷射混凝土行业不能快速发展的一个重要因素。 1.5原料配比优化
在建筑材料特别是混凝土这样的结构材料中，原材料的选择及配比设计对它们成型后的性能起着决定性的作用，同时它也是材料耐久性的决定因素.因此对原材料的控制一定要严格。同时，又要有一定的技术创新性.原料技术创新主要是指掺入活性掺和料和外加剂两个方面。
1。5。1 掺入活性掺和料
喷射混凝土主要采用硅酸盐系列水泥,水泥水化后生成的主要水化产物为水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝酸钙等，其中水化硅酸钙的粒径为10～100 mm,相当于胶体物质，占水化产物的50％以上，对喷射混凝土的强度起关键作用的是C—S-H凝胶的数量。根据研究，凝期28 d时的水泥中各种矿物成分没有完全水化，水泥的实际利用率仅为60%～70%，相当一部分水泥起到填充作用。由此看出过高的水泥用量无助于提高强度，甚至会损害后期强度。这是因为水泥用量过多，其中未水化部分中的CaO后期遇水后生成Ca(OH)2，体积膨胀，产生内应力，从而降低强度。因此,考虑在喷射混凝土中掺入一些活性物质，以促进水泥水化产物的转化，提高喷射混凝土的强度，同时掺入一些遇水后呈粘性的物质,有助于降低回弹率。焦作工学院利用工业废渣研制出F型和K型两种高活性细掺料，使用这些高活性细掺料替代30%水泥时,喷射混凝土强度可以提高20％。这些高活性细掺料的要求有：1)活性大，有助于提高水泥水化程度,从而提高喷射混凝土强度;2）遇水后有粘聚性，附着力强，有利于降低回弹和粉尘;3）有微膨胀作用，以便补偿干燥收缩，从而提高喷射混凝土的抗渗性；4）价格低廉。 1.5.2 外加剂的研制
近20年的科学研究和工程应用表明，外加剂作为高性能混凝土的第五重要组分地位已无可争议。为了满足工程所需特殊要求和适应机械化操作，喷射混凝土用速凝剂、增粘剂、粘稠剂、降尘剂、增强剂、减水剂等在不断的发展更新。自20世纪60年代中期中国科学院力学所建材室成功研制红星一型速凝剂以来，我国各部门都投入了大量人力物力进行研制开发新型添加剂,取得了不少成果。发达国家近年来多以湿喷工艺替代干喷工艺，但在研究改进喷射工艺和喷射机具的同时，从未间断过对喷射混凝土新型添加剂的研制。目前，喷射混凝土用添加剂的开发应用大致经历了两个阶段.第一阶段,以铝氧熟料、纯碱或硅酸盐等为主要原料的无机物类速凝剂;第二阶段则以具有特定功能的有机材料制成粘稠剂并适当加入促凝组分的复合型速凝剂。
但是，对于喷射混凝土技术来说，若它们都仅仅是单纯对速凝剂进行研究,那远远不能满足喷射混凝土对材料综合性能的要求。因为这些速凝剂只是速凝、快硬、早强,往往存在与水泥、减水剂和其他外加剂的相容性差,有的甚至性能不匹配，达不到应有的效果.因此研究一种具有复合作用的材料-集速凝、快硬、早强、高强、抗渗、增加混凝土的和易性和流动性，提高粘着力等性能于一体,是提高和发展喷射混凝土技术，特别是湿喷混凝土技术的重要途径之一。
目前国内使用的喷射混凝土外加剂碱性普遍较高，一方面对施工人员腐蚀大，另一方面降低混凝土的早期强度。由于近几年的市场需求，大大剌激了喷射混凝土添加剂的开发研究，国内也出现了一些适应性强、能满足施工工艺要求的复合外加剂.例如由地矿部探矿工艺研究所研制开发的S型湿喷混凝土复合添加剂，通过室内、现场试验证实，早期强度高，速
凝效果好，可大幅度地减少混凝土材料回弹,降低粉尘浓度，改善工人劳动环境。中国矿业大学研制的一种新型增稠速凝剂IVA，它具有增稠、速凝、中性、掺量少（以固体计为水泥质量的2.4％)、成本低等特点,具有对不同水泥良好的速凝适应性和对早期及后期强度贡献大等特点.沈阳建筑工程学院唐明等人针对不同煤矿现有的无机增粘材料特点，磨细加工处理后,复合高效减水组分和速凝剂，通过正交实验原理配制具有不同特点的低回弹喷射混凝土外加剂
