(一)施工准备

喷射作业现场,应做好下列准备工作：

(1)为了保证安全文明施工,按计划顺利地进行喷射混凝土作业,必须在喷射混凝土施工前,清理好场地,拆除作业面障碍物。开挖面的浮石既威胁施工安全,若被喷混凝土覆盖也影响支护质量,必须清除。清除墙脚的石渣、堆积物,以使喷混凝土能够喷到墙脚,防止边墙喷层出现“失脚”现象。

(2)用高压风水冲洗受喷面,将岩面的岩粉、碎浮石冲洗掉,保证喷射混凝土与受喷面粘结牢固。对遇水易潮解、泥化的岩层,则应用高压风清扫岩面。若受喷面被污染,应按设计要求进行处理。受喷面的污染可能表现为局部油污、局部烟熏(内燃设备排烟或其他烟熏)或砂浆(混凝土)污染等。这些污染都会影响喷混凝土与受喷面的粘结,应采取凿除、打毛或化学的方法进行处理。

(3)埋设控制喷射混凝土厚度的标志。

(4)作业区应安设充足的照明设施,具有良好的通风条件。

(5)若受喷面漏水或渗水严重,将直接影响喷射混凝土施工质量,所以,必须在喷射作业前做好治水工作。尤其是在地下水水头较高的部位,更要重视治水工作。治水的方法很多,应因地制宜采取措施,但治水的原则是将渗水、漏水集中、导出,不使其被喷混凝土层覆盖后“击穿”混凝土。

(6)对机械设备、风、水管路、输料管路和电气线路等进行全面检查,并进行试运转。

(7)土层表面喷射喷混凝土,如渠道衬砌,表面应首先彻底压实并整修边线与坡度。喷混凝土不应喷射在冻结、松软或有水的表面上。在喷射喷混凝土之前,表面应保持潮湿几个小时。

(8)岩石表面上喷射喷混凝土,所有疏松材料、碎屑、脏物或其他外来物质都必须清除,以使岩石和喷混凝土之间粘接良好。

(9)使用喷混凝土修补损坏的混凝土,必须首先将不坚固的材料清除掉,并铲凿直到空穴内没有残留物为止。修补区域的周边可以锯或凿成以该区域为中心的斜坡,应避免毛边。确定要喷射喷混凝土的表面(无论是混凝土、砌石或是钢材)是坚固的以后,应该用干喷砂、湿喷砂、研磨或高压水射流冲刷。在接受喷射喷混凝土之前,所有这些表面应该彻底清洁。

(10)工作区应该设置安全适当的脚手架,这样喷头操作工能够在最佳角度和距离握住喷头对工程所有部位的表面进行喷射混凝土。脚手架还应该容易接近喷混凝土表面以便用样板刮平和完成抹面作业。

(二)配料与拌和

1.配料

经过多年实践验证而且普遍采用的各种喷射混凝土水泥、砂石和水的用量比例见表4-6。

表4-6　各种喷射混凝土水泥、砂石和水的用量比例

由于不同品种速凝剂的速凝效果不同；即使同一品种的速凝剂,对不同厂家生产的同一规格的水泥,也有不同的速凝效果。如果速凝剂或其他外加剂掺量不当,不仅会影响速凝效果,而且会影响混凝土的早期强度和后期强度。因此,速凝剂和其他外加剂的使用,应根据产品说明书中提供的掺量范围,通过试验确定其最佳掺量。

目前用于喷射混凝土的外掺料主要是粉煤灰和硅粉。使用外掺料的目的主要是减少水泥用量、降低成本。在不影响喷射混凝土强度的前提下,其掺量有一个最佳范围。因此,必须通过试验确定其最佳掺量。

要求各种原材料均按质量计量,称量的允许偏差为：

水泥、水(不含干喷法)和速凝剂均为±2%；砂、石均为±3%。

2.拌和、运输

大型喷混凝土工程干喷配料优选的方法是在现场同时连续配料。最好采用预先袋装的材料和预加湿设备来完成。

当采用容量小于400L的强制式搅拌机时,搅拌时间不得少于60s；当采用自落式或滚筒式搅拌机时,搅拌时间不得少于120s；当混合料掺有外加剂或外掺料时,搅拌时间应适当延长。混合料宜随拌随用。

