讓噴射混凝土牢固上墻的秘密武器

　　2020年12月4日，為共同推進(jìn)我國(guó)噴射混凝土材料與工程技術(shù)的發(fā)展，由中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)(CCPA)主辦，中建材中巖科技有限公司、北京工業(yè)大學(xué)、北京硅酸鹽學(xué)會(huì)、江蘇奧萊特新材料股份有限公司、云南凱威特新材料股份有限公司協(xié)辦的首屆噴射混凝土產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新應(yīng)用論壇暨中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會(huì)成立大會(huì)在江蘇南京召開(kāi)。

　　當(dāng)前噴射混凝土廣泛應(yīng)用于隧道、橋梁、水利水電、坡壩及地下工程等諸多領(lǐng)域，噴射混凝土一方面節(jié)約鋼材和木材，可降低施工成本，另一方面使得施工簡(jiǎn)單，有利于一次成型和加快掘進(jìn)速度，具有比傳統(tǒng)筑模成型的方式更廣泛的發(fā)展前景，而將預(yù)先拌制好的水泥、砂石、水以噴射的手段將其牢牢固定在垂直角度的拱頂或豎直面上甚至可以噴射數(shù)層而不掉落，這離不開(kāi)一個(gè)秘密武器——噴射混凝土用速凝劑。

　　中建材中巖科技有限公司(以下簡(jiǎn)稱中巖科技)成立于1992年，是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司控股公司，經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，中巖科技已形成混凝土外加劑、助磨劑、特種工程材料三大業(yè)務(wù)板塊，在噴射混凝土用速凝劑生產(chǎn)、研發(fā)及應(yīng)用技術(shù)上具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，2019年，將無(wú)堿液體速凝劑生產(chǎn)線進(jìn)行自動(dòng)化、智能化升級(jí)，年產(chǎn)量達(dá)10萬(wàn)噸，產(chǎn)品發(fā)往山東、廣東、廣西、北京等地，應(yīng)用量逐年上升。

　　噴射混凝土自1907年美國(guó)動(dòng)物標(biāo)本學(xué)家卡爾·阿克利發(fā)明了“水泥槍”之后，大量應(yīng)用于隧道、地下工程和煤礦等建筑工程，經(jīng)歷了干噴工藝和濕噴工藝的迭代更新，預(yù)計(jì)到2025年，濕噴混凝土市場(chǎng)將達(dá)到77億美元以上，且會(huì)呈現(xiàn)健康穩(wěn)定增長(zhǎng)，是全球噴射混凝土增長(zhǎng)的重要?jiǎng)恿?。新時(shí)代也產(chǎn)生了既有結(jié)構(gòu)維護(hù)加固、新建結(jié)構(gòu)復(fù)雜形狀等新需求，噴射混凝土向著高性能方向發(fā)展，用濕噴混凝土代替?zhèn)鹘y(tǒng)的現(xiàn)澆成型混凝土建造鋼筋混凝土墻已在美國(guó)西海岸成功應(yīng)用了很久。

　　干噴法是將拌合好的膠凝材料、骨料和粉狀速凝劑通過(guò)噴嘴噴出，噴射過(guò)程中與水混合噴射到受噴面，濕噴法即為將拌合好具有一定工作性的預(yù)拌混凝土通過(guò)噴嘴噴出，在噴嘴處加入液體速凝劑，與液體速凝劑混合后噴射到受噴面的方法，因此，為順應(yīng)噴射混凝土的發(fā)展，速凝劑出現(xiàn)了粉劑到液體的更新，粉體速凝劑存在明顯的缺點(diǎn)，比如使用過(guò)程中混合不均勻、粉塵大、易受潮等，而液體速凝劑則更容易均勻的分散于混凝土拌合物中，避免混凝土質(zhì)量的波動(dòng)。

　　速凝劑的分類眾多，按堿含量劃分可分為堿性速凝劑和無(wú)堿速凝劑。一般的，速凝劑摻量占膠材的3%—9%，最早的有堿速凝劑堿含量可高達(dá)25%，再加上速凝劑的高摻量，最終給膠凝材料帶入的高堿含量，易引起混凝土后期強(qiáng)度損失，使混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)提高導(dǎo)致混凝土膨脹破壞，給噴射混凝土的永久支護(hù)帶來(lái)難度，且含堿速凝劑具有極強(qiáng)的腐蝕性，由此，低堿和無(wú)堿速凝劑成為發(fā)展新趨勢(shì)。無(wú)堿液體速凝劑也經(jīng)歷了從起步到逐漸成熟的過(guò)程，研究稱離子狀態(tài)的鋁可以顯著縮短水泥凝結(jié)時(shí)間，硫酸鋁、無(wú)定形鋁、氟鋁化合物等被引入，但這又給無(wú)堿液體速凝劑帶來(lái)了新的問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)近幾年的研究結(jié)果可知，無(wú)堿液體速凝劑普遍存在的問(wèn)題包括：穩(wěn)定性差、摻量高、大量使用有毒原材料、早期強(qiáng)度低等，極端環(huán)境下噴射混凝土?xí)椔时容^高，且大量工程存在早期強(qiáng)度低力學(xué)性能差的現(xiàn)象，研究者也作了相當(dāng)多的研究，為了提高離子狀態(tài)鋁的溶解性、更顯著的降低噴射混凝土的回彈率，摻入價(jià)格昂貴的原材料，高成本一度成為制約無(wú)堿液體速凝劑市場(chǎng)占有率的重要因素。