1。5.3 掺入纤维掺和料
喷射混凝土由于其较小的水灰质量比和喷出时具有较大的速度，因而使其与岩石间具有较大的粘结力。同时,又由于它具有施工方法简单,速度快等优点，使之被广泛用于井下支护。但随着社会需求的增加和资源的匮之，矿井的深度也在不断的增加，这就要求用于支护的混凝土具有较高的强度，以承受深井围岩越来越大的压力。同时,还要求用于支护的混凝土具有较好的塑性，以抵抗深井巷道变形，但混凝土材料是一种脆性材料,喷射混凝土也不例外。研究表明：纤维能有效的改善混凝土的脆性。
过去隧道施工遇到不良地质，就用钢纤维喷射混凝土支护,及时制止了坍塌,施工顺利，尝到了甜头.但掺钢纤维也有其难度；成本高昂、配料搅拌时易结团、喷射时易堵管和钢纤维回弹易伤人,并且由于钢纤维的锈蚀使混凝土表面出现锈斑等。铁道部第十八工程局五处杨昌泉等人采用新型材料超混杂纤维代替钢纤维喷射混凝土的研究，其各项物理性能与掺钢纤维混凝土相当,但喷射效果优于掺钢纤维混凝土，且成本低廉,经济效益显著，很有推广价值.
2、喷射混凝土的材料组成与主要性能
2.1 喷射混凝土的原材料选择 2。1.1 水泥
水泥品种和标号的选择主要应满足工程使用要求，当加入速凝剂时，还应考虑水泥对速凝剂的相容性。
喷射混凝土应优先选用不低于425号的普通硅酸盐水泥。当岩石、地下水或拌合水中含硫酸盐时，应选用抗硫酸盐水泥当对混凝土早强有特殊要求时，可使用硫铝酸盐水泥当喷射混凝土用于耐热结构时，可使用高铝水泥。 2。1。2 集料
砂：宜采用坚硬耐久的中粗砂,细度模数大于2。5，小于0。075mm的颗粒不应超过20%，否则将影响水泥与集料的良好粘结，砂子的含水率宜控制在6%～8%，当含水率较低时，喷射中会产生大量粉尘含水率过高时，混合料湿度太大，使喷射机粘料，并可能造成堵管，影响施工顺利进行。
石子：采用坚硬耐久的卵石碎石均可。但以卵石为好，尽管目前国内的喷射机能使用粒径为25mm的集料.但为了减少回弹，集料的最大粒径不宜大于15mm，喷射混凝土需掺入速凝剂时，不得用含有活性二氧化硅的石材作粗集料，以免碱骨料反应而使喷射混凝土开裂破坏。
2.1。3 拌和用水
喷射混凝土用水要求与普通混凝土相同，不得使用污水、值小于4的酸性水、含硫酸盐量按SO4计超过水重1％的水及海水等。 2。1.4 外加剂
1）速凝剂
为了缩短凝结时间,提高早期强度,增加一次喷层厚度，减少回弹损失,改善在含水地层中的适应性,常在喷射混凝一拌合物中加人速凝剂。
目前国内常用的速凝剂见表2，均属铝酸盐粉状速凝剂,一般能使水泥在3分钟内初凝，10分钟内终凝,这是因为当掺入速凝剂的水泥水化时，作为水泥缓凝剂的石膏与速凝剂的反应物NaOH生成Na2SO4，使溶液中Ca SO4浓度显著下降，于是铝酸三钙就非常迅速地进入溶液,析出其水化物。导致水泥石形成铝酸盐结构，使水泥迅速凝结.
表4 常用速凝剂的种类、掺量及技术性能
种类 主要成分 常用掺量 （占水泥重％） 生产单位 铝氧熟红星一料碳酸2。5~4 型 钠 生石灰 矾土 纯碱 711型 石灰 2。5～3。5 无水石膏 矾泥 782型 铝氧熟料 石灰 尧山型
黑龙江鸡西水泥速凝剂厂 上海硅酸盐制品厂 6～7 同上 铝矾土 土碱 石灰石 3。5 陕西蒲白矿务局水泥厂 对于含速凝剂的喷射混凝土，影响其凝结时间和最终强度的因素有： ①水泥品种
速凝剂与水泥的相容性,同水泥中铝酸三钙和硫酸三钙含量有关。若铝酸三钙和硫酸三钙含量高，则速凝效果较好。一般对硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥、火山灰水泥速凝效果较好，而对矿渣水泥凝结效果较差.