拌制干喷法混合料,当使用的砂石料含水率小于6%时,速凝剂可在搅拌时掺入。拌制好的混合料,应在20min内使用完毕。

为了减少施工粉尘,可采用湿砂拌制混合料。由于拌成的混合料是潮湿的,因此也称之为“潮喷法”。实践证明,砂料的含水量小于6%时,减尘效果不明显。但若砂料含水量大于10%,水泥易粘附于喷射机内壁,影响机械的正常工作,或在喷射过程中频繁出现堵管等故障。水泥与水及速凝剂拌和后,很快就开始凝结,因此,混合料停放时间不宜过长。采用含水量为6%～10%的湿砂料拌制的混合料,在加入速凝剂之后应很快就喷射出去,所以要求速凝剂在喷射机的上料皮带上或在输料管内掺入。

不掺速凝剂的混合料,存放时间超过2h也会出现初凝,因此要求存放时间不应超过2h。

拌制湿喷法混合料时,应将全部用水量一次与水泥、砂石搅拌均匀,随拌随用；混合料拌制后,应进行坍落度测定,其坍落度宜为8～12cm。湿喷混凝土混合料加入速凝剂后必须立即喷射,避免水泥的水化作用提前发生。因此,要求速凝剂应在喷头或输料管的适当部位加入。湿喷混凝土经常采用液态速凝剂,拌料时应扣除配制液态速凝剂的用水量。

无论是干混合料还是湿混合料,在喷射之前都不允许进入多余的水,以避免干混合料中水泥提前水化、湿混合料水灰比的加大而影响混凝土的质量。

混合料在运输、存放过程中,应严防雨淋、滴水或石块等杂物混入。混合料装入喷射机前应过筛。

(三)喷射混凝土施工要点

1.一般要求

(1)喷射机的正确使用是保证喷射混凝土施工质量的关键。因此,喷射机操作人员必须经过培训、持证上岗,在操作过程中严格执行操作规程,保证喷射机正常、稳定地进行工作。

(2)保证连续均匀向喷射机供料。

(3)保持喷射机工作风压的稳定。

(4)在开始喷敷喷混凝土层以前,应先快速地对选择的工作表面喷射一薄层喷混凝土。初始层保护制备好的表面不受过喷或回弹料的污染。工作面的大小应能够使该表面用新鲜喷混凝土保持“湿润”,不发生初凝,直到整个区域喷敷完成。因此,工作面的大小取决于周围温度、喷混凝土中的添加剂、工作表面的可进入性、使用的设备和喷头操作工的能力。

(5)正确的喷敷方法是喷头在受喷表面上成稳定的圆形或椭圆形运动。不应该将喷头朝一个部位喷射过长的时间,因为这样会增加回弹,并很难控制层厚。如果喷头不是作恒定速度运动,就会造成一些地方的材料压实度好,一些地方压实度差。喷头宜与受喷面垂直,喷射距离控制在0.6～1.2m。实践证明,喷射作业时,当喷头与受喷面保持垂直,距离0.6～1.2m的情况下,粗骨料易嵌入塑性砂浆层中,喷射冲击力适宜,一次喷射厚度大,回弹率低,粉尘浓度小。

(6)喷射作业应分段、分片依次进行,以便于施工管理,有利于保证喷射支护的质量。喷射顺序应自下而上,以避免松散的回弹物料污染待喷面,并且由于下部喷层对上部喷层的支托作用,有利于避免喷混凝土的脱落。各段间的结合部和结构的接缝处应做妥善处理,不得存在漏喷部位。

(7)素喷混凝土一次喷射厚度应按表4-7选用。

表4-7　素喷混凝土一次喷射厚度　单位：mm

为减少回弹损失,一次喷射厚度不宜过小。但也不能过大,一次喷射厚度过大容易造成“离层”而影响混凝土的粘结力与凝聚力,甚至因自重过大而脱落。实践经验表明,只有当壁面上形成10mm左右的塑性层后,粗骨料才能嵌入。

(8)当喷射混凝土设计厚度超过表4-7规定的一次喷射厚度时,则应分层进行喷射。分层喷射时,后一层喷射应在前一层喷射混凝土终凝后进行。若前一层喷射混凝土未达到终凝就进行后一层喷射,会扰动前一层混凝土结构,并可能导致前一层混凝土与受喷面之间脱空甚至脱落。若终凝1h后再进行喷射时,应先用风水清洗喷层表面。

(9)喷射作业紧跟开挖工作面时,混凝土终凝到下一循环放炮的间隔时间不宜小于4h。工程实践表明,喷射混凝土终凝后4h,在其紧跟的开挖工作面放炮,喷射混凝土的凝聚力及其与壁面的粘结力足以抵抗爆破的振动影响,不会导致混凝土开裂、脱空或脱落。

