湿喷混凝土射流密实过程研究进展

宁逢伟　蔡跃波　白银　张丰　吕乐乐　

摘要：关于湿喷混凝土的密实度研究目前仍停留在配合比优化方面，只是通过喷射大板制取样品或结构面钻取芯样进行密实度比较，而对射流密实过程缺乏认识，施工调控缺少合理依据。为此，在充分调研前人研究成果的基础上，剖析了射流密实过程的工艺特点，总结出射流密实过程的关键组成行为方式，回顾了各关键行为方式的研究现状，并展望了进一步的研究方向。研究建议密实度施工调控必须兼顾混凝土材料和湿喷工艺两方面，应探明二者耦合作用下的射流密实机理;机理研究应充分考虑混凝土流变特性及其早龄期快速演变进程，对混凝土接触速凝剂2 min内的“超早龄期”流变特性应予以特别关注。

关键词：湿喷混凝土; 密实过程; 密实度; 混凝土射流; 流变特性

中图法分类号： TU528

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.031

0引 言

喷射混凝土是水工地下洞室支护最重要的建筑材料之一，其施工操作机动、灵活，能够省去常规浇筑混凝土工艺中搭建和拆除模板的繁冗工序，特别适用于异型断面[1-3]。尤其是近年来，混凝土湿喷机的研发和生产技术发展迅猛，湿喷混凝土逐渐取代了干喷混凝土和潮喷混凝土[4]。采用预拌混凝土作为湿喷材料，品质更稳定;混凝土拌和物和速凝剂的料流传输更均匀;湿喷混凝土回弹少、粉尘浓度低、一次喷射厚度大、强度高，显著改善了施工人员的作业环境[5]，已获得工程界的普遍青睐。

长久以来，地下洞室支护所用喷射混凝土的配合比设计主要以强度和回弹率为导向，只要混凝土与所支护岩体的黏附性好、回弹少、固化快、早期强度高，配合比就可满足工程设计需求，而防渗、抗冻、耐离子侵蚀等其他性能通常不予考虑。因而喷射混凝土衬砌结构常被称作临时性支护（即永久性支护结构的第一个分层），一般与二次衬砌混凝土组合应用，构成复合式衬砌，是最常见的永久性支护结构型式。但是，复合式衬砌结构在工程实践中也表现出一定的不足，如在异型断面支护时，为满足特定几何断面条件下二次衬砌混凝土的浇筑需要，必须制备特制模板，不仅费时费力，模板也很难重复利用，还延长了建设工期。从结构安全的角度看，洞室开挖后围岩能否及时恢复稳定，主要取决于初期支护锚喷体系，二次衬砌结构只是发挥安全储备、防水、美观等作用，是一种资源浪费。在上述背景下，能否采用锚喷衬砌结构取代复合式衬砌，直接充当永久性支护，已成为当前的重要研究课题之一[6]。利用挪威法[7]设计地下空间支护结构时，就提倡一次性施工“系统锚杆+钢纤维喷射混凝土”作为永久性支护。事实上，喷射混凝土永久性支护结构已在英国、德国、澳大利亚、比利时、加拿大、挪威、瑞典、丹麦等多个国家应用[8]。理论和实践都表明[9]，喷射混凝土永久性支护取代复合式衬砌在结构安全方面是可行的。不足之处在于：喷射混凝土永久性支护结构普遍存在渗漏水问题[10]，建设后期往往需要采取防水补救措施。特别是在开挖水工地下洞室时，洞室埋深大，地下水储量丰富、水头高、水压大，防水能力不足的问题更加突出。