②速凝剂掺量
对多数速凝剂，其最佳掺量常为2。5%~4%.偏离这一范围,不仅凝结时间增长，同时对混凝土最终强度也有不利影响（图2）
图2 速凝剂掺量对喷射混凝土强度的影响
1—无速凝剂；2-掺2％速凝剂；3-掺4％速凝剂；4-掺6％速凝剂
③温度
温度对水泥与速凝剂的相容性也有影响，一般来说，当温度在10℃～25℃之间, 对水泥凝结时间影响不大,但当温度低于10℃时，则凝结时间明显增大。表3为不同 温度对水泥初终凝时间的影响.
表3 温度对水泥凝结时间的影响
速凝剂名称 速凝剂掺量 施工温（占水泥重%） 度（℃) 25 20 14 10 4 凝结时间 初凝 1min24s 2min30s 2min4s 2min30s 8min 终凝 2min37s 3min45s 3min46s 4min 14min3s 红星一型 3
2）减水剂
减水剂是一种表面活性剂，加入混凝土拌合料中，对水泥的分散和水化硬化都有较大的作用。通常，由于水泥颗粒在水溶液中的静电荷不足，其中有一部分(10%~30%）凝聚成块体。此时,如将减水剂木质磺酸钙加入水与水泥的混合料中，则木质磺酸钙就会电离成木质磺酸阴离子和阳离子钙。强阴离子在水泥颗粒表面积聚很多，使水泥颗粒处于被包围状态，于是，水泥颗粒的凝聚块就会因静电斥力而破碎成分散的小块或单个颗粒，从而增加参加水化反应的有效表面,此时进人水泥凝聚块中的水也被释放出（图3）。因而使水泥浆的流动性明显增大。
图3 减水剂在水泥颗粒凝聚块的分散效果
（a）—水泥凝聚体;（b）-表面活性剂阴离子的分散作用
国内外的实践表明,在喷射混凝土中加入少量（一般占水泥重0.2%～1。5％）减水剂可以提高混凝土强度,减少回弹，并明显地改善其不透水性和抗冻性。
3）早强剂
国内铁道科学院铁建所研制成的早强速凝剂由工业废渣加工制得，其主要矿物成分是硅酸钙、铝酸钙及其部分水化产物，还含有少量活性物质.在硫铝酸盐水泥中掺入6％TS剂，既能使水泥在5分钟之内初凝，8分钟之内终凝，而且有明显的早强作用,8小时的抗压强度达12。1MPa(见表4）
表4 TS早强剂对硫铝酸盐强度发展的影响
4)增粘剂
在喷射混凝土混合料中,加入增粘剂，可以明显地减少施工粉尘和回弹损失。西德 研究成的Silipon SPR 型增粘剂在混合料中加入，喷射时的粉尘浓度分别减少85％（在喷咀处加水）或95％（骨料预湿）。
5）防水剂
喷射混凝土的高效防水剂的配制原则是减少混凝上用水量,减少或消除混凝土的收缩裂缝，增强混凝上的密实性。采用明矾石膨胀剂、三乙醇胺和减水剂三者复合的防水剂,可使喷射混凝土抗渗强度达3。0MPa以上（表5），比普通喷射混凝土提高倍抗压强度达到40MPa，比普通喷射混凝土提高20%～80％。
表5 加入防水你剂的喷射混凝土抗渗试验结果
2。2 喷射混凝土的配合比设计
喷射混凝土混合比的确定需满足下列条件： （1）能得到所需强度； (2）回弹量少；
（3）粘附性好，能得到密实的混凝土； (4)不发生管道堵塞情况。 2。2.1 胶骨比
喷射混凝土的胶骨比，即水泥与集料之比，常为1：4～1：4.5。水泥过少，回弹量大，初期强度增长慢水泥过多，不仅不经济，而且能产生粉尘量增多等劣化施工条件等情况，硬化后的混凝土收缩也增大.因此，每立方米混凝上中水泥用量常为375～400kg。 2.2。2 砂率
砂率对喷射混凝上施工性能和力学性能的影响见表6,一般选用的砂率为45％～55%。
表6 砂率对喷射混凝土性能的影响
2。2.3 水灰比
喷射混凝土用水量在喷咀处加入,由喷射手通过水阀调节水量大小。当喷射混凝土表面出现流淌、滑移、拉裂时，表明水灰比太大；若喷射混凝土表面出现干斑，作业中粉尘大, 回弹多，则表明水灰比太小。水灰比适宜时，混凝土表面平整，呈水亮光泽，粉尘和回弹都较少。水灰比的正常值为0.4~0.5.偏离这一范围，降低喷射混凝土的强度（图4),增大回弹率(图5)。