(10)喷射混凝土表面应平整,平均起伏差应满足设计要求。喷射混凝土表面的平整度对水工隧洞十分重要,壁面平整则糙率小,过流能力大。

(11)采取可靠措施降低喷射混凝土的回弹率,控制边墙不大于15%,顶拱不大于25%。影响喷射混凝土回弹率的因素包括原材料质量、水灰比、喷射速度、喷射距离和角度、喷射手技术熟练程度等。而回弹率的高低直接影响喷射混凝土质量、材料消耗量和施工效率。施工实践表明,只要正确地按有关规定施工,搞好施工质量管理,就能够达到规定的回弹率指标。回弹量随工作面的位置、空气压力、含水量、骨料的最大粒径和级配、钢筋的数量、喷层的厚度而变化。常规水泥骨料喷混凝土的回弹率见表4-8。

表4-8　常规水泥骨料喷混凝土的回弹率(www.daowen.com)

细骨料拌和料的回弹量小而粗骨料拌和料的回弹量大。硅粉喷混凝土拌和料的回弹比其他混合料的回弹要少50%,这是因为硅粉高粘聚性所致。

刚开始喷射时,回弹率很大。但是当新鲜喷混凝土垫层形成以后,回弹率就变小了。虽然回弹料中含有水泥浆,但主要是由粗骨料组成。因此,留在原位的喷混凝土的水泥含量较高,因为骨料在回弹中损失了。这就增加了喷混凝土的强度,同时也增加收缩和随后的收缩开裂趋势。工作面上的回弹物如果不清除,将会形成沙质、多孔区和叠层,这对喷混凝土质量是极其有害的。不应将回弹物作废物利用加入到下批拌和料中,因为从施工现场收集的回弹骨料中含有速凝剂、已部分水化的水泥以及杂物,再次使用将会降低喷混凝土强度。因此,在主体工程中喷混凝土回弹物不应重复使用,用于临时工程也需经过试验、论证。

(12)必须小心地用喷混凝土封闭、包裹钢筋,以防止在钢筋后面形成没有胶结的骨料团。为了防止形成骨料团,喷头应该靠近钢筋并以小量偏离垂直的角度迫使材料喷射在钢筋的周围和后面。钢筋的前面应保持清洁,没有堆积物直到整个钢筋被封闭包裹。在喷射作业期间应使用一根压缩空气吹管清除钢筋前面的堆积物和后面夹裹的回弹材料。喷混凝土拌和料应该比正常料稍微湿一点,但不要太湿以免在钢筋后面滑坍。正确地安装钢筋和钢丝网可减少封闭问题和形成大的骨料团的可能性。钢筋网要紧贴岩面,与锚杆点焊固定,局部加膨胀螺栓固定。钢筋网与岩面距离偏大会产生喷混凝土架空现象,并增加回弹量。

(13)两次喷混凝土之间的施工缝,一般做成喷混凝土层厚度1/2的斜面。也可以在初凝时用镘刀切割形成施工缝。随后在相邻施工段喷射混凝土之前,应彻底清洁和润湿整个施工缝。

(14)在低温条件下进行喷射混凝土作业,混凝土凝结时间延长,强度增长缓慢,使一次喷射混凝土的厚度减少,回弹率增大。为控制以上问题,要求作业区气温和混合料的温度不应低于+5℃；要求在与现场气温相同条件下进行水泥净浆凝结试验,以决定速凝剂掺量。要做好保温工作。喷射混凝土强度在下列数值时,不得受冻。

1)普通硅酸盐水泥配制的喷射混凝土低于设计强度等级30%。

2)矿渣硅酸盐水泥配制的喷射混凝土低于设计强度等级40%。

(15)在下雨、下雪或大风期间,不可能正常地露天喷射喷混凝土。下雨可能冲刷掉水泥,留下沙质表面,或者使喷混凝土饱和并造成下垂或滑坍。强风会隔离喷头和淀积部位之间的材料,减小强度。如果不能架设适当的屏蔽以减小风的作用,应该停止喷混凝土。

(16)完成喷射作业或因故中断喷射作业时,应清除喷射机和输料管内的积料,以便喷射机的再次使用或安全地处理故障。

(17)喷射混凝土因砂率较高、水泥用量较大并掺有速凝剂,因而收缩变形要比现浇混凝土大。因此,在喷射混凝土施工后,应加强养护。要求喷射混凝土终凝2h后,开始喷水养护。养护时间：一般工程不得少于7天,重要工程不得少于14天。气温低于+5℃时,不得喷水养护；必要时,需采取保温防冻措施。