喷射混凝土衬砌结构的密实性较差是造成渗漏水现象频发最重要的原因之一，欲全面解决渗漏水问题必先提升喷射混凝土密实度。显而易见，密实性差已成为制约喷射混凝土永久性支护推广应用的关键问题，同时也是喷射混凝土领域当前研究和讨论的热点问题。喷射混凝土与常规浇筑混凝土有着显著差异，它既是一种特殊的建筑材料，也是一种特殊的施工工艺。因此，提升喷射混凝土密实度需要从材料和工艺两方面同时着手。公认的技术途径有3个：① 优化混凝土配合比，降低硬化结构孔隙率;② 提升喷射施工设备料流传输的稳定性，降低材料离析造成的填充不足;③ 提高喷射施工参数调控水平和设备参数的控制精度。在混凝土配合比优化方面，采用矿物掺合料（如纳米SiO2、硅灰、粉煤灰等）进行微细填充可显著改善喷射混凝土的密实度[11-14]。在料流传输稳定性方面，混凝土湿喷机能够输送稳定的稀薄流，具有干喷或潮喷设备无法比拟的技术优势[15-16]。在喷射施工调控和设备参数控制方面，近年来诞生的电脑程控式全自动混凝土湿喷机可明显提高喷射施工工艺参数的控制精度[17-19]，尤其在粉尘浓度高、能见度低、可视性差等人工喷射手极易出现操作失误的情况下，全自动混凝土湿喷机仍可凭借激光扫描-反馈机制确保工艺参数准确实施。所谓喷射施工调控旨在确定混凝土性能、喷射风压、喷射距离、喷射角度和速凝剂掺量之间的最佳匹配关系，傳统施工调控主要依赖喷射手的工作经验和业界共识，尚无成熟的理论依据。人工喷射手在施工调控时，必然遵循着一定的逻辑思维，系统地统筹、调控混凝土性能和湿喷工艺参数等关键要素，潜在的理论本质仍不为人知。然而，一旦采用全自动湿喷施工设备，施工操作只能通过电脑调控，则必须将人工喷射手抽象的感官经验具体化，形成直接支配机械设备工作的数字信号。概括地说，电脑调控程序就是人工喷射手工作经验的数据化、理论化和程序化。因此，实现数据化、理论化和程序化必须要精细化研究整个湿喷工艺流程，特别是要理清湿喷混凝土射流密实过程的内在作用机制，为科学开展喷射施工调控提供理论支撑。但是，相关领域的理论和实践研究报道均较少，可借鉴资料不多，操作难度极大。

密切结合上述问题，本文剖析了射流密实过程的工艺特点，总结了射流密实过程的关键组成行为方式，回顾了各关键行为的研究现状，并展望了进一步的研究方向。

1射流密实过程的密实行为组成分析

湿喷工艺流程可概括为图1所示。按照混凝土射流的运行轨迹特点，湿喷工艺流程分成3个阶段：混凝土高速喷出阶段（喷嘴处）、自由射流运动阶段（喷嘴和结构面之间空气中）和射流冲击与反弹阶段（结构面处），混凝土的射流密实过程恰恰发生在射流冲击与反弹阶段。

以密实度为导向分析混凝土射流的冲击与反弹过程发现，喷射混凝土结构的致密性主要通过射流冲击实现，射流冲击能够挤压结构面混凝土，减少或排除料流内部的裹挟空气，这类射流冲击引起的混凝土密实现象统称为射流冲击密实行为。射流冲击后，一旦喷射混凝土附着在结构面上，密实度大小就只取决于结构的孔隙率和空隙率，这与常规浇筑混凝土无异。常规浇筑混凝土过程中，振捣比较充分，空隙率极低;而喷射混凝土是在射流冲击与反弹过程中逐渐密实的，内部难免因级配不连续、局部浆体缺失等出现空隙，空隙率相对较高。中铁西南院罗朝廷认为喷射混凝土内部出现空隙主要是因为浆体填充不足，并据此命名这类空隙为“蜂窝孔”。填充空隙是射流密实过程中减少甚至杜绝“蜂窝孔”的主要密实行为方式之一，这种因填充而实现混凝土密实的现象统称为多尺度填充密实行为。射流密实过程中，还有一种深知其害、却无法避免的现象就是物料反弹，极易造成局部物料缺失，破坏结构整体性，削弱结构密实度，这种物料反弹形成空隙进而降低密实度的现象统称为物料反弹削弱密实行为。射流冲击密实行为、多尺度填充密实行为和物料反弹削弱密实行为三者共同组成了混凝土的射流密实过程。在喷射混凝土的传统设计理念中，射流密实过程甚至密实度往往可以忽视，因此现有研究中涉及此3种关键密实行为的文献报道很少，需要深入探索和钻研。

2射流密实过程的研究进展

2.1射流冲击密实行为的研究进展

喷射混凝土因高速射流冲击而密实是工程界的普遍共识。然而，如何定量表征高速射流的冲击密实行为，进而揭示冲击密实机理一直是研究的热点和难点。射流冲击密实过程可概括为两个阶段：高速射流冲击结构面和结构面混凝土的冲击响应。