图4 水灰比对喷射混凝土强度的影响
图5 水灰比对喷射混凝土回弹的影响
2.2.4 速凝剂掺量
在下列情况下应掺加速凝剂：
（1） 要求快速凝结,以便尽快喷射到设计厚度； （2） 要求很高的早期强度； （3） 仰喷作业; （4） 封闭渗漏水。
但鉴于国内目前生产的速凝剂都在不同程度上降低混凝土的最终强度，故速凝剂的掺量应严格控制。
在下列情况下作业，可不掺加速凝剂： （1） 向下喷射;
（2） 在干燥的基层（包括岩石或混凝土）上喷射薄层混凝土； （3） 需要严格限制混凝土收缩开裂的工程。 2。3 喷射混凝土的主要性能
喷射混凝土的性能除与原材料的品种和质量、混合料配合比、施工条件等因素有关外，施工人员的技艺也有直接的影响。 2。3。1力学强度
1）抗压、抗拉强度
当混合料以高速喷向受喷面时,水泥颗粒和骨料的重复冲击，使混凝土层连续得到压密，同时，喷射工艺可以采用较小的水灰比，这就保证了喷射混凝土具有较高的抗压和抗拉强度。 其强度值分别列于表7和表8。
当掺入速凝剂后，喷射混凝土的早期强度有明显提高，1天的抗压强度可达6~15MPa.加速凝剂的喷射混凝土的早期强度增长曲线见图6。
喷射混凝土的劈裂抗拉强度约为抗压强度的10％～12％之间，与混凝土的正常范围相符，喷射混凝土的中心抗拉强度约比劈裂抗拉强度低15%.
2）粘结强度
对于喷射混凝土必须考虑的粘结强度有两种：即抗拉粘结强度和抗剪粘结强度。抗
图6 喷射混凝土早期强度增长曲线 1—喷射混凝土；2—普通混凝土 表7 喷射混凝土的抗压强度
注:试件系从35×45×12cm喷射混凝土板上切割成10×10×10cm的立方体而制得（混凝土板边缘的松散部分不得制取试件）。
表8 喷射混凝土的抗拉强度
注：（1）试件制作方法同抗压强度试件。 （2）抗拉强度用劈裂法求得。
拉粘结强度是衡量喷射混凝土在受到垂直于结合界面上的拉应力时保持粘结的能力；而 抗剪粘结强度则是抵抗平行于结合界面上作用力的能力。实际上，作用在粘结界面的应 力则是这两种应力的结合。
喷射前受喷面的清洗质量，对于喷射混凝土与其它材料的粘结强度有重要影响，应予以重视。
由于喷射时拌合料高速冲击受喷面，并要在受喷面上形成5～10mm厚的砂浆层后，石子才能嵌固。因此喷射混凝土与岩石、混凝土和砖结构均有较高的粘结强度见表9。
表9 喷射混凝土的粘结强度
注：制取试件的方法是在35×45×12cm的模型内,放置厚度约5cm的岩石板或混凝土板
件，再施作喷射混凝土至模型厚度。硬化后,锯成边长为10cm的立方体试件（板件边缘松散的蜂窝状的部分不得制取试件），在结合的界面上用劈裂法求得粘结强度。
3）弹性模量
由于拌合料设计、混凝土龄期、抗压强度和试件类型不同，并且定义也不尽相同,因而国内外文献报道的喷射混凝上弹性模量有较大的离散。
国外弹性模量的最高和最低值摘要列于表10，并附有现场可以达到的有代表性的数值。 同普通浇筑混凝土一样,喷射混凝土的弹性模量随龄期和抗压强度而增大.一般来说，喷射混凝土抗压强度与弹性模量的关系与普通混凝土相似（见表10、11）。
表10 国外喷射混凝土弹性模量的典范范围
表11 喷射混凝土的弹性模量
2.3。2 收缩变形
喷射混凝土收缩包括干缩和热缩.干缩主要由水灰比决定，较高的含水量会出现较大的收缩,而粗集料则能限制收缩的发展。因此，采用尺寸较大与级配良好的粗集料可以减少收缩.热缩是由水泥水化热所出现的温升决定的。水泥含量低和速凝剂含量少的喷射混凝土收缩较小，薄层结构比含热量多的厚层结构热缩较少。