2.干式喷射混凝土

除满足上述一般要求外,还应做到：

(1)保持喷头处水压稳定并保持喷头处于良好的工作状态,主要包括水环出水孔的畅通和喷头各部件之间的良好密封。

(2)干式喷射作业的水灰比,是由喷射手根据经验在喷头部位控制的,主要是凭经验目测。在干式喷射作业过程中,应控制好水灰比,及时调整供水量,保持混凝土表面平整,呈湿润光泽,无干斑或滑移流淌现象,这时的水灰比是合适的,一般在0.40～0.45。

3.湿式喷射混凝土

湿喷混凝土施工是将湿喷混凝土中胶凝材料、骨料、水和添加剂像常规混凝土那样拌和均匀。拌和好的材料运送至输料设备,如混凝土泵,再通过输料软管排压或用压缩空气将混合料喷到物体表面。并在喷头处增加压缩空气以增加喷射速度,保证喷射效果。上述一般要求全部适用于湿式喷射混凝土。注意湿喷混凝土与干喷混凝土有以下几点不同：

(1)新喷混凝土与原物体的粘结强度,通常湿喷混凝土比干喷混凝土的粘结强度要低。

(2)一般情况下,湿喷混凝土的施工速度要比干喷混凝土快得多。干喷混凝土的生产率通常为1～1.5m3/h,而湿喷混凝土达到5～15m3/h。

(3)湿喷混凝土的回弹要比干喷混凝土低一些。

(4)在喷混凝土中使用加气剂只有在湿喷混凝土中添加。当正确配料时,加气剂形成气孔系统适合于为湿喷混凝土提供防霜特性,在中度暴露于冻融条件下,具有良好的抗冻性能。在干喷混凝土中形成气孔系统是不可能的。

4.潮喷混凝土

潮喷混凝土施工是在干喷混凝土施工的基础上改良而形成的一种施工方法,其原理为在干喷的基础上先进行小水量的初步拌和,然后以干喷同样的工艺方法施工。但由于先做了初步拌和,因此,施工过程中粉尘量有很大的降低,较好的改善了作业环境,有益于操作人员的健康。

细骨料的含水量应达到骨料水泥拌和料能够以均匀速度在输料软管中流动。不应该太湿,以免在管线中产生料芯,但是要足够潮,使水泥和骨料粘着良好,以防止形成静电电荷。最佳含水量将取决于使用的输料设备。应将骨料按要求湿润或干燥,以便使水分达到满意水平。应该避免含水量起伏波动。喷头操作工必须控制拌和用水,使喷混凝土表面有轻微的光泽。水太多会产生下垂、滑坍、泥糊或掉落,特别是在顶板上。如果喷混凝土表面干燥、暗淡、呈沙质状,表明水分不够。这种状况会增加回弹,形成沙穴,使抹面困难,而且会形成脆弱的叠层喷混凝土。

5.水泥裹砂法喷射混凝土

水泥裹砂喷射混凝土是日本于20世纪70年代中期开发的一项喷射混凝土技术。我国从20世纪80年代初开始应用该项技术,已在水工隧洞施工中有较多的应用。

(1)水泥裹砂喷射混凝土的原理。水泥裹砂喷射混凝土所用原材料分为两部分：一部分用于拌制水泥裹砂砂浆；另一部分用于拌制干混合料。喷射作业时,水泥裹砂砂浆由砂浆泵输送至混合管,同时干混合料由干喷机输送至混合管,二者汇合后经喷头喷出。

(2)水泥裹砂喷射混凝土施工机具。除应满足干式喷射混凝土施工机具的有关要求外,还应符合以下要求：

1)喷射作业时,砂浆泵输送的水泥裹砂砂浆与干喷机输送的干混合料的重量基本相同。选用干喷机的生产能力一般为3～5m3/h,相应要求砂浆泵的生产能力达到4m3/h。要求砂浆输出压力应不小于0.3MPa。砂浆输送泵宜采用液压双缸式、螺旋式或挤压式。水泥裹砂喷射混凝土是通过调整砂浆泵的输送量来控制喷出料的稠度。当干喷机输送干混合料的量发生变化时,砂浆泵输送砂浆的量亦须相应变化,从而保证喷出的混凝土有适宜的稠度。因此,要求砂浆泵的出力在其额定的输送能力下必须是任意可调的。当采用电动螺杆泵、挤压泵或单缸泵时,其动力装置应为无级调速电动机,以便通过调整电动机的转速来控制砂浆泵的输送量。单缸砂浆泵靠柱塞的往复运动输送砂浆,因此砂浆的输送过程是间断的,其间隔时间可通过砂浆泵柱塞每分钟的往返次数计算。当采用单缸式砂浆输送泵时,应保证砂浆输送脉冲间隔时间不超过0.4s。

