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延长建筑寿命喷射混凝土能做点啥?

  近年来,随着我国公路铁路工程建设的加快,隧道工程有了较大发展,喷射混凝土具有原料来源广泛、施工便利、对施工现场适应性强、施工速度快等优良性能,得到广泛应用,为我国工程建设贡献了力量。

  随着喷射混凝土材料制备的关键材料——喷射混凝土用速凝剂的快速发展,无碱液体速凝剂技术逐渐成熟,为喷射混凝土材料的高性能化发展提供了材料基础。

  喷射混凝土起始于20世纪的美国,发展至今已有100多年。2020年,全球喷射混凝土市场规模达到了523亿美元,预计2026年将达到715亿美元,年复合增长率(CAGR)为4.5%。行业之所以取得快速发展,离不开关键材料的进步。

  近年来,随着喷射混凝土材料制备的关键材料——喷射混凝土用速凝剂的快速发展,无碱液体速凝剂技术逐渐成熟,为喷射混凝土材料的高性能化发展奠定了材料基础;同时,喷射混凝土成型工艺也逐渐由干法喷射向湿法喷射方向转型发展,喷射混凝土设备也正在逐步实现国产化和智能化控制,明显地提高了喷射混凝土作业环境和工程质量。此外,硅灰、钢纤维、有机纤维和其他功能材料在喷射混凝土中应用,显著提高了喷射混凝土的力学性能与耐久性,推动喷射混凝土向高性能化和高耐久方向发展。

  国道109高速路中铁总包部二工区、五工区施工现场CCPA喷射混凝土材料与工程技术分会/供图

  “目前,喷射混凝土已广泛用于隧道、地下和海洋工程,以提供早期支持和防止渗水。喷射混凝土的关键性能指标是设定时间和强度,这不仅取决于混合物设计,还取决于液体无碱速凝剂的使用。速凝剂改变了胶凝材料的水化机理,影响其强度发展和凝固时间。”CCPA喷射混凝土材料与工程技术分会秘书长尚百雨表示,2017年喷射混凝土速凝剂行业为712.85亿美元,预计到2025年将达到986.62亿美元,2017—2025年的复合年增长率为4.15%。全球采矿活动、隧道建设增加等是推动全球喷射混凝土速凝剂市场的关键因素。

  在标准体系建设方面,当前由于喷射混凝土在配合比、喷射作业及洒水养护等多种因素的影响,使得实体喷射混凝土的强度往往达不到设计要求,导致支护结构的可靠度降低甚至工程事故的发生。因此能否准确有效地评价喷射混凝土的施工质量显得尤为重要。

  近年来,随着国民经济的快速发展及喷射混凝土应用领域的不断扩大,喷射混凝土需求量越来越大、质量要求也越来越高,性能要求越来越综合化、多样化,因此对喷射混凝土品种与性能要求越来越高,对喷射混凝土应用技术水平要求也越来越高。

  创新是技术进步的关键,在工程建设中同样如此。“在川藏铁路—林芝试验段的工程实践中,为实现喷射混凝土在到达受喷面时迅速凝结硬化并提供早期强度的目的,采用加入速凝剂的方式加速水泥水化进程,缩短诱导期。速凝剂的使用实现了喷射混凝土的迅速凝结硬化,保证了隧道围岩稳定和施工安全。山西省中部引黄工程是山西省‘十二五’规划大水网建设中一项重要的工程,工程包括水源工程和输水工程。本工程采取了一系列的工程措施进行初期支护,除了锚杆、锚索等措施外,钢纤维喷射混凝土也是其中一项重要的措施。某高铁全线重点控制性工程,隧道地质条件复杂,整体施工风险高。该隧道浅埋段占全隧41%,洞身围岩整体稳定性差,浅埋偏压软弱围岩多,尤其是Ⅳ、Ⅴ级围岩占比高达86%。受地材环境限制与施工成本控制,项目采用机制砂制备喷射混凝土。”谈到在工程中取得的突破,尚百雨如数家珍。

  在标准建设方面,同样需要创新。“在标准体系建设方面,当前由于喷射混凝土在配合比、喷射作业及洒水养护等多种因素的影响,使得实体喷射混凝土的强度往往达不到设计要求,导致支护结构的可靠度降低甚至工程事故的发生。因此,能否准确有效地评价喷射混凝土的施工质量显得尤为重要。”尚百雨指出,目前现行的喷射混凝土质量评价指标仍然局限于传统的混凝土抗压强度,但抗压强度指标不能合理地反映喷射混凝土的实际受载作用机理。况且国内现行施工规范和质量检验评定标准中检测喷射混凝土抗压强度的“喷大板”试验方法不仅费时费力,所获取的样本数量有限,强度值有时也不能真正反映实际喷射混凝土的性能。

  目前,发展喷射混凝土技术存在以下两种思路:一是发展适用于喷射混凝土的绿色高性能速凝剂;二是在喷射混凝土中加入新型纤维材料,利用其本身的力学性质,达到改善喷射混凝土性能目的。