喷射混凝土水泥用量大，含水量大,因而比普通混凝土收缩大.国内测定的喷射混凝土收缩量随龄期增长的趋向见图7,在自然条件下养护的喷射混凝土,360天的收缩值变动于
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（800～1400）×10cm/cm。美国报道的喷射混凝土收缩值变动于（600～1500)×10cm/cm。但在评价喷射混凝士的收缩时，应区分有无侧限的不同情况。
图7 喷射混凝土收缩量随时间的变化 1-标准条件下养护;2—自然条件下养护
喷射混凝土附着的建筑结构面或岩面经常作为限制收缩的物体，因此，实际工作着的喷层收缩值远比自由收缩值为小。
加强养护，保持喷射混凝土在早期处于潮湿状态,降低干燥速度都有利于减少收缩的发展.
2。3.3 徐变
喷射混凝土的徐变，有以下一些特点:
1)喷射混凝土的徐变规律同普通混凝土一样，随着持续荷载时间的增加，徐变变形亦增加，加荷初期增加得比较快，以后就逐渐减缓趋于某一极限值。喷射混凝上徐变稳定较早。
-5
28天龄期加荷的密封试件持荷120天的徐变度为6。6×10cm/N，即接近极限值。
2）当加荷应力小于0.4Ra(轴心抗压强度)时，喷射混凝土的徐变应变c与加荷应 力成正比。即cC（见图8）。C为徐变度，即单位应力的徐变。
3)加荷龄期和环境相对湿度对喷射混凝土的徐变影响很大。加荷龄期越早，徐变值大。加荷龄期晚，徐变则小.加荷龄期早的试件持荷前期变形发展快，徐变速率衰减也快。加贺龄期晚的试件，持荷前期徐变发展慢，但徐变衰减也慢.
图8 不同持荷时间和加荷应力的徐变曲线
环境的相对湿度越低,徐变越大,相同的加荷龄期和持荷时间条件下的非密封试件（环境相对湿度80±5％）比密封试件的徐变度大1.22~1.99倍，而且延续时间要长。
4）速凝剂使喷射混凝土的徐变增大(图9），这是因为速凝剂虽能提高混凝土的早期强度，但后期水泥矿物的继续水化受到阻碍，从而降低了同龄期混凝土强度，使徐变增大。
图9 速凝剂对徐变的影响
2。3.4 抗冻性
喷射混凝上有良好的抗冻性，用普通硅酸盐水泥配制的喷射混凝土进行的抗冻试验表明，在经过200次冻融循环后，试件的强度和重量变化不大，强度降低率最大为11%（表12)。美国进行的试验也表明，有80%的试件经受300次冻融循环后，没有明显的膨胀，也没有重量损失和弹性模量的减小。
喷射混凝土的抗冻性好，是因为在喷射过程中会自动带入一部分空气。空气含量为2.5％～5。3％。气饱一般是不贯通的并且有适宜的尺寸和分布状态，这相似于加气混凝土的气孔结构,它有助于减少水的冻结压力对混凝土的破坏。
表12 喷射混凝土的抗冻性
坚硬的骨料，较小的水灰比，较多的空气含量和适宜的气饱组织等，都有利于提高喷射混凝土的抗冻性。相反，采用软弱的、多孔易吸水的骨料，密实性差的或棍人回弹料并出现蜂窝、夹层及养护不当而造成早期脱水的喷射混凝土,都不可能具有良好的抗冻性能。 2.3。5 抗渗性
影响喷射混凝土抗渗性的主要因素是水、水泥含量、骨料以及养生条件.喷射混凝土固有的低水灰比和高水泥含量有利于提高抗渗性.级配良好的坚硬骨料、密实度高和孔隙率低均可增进防渗性能。国内采用标准抗渗试件所取得的喷射混凝土抗渗指标一般均在0.7MPa以上。
但是，应当指出，任何能造成蜂窝、回弹裹人、分层、孔隙等不良情况的喷射条件都会恶化喷射混凝土的抗渗性。
3、钢纤维喷射混凝土
钢纤维喷射混凝土是一种采用喷射法施工的典型的复合材料，它同时含有抗拉强度不高的混凝土基体材料和抗裂性大、弹性模高的钢纤维材料.采用这种复合材料的目的是改善喷射混凝土的性能，如抗拉强度、抗弯强度、抗冲击强度、抗裂性和韧性。 3.1增强机理
目前主要有两种理论来分析和认识钢纤维对混凝土的增强机理，即纤维间隔理论和 强度复合理论.