在高速射流冲击结构面阶段，冲击密实程度主要取决于射流所携带的能量。目前关于混凝土射流冲击能量的报道极少[20]，而且能量不可直接测量，需要根据实测质量和速度间接换算。喷射混凝土的射流冲击速度远大于自身黏性系数（雷诺数大），运动形式表现为紊动射流[21]。料束发散是紊动射流的典型特征，直接伴随着能量分散，并在射流断面上呈现差异性分布，研究射流冲击能量必须同时探明质量、速度的大小和空间分布。在速度分布研究方面，以往工作主要集中在湿喷设备改造和喷嘴结构优化方面[22-23]。如今湿喷设备生产与制造工艺日趋成熟，速度分布的主要影响因素逐渐转向喷射材料性能和湿喷工艺参数。如材料密度越大、直径越大，射流速度越小[24-25];喷射风压越大，射流冲击速度越大;喷射距离越长，射流扩散半径越大，速度分布越广[26-27]。湿喷混凝土的速度分布特征与干喷混凝土相似，射流截面轴线的速度最大，物料位置越偏离轴线速度越小，整个射流断面的速度分布符合高斯分布[28-29]。然而，与干喷混凝土或单粒料黏聚力小、离散物料黏附力低不同，湿喷混凝土黏聚力通常比干喷混凝土大，各组成部分相互黏附、相互联结，整体性强。射流流态不同于干喷混凝土或单粒料。可见，极有必要探明黏聚力（流变特性）不同造成的射流流态差异对扩散半径发展历程、速度损失进程等的影响规律和影响机制。质量分布与速度分布同样发生于高速射流冲击阶段。冲击射流运动过程中，不断沿程发散，扩散半径随喷射距离变大呈正比增加[28]，混凝土的质量浓度沿程不断被稀释。质量浓度的稀释过程实质是射流不断“卷吸”空气（裹挟空气）的过程。裹挟空气的运动路径通常始于混凝土射流边缘，然后径直向轴线位置迁移，空气浓度自射流边缘到轴线依次降低，空气浓度分布与质量浓度分布负相关。因而轴线处混凝土质量浓度最大，位置越偏离轴线浓度越低，质量分布总体上也符合高斯分布[27]。显而易见，射流裹挟空气量及其分布特征是对质量分布影响最显著的因素。裹挟空气的扩散、迁移和分布与射流流态密切相关[30]。混凝土黏聚力就是影响射流流态最显著的因素之一，黏聚力（流变特性）水平差异同时也是湿喷混凝土与干喷混凝土的显著区别之处，它直接影响着质量分布和冲击动能分布。纵观质量分布和速度分布的影响因素及其作用机制，冲击能量研究必须充分考虑混凝土的流变特性。

结构面混凝土的冲击响应阶段历时极为短暂[31-32]，如射流自喷嘴运动至结构面耗时一般不超过0.2 s，1 m2基面上喷射施工20 cm厚混凝土仅需2 min。而在这较短时间内，即使采用速凝剂激发，混凝土拌和物也仅能转化成一种介于液体与固体之间的状态，即软固体状态。软固体状态混凝土已经具备一定的刚度（弹性模量），能够抵抗一定程度的射流冲击和吸收冲击能量。软固体状态形成过程中混凝土弹性模量快速演变（2 min内），可压缩性很可能也在急剧演变，直接影响冲击射流的压缩效率。如速凝剂超过适宜掺量时，混凝土不易被压缩，物料反弹量大幅增加[33]，反弹量甚至与软固体弹性模量正相关[34]。探明射流密实过程需要充分考虑2 min内软固体弹性模量的快速演变过程，弹性模量通常用流变学指标进行表征[35]。因此，定量评价结构面混凝土的冲击响应特征应重点研究“超早龄期”（2 min内）混凝土流变性能的时变规律。

2.2多尺度填充密实行为的研究进展

混凝土组成可近似看成两相结构，即浆体相和骨料相[36]。浆体和骨料按照不同组合方式构成了多层次的填充单元，如小颗粒粗骨料填充较大颗粒粗骨料之间的空隙、细骨料填充粗骨料之间的空隙、浆体填充细骨料之间的空隙，层层包裹、级级填充[37-38]。

在骨料填充研究方面，改变骨料粗细程度就可调节混凝土孔隙率，优化密实度[39]。特别是基于紧密堆积密度设计骨料级配时，可显著缩小喷射前后混凝土的骨料组成差异，甚至将骨料优化级配落实到结构面[40]，充分发挥级配优化的填充功能。如果在保持骨料优化级配的前提下，改善骨料粒形还可进一步提高填充密实性[41]。上述研究成果虽都源于干喷试验，但在湿喷混凝土领域仍有较大借鉴价值。湿喷混凝土黏聚力大，骨料与浆体的黏附性好，骨料的射流冲击与反弹特征不同于干喷混凝土。因此，要研究骨料级配或骨料粒形优化对射流填充密实过程的影响，就必须先研究流变特性与射流发散、物料迁移的关联性。在浆体填充研究方面，Ginouse等[27，31]发现在混凝土射流运动过程中，料流卷吸空气，料束发散，原本均匀分布的浆体逐渐向射流边缘迁移和聚集。浆体积聚形成富浆层，厚度随喷射距离的延长而增加。内部浆体向外迁移容易导致局部填充不足，留下空隙。增加浆体量是解决此问题的直接措施，方法简单有效。Jolin等[42-43]就曾大幅度提高砂率，增加浆体量，不仅改善了喷射混凝土的密实性，而且还实现了对钢筋预埋件的良好包裹。但是盲目增加浆体量存在较大的开裂风险，不利于结构的安全和耐久性[44]。提高浆体黏度、增加骨料对浆体的吸附性或许是一个阻碍浆体迁移的有效措施[45]。例如掺入粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土等都可增加浆体黏度[46]，改善喷射混凝土的射流进程[47-48]。然而，浆体黏度变化对射流运动过程中浆体迁移规律有何影响，如何影响射流填充密实过程，均是亟待回答的问题。可见，无论是浆体优化还是骨料优化，都需要考虑流变特性。