　　快凝快硬 無(wú)堿高強(qiáng)

　　中巖科技無(wú)堿液體速凝劑從無(wú)到有，經(jīng)歷了研發(fā)團(tuán)隊(duì)眾多心血，擁有自主研發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，近500個(gè)小試配比的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，逐步攻關(guān)了分層、凝結(jié)時(shí)間慢、強(qiáng)度低等問(wèn)題，驗(yàn)證了中聯(lián)、海螺、南方、山水、魯碧、盾牌等大小集團(tuán)的近20種水泥，篩選出適用于不同種類水泥的配比，采用硫酸鋁為主要促凝組分，結(jié)合預(yù)分散增強(qiáng)組分、懸浮組分、絡(luò)合組分等制備了無(wú)堿高強(qiáng)型、無(wú)堿快凝型、低堿快凝型一系列產(chǎn)品，針對(duì)不同地區(qū)水泥，科學(xué)調(diào)整速凝劑配比，擁有摻量低(6%—8%)，凝結(jié)時(shí)間快，終凝時(shí)間在5min以內(nèi)，1d強(qiáng)度10MPa左右，超過(guò)國(guó)標(biāo)要求，28d抗壓強(qiáng)度比≥90%，回彈少，優(yōu)化施工環(huán)境，減少對(duì)施工人員的傷害等特點(diǎn)，可滿足不同種類水泥及新拌混凝土噴射工程，在高鐵隧道、地下工程中大放異彩，使用足跡遍布于華東、華南地區(qū)眾多工程。

　　以多變應(yīng)萬(wàn)變 踐行央企品質(zhì)

　　每個(gè)產(chǎn)品的迭代升級(jí)都會(huì)遇到技術(shù)瓶頸，無(wú)堿液體速凝劑應(yīng)用初期的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，同時(shí)也帶來(lái)了更多的問(wèn)題。由于影響混凝土凝結(jié)時(shí)間的因素眾多，比如水泥種類、混凝土用外加劑、混凝土拌合狀態(tài)、噴射混凝土施工環(huán)境、噴射手操作方法等，導(dǎo)致噴射混凝土在應(yīng)用過(guò)程中不斷出現(xiàn)回彈量高、后期整塊掉落等問(wèn)題，往往為了滿足噴射混凝土施工要求，速凝劑需要具有更快的凝結(jié)時(shí)間，更高的早期強(qiáng)度，優(yōu)異的后期強(qiáng)度。

　　噴射混凝土的速凝劑機(jī)理離不開(kāi)水泥水化，水泥水化過(guò)程可簡(jiǎn)單分為硅相和鋁相反應(yīng)，硅相反應(yīng)早期水化主要是C3S的水化，分為誘導(dǎo)前期、誘導(dǎo)期、加速期、減速期和穩(wěn)定期，鋁相反應(yīng)早期水化主要為C3A的水化，C3A先水化生成 C4AH13，隨后與石膏反應(yīng)不斷生成 AFt，生成的AFt隨后覆蓋在C3A阻止 C3A化，周而復(fù)始，直至石膏消耗完，燒制水泥熟料及混合材種類千差萬(wàn)別導(dǎo)致水泥種類不同，無(wú)堿液體速凝劑與水泥水化產(chǎn)物的無(wú)縫配合才能發(fā)揮速凝劑的最大優(yōu)勢(shì)。

　　中巖科技無(wú)堿液體速凝劑在大多數(shù)隧道工程應(yīng)用中，以多變應(yīng)萬(wàn)變的策略，針對(duì)不斷變換的水泥種類、應(yīng)用環(huán)境，從速凝劑摻量及種類、水泥及骨料配合比、噴射風(fēng)壓和噴射距離的變化、一次噴射厚度的確定等方面為每個(gè)工程量身定制產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)，統(tǒng)籌分析經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，充分滿足每個(gè)項(xiàng)目對(duì)產(chǎn)品的需求，降低噴射混凝土項(xiàng)目綜合成本，成為中巖科技速凝劑廣泛使用的法寶。

　　展望無(wú)堿液體速凝劑發(fā)展前景，對(duì)標(biāo)國(guó)際速凝劑產(chǎn)品，無(wú)堿液體速凝劑向著低摻量、無(wú)氟、高適應(yīng)性、高穩(wěn)定性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性方向發(fā)展，但市售無(wú)堿液體速凝劑產(chǎn)品技術(shù)路線紛雜、產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，身為央企的中巖科技一直秉持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，做了超前研發(fā)，在無(wú)氟、高適應(yīng)性方面已有頗多理論成果及新產(chǎn)品，在優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品開(kāi)拓創(chuàng)新、工程建設(shè)持續(xù)服務(wù)等方面，中巖科技將持續(xù)引領(lǐng)行業(yè)健康發(fā)展，為噴射混凝土能持久牢固上墻保駕護(hù)航。

　　(李曉寧)

　　(數(shù)據(jù)來(lái)源：中建材中巖科技有限公司)