3。1。1纤维间隔理论
喷射混凝土作为一种脆性材料，在外力作用下，首先在有缺陷（裂缝、空隙）部位产生较大的应力集中,然后进一步扩大，最后导致整个混凝土结构的破坏。1963年罗缪弟（Romualdi)提出了在混凝土脆性材料中加入钢纤维约束裂缝扩展的模型，即纤维间隔理论.该理论的基本观点是，为了增混凝土、水泥砂浆等原来有缺陷材料的强度，必须增加其韧性，约束其缺陷的发展，减少内部裂缝末端的应力扩大系数。罗缪弟等人从裂缝约束的概念出发，曾对间距较密的纤维配置的梁进行弯曲试验，证明了纤维混凝土的初裂强度由纤维间距的大小决定.
图1a所示为沿钢纤维拉力方向有规则分布着钢纤维（间距s），假定裂缝(半径a）发生在四根钢纤维所包住的部分，那么由拉伸应力所产生的粘附应力τ就分布在钢纤维的裂缝端部附近（图1b)，从而使得裂缝的发展受到约束。
图3—1 脆性材料中加入钢纤维以后裂缝控制机理模型
罗缪弟等进行的试验，除了得出纤维混凝上的抗裂强度由纤维间距决定的结论外，还得出改善混凝上抗裂强度的有效纤维间距（s）不能大于1。27cm，当纤维间距小于0。76cm时,抗裂强度急剧增加。并提出能有效地抵抗拉伸应力的纤维平均间距可由下式求出:
s13.8d1 vt式中:d——钢纤维直径； vt——钢纤维体积掺量百分数. 依据纤维间隔理论，复合材料的抗拉强度可按下式计算：
fct,sfctk(1) s1 式中：fct,s——钢纤维混凝土抗拉强度； fct-—素混凝土抗拉强度;S——钢纤维平均间距；k——由钢纤维和基本粘结强度决定的常数,对平直纤维为45，钢板切削纤维为57. 3。1。2强度复合理论
强度复合理论又称混合物法则,该理论的基点是认为钢纤维在水泥砂浆或混凝土中的作用，则是利用纤维在基体里的粘着力传递荷载。纤维喷射混凝土的强度取决于纤维和基体材料的体积比以及纤维与基体材料的抗拉强度，并可按下式计算。
fct,sfct(1Vf)nfstVf
式中：fct，s——钢纤维喷射混凝土的抗拉强度；fct—-喷射混凝土的抗拉强度;Vf—-纤维在复合体中的体积百分率；fst-—钢纤维的抗拉强度；n—-纤维定向系数。
应当指出，钢纤维喷射混凝土的拉伸破坏，是纤维从混凝上基体中被拔出而造成的，而纤维抵抗从基体中拔出的能力则受纤维材料性能、断面形状、纤维外形、纤维长径比、纤维体积百分率及纤维与基体的粘结强度的影响. 3。2 原材料及组成 3。2。1 钢纤维
常用的钢纤维直径为0.25~0。4mm，长度为20～30mm，长径比一般为60～100。 钢纤维可由表3—1所示的几种方法取得.
不同品种的钢纤维具有不同的功能，碳素钢纤维用于常温下的喷射混凝土，不锈钢 纤维则用于高温下的喷射混凝土，端头带弯钩的钢纤维具有较高的抗拔强度，当比平直 的纤维掺量少时，也能获得相同性能的喷射混凝土。 3.2.2水泥
一般采用425号普通硅酸盐水泥，用量为每立方米混凝土400kg。 3.2。3 粗骨料
其最大粒径一般为15mm，这是由于粗骨料应完全被长为20～30mm的纤维所包裹，以保证其良好的力学特性.