2.3物料反弹削弱密实行为的研究进展

物料反弹是喷射混凝土的典型特征，也是与常规浇筑混凝土的最大区别[49]。它极易引起局部填充不足，形成空隙从而削弱密实度。在喷射混凝土的组成物料中，粗骨料反弹比例最高，细骨料次之，浆体最少[50]。因此减小物料反弹对密实度不利影响的核心工作是降低粗骨料回弹。粗骨料初始射流动能大，冲击过程能量损失小，反弹能量高，因而容易发生回弹。提高砂浆与粗骨料的黏附水平，联结和束缚粗骨料，是降低粗骨料回弹的重要技术措施，也是制备超低弹喷射混凝土的主要技术途径[51-52]，如摻入硅灰、提高硅灰掺量、增加胶材体系总比表面积[49，53-54]等。黏附力水平通常用流变学指标进行表征和评价[55]，如塑性黏度、剪切应力、扭转力矩等[35，47]。然而，物料反弹的现有研究主要是基于回弹率对不同配合比或不同湿喷工艺参数进行横向比较，简单实现参数优选，很少关注结构面混凝土在物料反弹过程中的变化特征，即提高砂浆与粗骨料黏附力究竟如何降低物料反弹的定量机制并不清楚，特别是物料反弹与射流密实过程的关联性研究更是少之又少。少量物料反弹行为的定量研究报道都是基于单粒料或干喷混凝土开展的[56-58]，黏聚力体系、黏附力水平均与湿喷混凝土不同，即使同种黏聚力或黏附力也可能存在多种配合比组成差异，所得结论在湿喷混凝土领域不具备普适性。况且上述报道仅是研究了物料冲击与反弹的动力学特征，未能探明物料反弹特性在射流密实过程中的削弱密实作用规律。因此，揭示湿喷混凝土射流密实机理必须定量研究物料反弹行为，探明黏附力（流变特性）水平差异下喷射混凝土各物料组分（粗骨料、细骨料、浆体）的反弹特性，包括回弹物料的组成分布、质量分布和速度分布。此外，还要深入研究物料反弹所形成缺陷的形貌和数量，分析不同物料组分反弹所形成空隙的特征（缺陷形貌与数量），构建流变特性、配合比组成-物料各组分反弹特征-空隙形貌、数量及空间分布等链式关联机制。

综上所述，射流密实过程发生于结构面的射流冲击与反弹阶段，耗时一般不超过2 min。而速凝体系下混凝土流变性能在2 min内急剧演变，并影响着整个射流密实过程。因此揭示射流密实机理必须考虑“超早龄期”（2 min内）流变特性。射流密实机理研究就是要探明混凝土流变特性，特别是超早龄期流变特性与喷射风压、喷射距离、速凝剂掺量等在射流密实过程中的共同作用机制。

3结 论

（1） 冲击、填充、反弹是射流密实过程的主要行为方式，影响密实过程的关键行为可概括为射流冲击密实行为、多尺度填充密实行为和物料反弹削弱密实行为共3种。

（2） 建议密实度施工调控必须兼顾混凝土性能和湿喷工艺两方面特性，进一步加强射流密实机理研究。射流密实机理研究应重在探明混凝土性能与喷射风压、喷射距离、速凝剂掺量等的共同作用机制。

（3） 混凝土流变特性及其“超早龄期”（2 min内）的快速演变进程是冲击、填充和反弹行为过程的重要影响因素，应予重点关注。

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（编辑：胡旭东）

Abstract：Nowadays，the study on wet-spray shotcrete compactness focuses on concrete proportion optimization，whose main content are comparing specimen compactness byspraying samples or boring samples.However，research on compaction process of wet-spray shotcrete jet flow is ignored，and how to adjust compactness lacks of reasonable support.On the basis of full investigation of previous research results，this paper analyzed the technological characteristics of compaction process，summarized the key compaction behaviors，reviewed the research progress of each key behavior，and proposedfurther research direction.It was suggested that adjusting compactness need to take into account concrete material and wet-spray techniques，their coupling mechanism should be explored.During the mechanism study，the rheological performance of concrete and its rapid evolution process should be fully considered.Especially，the “super early age” rheological characteristics within 2 minutes after accelerator is added to concrete needmore attentions.

Key words：wet-spray shotcrete;compaction process;compactness;concrete jet flow;rheological property;review