2)砂浆拌制设备宜采用反向双转式或行星式水泥裹砂机,也可采用强制式混凝土搅拌机。

(3)水泥裹砂喷射混凝土的配合比。在确定水泥裹砂喷射混凝土的配合比时,首先确定总配合比,然后分别确定裹砂砂浆和干混合料的配合比。总配合比的确定可采用普通混凝土配合比设计的“绝对体积法”。混凝土的含气量可取3%～5%。首先根据喷层的强度要求确定水灰比,再根据砂子的粗细在55%～70%范围内确定砂率,再确定单位体积用水量(混凝土拌和物的坍落度可取30～50mm)。水灰比、砂率和单位体积用水量确定后,便可计算出混凝土的总配合比。裹砂砂浆的含砂量是根据砂浆泵的输送性能并通过试验确定的,应尽量取大值,以充分发挥裹砂法的优点。干混合料通常含有10%的水泥,其作用是减轻混合料对输料管的磨损。当砂石表面含水较多时,会使混合料中的水泥变成稀浆,此时则不宜向混合料中加入水泥,而将全部水泥用于拌制裹砂砂浆。当砂浆内的含砂量和含水泥量确定后,裹砂砂浆及干混合料的配合比也就相应确定了。

裹砂砂浆的造壳用水量由造壳水灰比确定。裹砂砂浆的水泥重量(包括掺和料)乘以造壳水灰比,即为造壳用水量。造壳用水量减去砂浆内的砂子表面含水量(当砂子吸水未达饱和状态时,表面含水量为负值)即为一次搅拌用水量。

水泥裹砂喷射混凝土的配合比除应满足表4-6的有关规定外,还应符合以下要求：

1)水泥用量宜为350～400kg/m3。

2)裹砂砂浆的砂用量宜为砂总用量的50%～75%。

3)裹砂砂浆的水泥用量宜为水泥总用量的90%。

4)裹砂砂浆造壳水灰比宜为0.2～0.3。

(4)裹砂砂浆的拌制。裹砂砂浆的拌制程序有“三段法”和“两段法”两种。“三段法”是先将砂和一次搅拌用水加入搅拌机进行搅拌,使砂表面充分湿润；再将水泥(包括掺和料)加入搅拌机进行搅拌(这一过程称为“造壳”)；造壳搅拌完成后,将二次搅拌用水(总用水量减去造壳用水量)和减水剂加入搅拌机,拌制出水泥裹砂砂浆。“两段法”是将“三段法”的前两步合并为一步。当采用反向双转式或行星式混凝土搅拌机时,可采用“两段法”；采用一级强制式搅拌机时宜采用“三段法”。裹砂砂浆拌制的程序和要求：

1)将砂和一次搅拌用水加入搅拌机内,搅拌30～60s。

2)加入水泥,再搅拌60～150s。

3)加入二次搅拌用水及外加剂,再搅拌30～90s。

4)使用外掺料时,外掺料应与水泥同时加入搅拌机。

(5)水泥裹砂喷射混凝土作业。除满足上述一般要求外,还应做到：

1)水泥裹砂喷射混凝土作业时,砂浆泵的出力须根据喷射机的出力来定。在喷射作业开始时,首先用砂浆泵输送裹砂砂浆,使砂浆的输送量达到所需的砂浆匹配量,同时送风,待裹砂砂浆在喷头喷出后,再由喷射机输送混合料。

2)根据喷出料的状态对砂浆泵的出力进行微调,使喷出的混凝土稠度适宜。砂浆泵的操作人员根据喷射手的指示调整砂浆的输送量。

3)喷射结束时,先停止向喷射机输送混合料,再停止砂浆泵输送裹砂砂浆,待喷头处没有物料喷出时,停止送风。

由于水泥裹砂喷射混凝土的造壳作用改善了喷射混凝土骨料的界面效应,提高了喷射混凝土强度及混凝土与壁面的粘结力,使一次喷射厚度可增加到120mm。同时,回弹量也大大减少。几个采用水泥裹砂喷混凝土工程实例回弹率如下：富尔江引水隧洞边墙9.5%,顶拱15%；甘堡水电站引水隧洞边墙9%,顶拱16.3%；东风水电站平均9.7%。