表3-1 钢纤维的制取方法
3.2.4 配合比
国内常用的配合比为水:泥砂：石子=1：2：2，钢纤维掺量为每立方米混凝土80～100kg, 表3-2和表3-3则是国外常用的干式及湿式喷纤维混凝土的配合比。
表3—2 钢纤维混凝土干式喷射施工配合比
表3-3 钢纤维混凝土湿式喷射施工配合比
3.3 主要性能 3。3.1抗压强度
在一般条件下，钢纤维喷射混凝土的抗度要比素喷混凝土高50%左右,表为3—4为国内外纤维喷射混凝土的抗压强度实测资料。当钢纤维的尺寸相同时，混凝土强度随纤维含增加而提高。
在混提土中加入适宜的钢纤维后，可明显地改善48小时内的强度，图3—2示含有2％体积的钢纤维与不含钢纤维的喷射混凝土早期强度的比较。
图3-2 钢纤维喷射混凝土的早期相对抗压强度（水泥380kg/m3；水/水泥=0。5；钢纤维
l/d=25mm/0。4mm)
注：纵坐标为100，与横坐标平行的直线为不含钢纤维;图中曲线为含2％钢纤维。 3。3.2抗拉、抗弯度
钢纤维喷射混凝土的抗拉强度比素喷混凝土约提高50%~80%，抗拉强度随纤维掺量的增加而提高（图3-3）。当钢纤维的长度和掺量不变时,细纤维的增强效果优于粗纤维,这是因为细纤维单位体积的比表面积大,与混凝土的粘结力高的缘故.
钢纤维喷射混凝土的抗弯强度要比素喷混凝土提高0。4~1倍，国内外的实测资料见表3-5，同抗拉强度的规律一样。增加纤维掺量，或减小纤维直径，均有利于提高钢纤维喷射混凝土的抗弯强度。
图3-3 钢纤维喷射混凝土的抗拉强度与钢纤维掺量的关系
1—抗拉强度;2—抗弯强度
表3-5 钢纤维喷射混凝土的抗弯度
3.3.3韧性
良好的韧性是钢纤维混凝土的重要特性。所谓韧性是指从加荷开始直至试件完全破坏所做的总功.韧性的大小常以荷载-挠度曲线与横座标轴所包络的面积表示。国外采用10×10×35cm的小梁试验表明，钢纤维喷射混凝土的韧性可比素喷混凝土提高倍。国内冶金部建筑研究总院采用70×70×300mm的试件试验表明，钢纤维喷射混凝土的韧性约为素喷混凝土的20~50倍（图3—4）.
图3—4 钢纤维喷射混凝土小梁载荷—挠度曲线
1—钢纤维直径0。3mm，长25mm,掺量2%；2—钢纤维直径0.4mm，长25mm，掺量2%；
3—钢纤维直径0.4mm，长25mm，掺量1.5%
3.3。4 抗冲击性
在喷射混凝土中，掺入钢纤维，可以明显地提高抗冲击性。测定钢纤维喷射混凝土的抗冲击力，常采用落锤法或落球法。美国用4。5kg锤对准厚38～63mm，直径为150mm的试件进行锤击。素喷混凝土在锤击10～40次后即破坏.而使用钢纤维喷射混凝土试件破坏所需的锤击次数约在100～500次以上。即抗冲击力提高10～13倍。
我国冶金部建筑研究总院曾用直径35mm,重2。55kg的钢球，在距试件1m高的上方对70×250×250mm的试件进行撞击，试验结果见表3-6,掺入钢纤维后喷射混凝土的抗冲击力约提高倍8～30倍。
表3-6 钢纤维喷射混凝土抗冲击性能
注：钢纤维直径为0.4mm，长度为20mm。
3.3.5 拔出强度
对钢纤维喷射混凝土中埋入的锚杆所作的抗拔试验表明，抗拔强度与喷射混凝土的抗压、抗弯强度有一定关系，在加拿大一露天矿边坡上对钢纤维喷射混凝土所作的试验结果列于表3-7。
表3—7 14天的拉拔强度
3.3。6 90%极限荷载的拉应变
美国卡顿（Katon）完成了对100×100×305mm喷射混凝土试件的快速加载弯曲试验，发现
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在极限荷载时，外层纤维拉应变为320×10～440×10，而素喷混凝土只有192×10，钢纤维喷射混凝土在破坏时的应变值有较大增长. 3。3。7钻结强度
瑞典BESAB报告，采用湿法施工的钢纤维喷射混凝土与花岗岩的粘结强度约为1。0MPa。 3.3.8收缩
冶金部建筑研究总院的试验表明,在每立方米喷射混凝土中掺入90kg的钢纤维后,则各个龄期喷射混凝土的收缩量均明显减小。在不加速凝剂情况下，一般减小20％～80%;在掺速凝剂情况下，一般减小30％~40（图3-5）。这一性能对于喷射混凝土用于防水工程和大面
积薄壁结构工程是极为有利的.