  我国幅员辽阔,社会全面进步,人民需求大幅提升,促使工程的种类与质量不断取得更大的突破,这为喷射混凝土带来了机遇与挑战。

  “当前行业发展存在的问题和挑战主要有以下几点:一是国内外相关速凝剂产品的检验方法和性能评价指标存在不统一问题。特别是关于速凝剂产品分类和性能指标问题,我国甚至没有无碱速凝剂的明确定义,对于多少碱含量才是无碱或者低碱存在争议。二是目前3D打印建筑技术使用的喷射混凝土粘结时间仍旧不合理,通常凝结时间达6~10h左右。三是煤矿巷道使用喷射混凝土封闭和支护围岩是目前最有效的支护方式,伴随着锚喷支护工艺的改进和完善,成为目前巷道支护技术的主流。四是速凝剂产品稳定性和在喷射混凝土施工中应用技术还有待完善。”尚百雨提出,目前发展喷射混凝土技术存在着以下两种思路:一是发展适用于喷射混凝土的绿色高性能速凝剂,针对混凝土延性和强度的提高、抑制裂缝的产生与延伸、减少天然骨料和水泥的消耗、降低施工环境粉尘的影响等方面进行研究,利用速凝剂来弱化对环境的污染。二是在喷射混凝土加入新型纤维材料,利用其本身的力学性质,达到改善喷射混凝土的韧性和强度、提高抗震防爆性能、减少自身裂缝的发展、降低回弹率的目的。但值得注意的是,当前,低成本、高回报的速凝剂研发使得速凝剂市场鱼龙混杂,部分速凝剂掺入许多污染环境的成分。主管部门为提高工程的稳定性和耐久性、减少对环境的污染,现已明确要求在施工过程中使用液体速凝剂。

  随着我国“西部大开发”和“一带一路”的不断推进,喷射混凝土将得到进一步推广,其质量的好坏将直接影响着我国各类工程的建设质量和使用寿命。

  喷射混凝土与传统混凝土相比有着无可比拟的优越性。由于对被喷物具有较好的支衬、隔离等作用,使得其在水利水电、边坡支护、矿山开发、地下工程、工程加固补强等诸多领域得到广泛应用。但随着我国“西部开发”和“一带一路”的不断推进,喷射混凝土将得到进一步推广,其质量的好坏将直接影响着我国各类工程的建设质量和使用寿命。

  “如何提升高性能喷射混凝土材料与工程技术将成为今后行业高质量发展的重要方向。”对此,尚百雨建议,一是研发性能更好的早强型无碱液体速凝剂及其新型高效稳定剂或络合剂,加大利用无害工业副产品等廉价原材料生产液体速凝剂。二是湿喷工艺及其配套湿喷设备是未来喷射混凝土的发展方向,干法喷射将逐步被限制和取代。三是建立健全喷射混凝土性能的检测评价方法和相关标准规范。四是喷射混凝土材料向“高性能喷射混凝土”方向发展,不仅具有可靠的可喷射性能,同时具有优异的力学性能和耐久性能。五是喷射混凝土专用喷射设备的自动化和智能化水平提升及开展喷射手和承包商的专用技能和资质培训已刻不容缓。

  国道109高速路中铁总包部四工区CCPA喷射混凝土材料与工程技术分会/供图

  江苏奥莱特新材料股份有限公司专注于混凝土外加剂的研究、开发和产业化,被认定为“国家高新技术企业”“江苏省优秀企业”。

  作为喷射混凝土关键原材料,公司自主研发的高性能无碱液体速凝剂,产品经中国建筑材料联合会组织的科技成果鉴定会鉴定,达到国际领先水平。除此之外,公司自主研发的《喷射混凝土用高性能无碱液体速凝剂开发及其产业化》项目,申报并成功通过了江苏省重大科技成果转化,获得省级专项资金900万元。产品获评2021年中国混凝土与水泥制品协会混凝土科技进步二等奖。公司起草的国家标准GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》已实施。公司在2020年成为中国混凝土与水泥制品协会喷射混凝土材料与工程技术分会副理事长单位。

  作为一家为喷射混凝土施工企业提供无碱速凝剂等特种外加剂产品的科技型企业,云南凯威特新材料股份有限公司主要在以下三个方面不断探索、持续前进。一是以标准创新引领市场需求,2014年云南凯威特作为发起单位参与了速凝剂产品国家标准GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》的制定。2017年,云南凯威特联合北京工业大学、中国建筑科学研究院等单位发起ISO23945《喷射混凝土试验方法》系列标准的制定工作。

  二是以产品创新引领市场发展,公司自2012年成立以来,便与北京工业大学建立了联合研发中心。自联合研发中心成立,先后开发出5款液体无碱速凝剂产品,并成功应用于国内外重大工程中。2020年云南凯威特获批为第二批国家级“专精特新”小巨人企业。

  三是坚持把资源循环利用作为企业发展的立身之本,坚持低碳环保的企业发展道路。公司根据云南省化工企业多,化工废弃物处理成本高、难度大的情况,通过自主创新,开发出成套处理工艺及设备,将化工企业部分废水、废渣加工成公司产品原料,实现了变废为宝、降低成本的双重目的。