图3—5 自然条件下喷射混凝土的收缩曲线
1—不加速凝剂的素喷混凝土;2—加速凝剂的钢纤维喷射混凝土;3-加速凝剂的素喷混凝土；4
—加速凝剂的钢纤维喷射混凝土
3。4 施工工艺 3.4。1 施工机具
现有的喷射混凝土机械，包括双罐式、转子式、转盘式干法喷射混凝土机械或挤压泵送型湿法喷射混凝土机械，有的稍加改进就能用于钢纤维喷射混凝土施工.
为了减少堵管，应取消90°弯头，在管路内径突变处，采用长的锥形变径器.输料管直径应为纤维直径的2倍。
目前，瑞典已研制出用于单独喂送钢纤维的专门设备见（图3—6、图3-7和图3-8)。新的钢纤维喂入器主要是一个能旋转的圆筒,其内壁上装有很多长钉，当钢纤维喂入后，旋转筒可使成团的纤维松散开来，圆筒是向下倾斜的，圆筒前端有一可调的开口，纤维经过开口，落入给料漏斗，再由喷吹器吹进软管,并送至喷咀处,与混凝土混合料均匀混合后喷出.
图3—6 新式的钢纤维喂入器
1—水；2-纤维；3—喷纤维混凝土；4—剩余空气；5—空气；6-水泥+砂石;7-排出器；8—纤
维
图3-7 干法钢纤维喷射混凝土用的新式喷头 1-水;2—纤维;3—剩余空气;4—水环；5—水泥+砂石
图3-8 湿法钢纤维喷射混凝土用的新式喷头 1-纤维；2-空气;3-湿拌混凝土;4—喷钢纤维混凝土
3。4。2 施工工艺
在钢纤维喷射混凝上施工中，最重要的问题是要能较均匀地掺入混合料,尽可能地减小钢纤维的回弹。
纤维结团现象既会造成管路堵塞,又会影响钢纤维的增强效果.有利于防止钢纤维成团的措施是：
（1)采用新型钢纤维喂入器，使纤维单独喂入喷咀处与混凝土混合料均匀混合。
（2）通过纤维分散机使纤维分散后加入皮带机或搅拌机内，与该处正在输送或搅拌的混合料混合.国外钢纤维分散机的种类见表3-8。国内冶金部建筑研究总院已研制成DB—81型钢纤维分散机，该机利用电磁振动原理，具有分散和输送钢纤维两种功能，结构紧凑，无旋转和无需润滑的零部件，易于维护，分散能力为8～10kg/min，外形尺寸为643×408×454mm，重量包括60kg(包括配重30kg）。
（3）钢纤维加人搅拌机内时，应卸入混合料处，不要卸至叶片处，防止纤维堆叠. （4）控制钢纤维的掺量。特别对于长径比大于80的钢纤维，其掺量一般不宜大于1.5％（占混凝土体积）。
至于减少纤维回弹，则可采取以下措施:
(1)采用较低的空气压力或较少的空气控制纤维的长径比,采用短而粗； (2）控制纤维的长径比，采用短而粗的钢纤维和较大的喷射厚度； （3）采用较小的骨料和预湿骨料。
［1］ 程良奎.喷射混凝土（一）—喷射混凝土的最新发展与施工工艺［J]。工业建筑，1986（1)
[2] 王红喜,陈友治，丁庆军。喷射混凝土的现状与发展[J].岩土工程技术，2004，18（1）
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