王育德，张珍雷，韩显涛

(1.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038； 2.中煤建安集团技术研发中心，河北 邯郸 057150)

喷射混凝土(shotcrete)是借助喷射机械，利用压缩空气及其他动能，将一定比例配合的水泥、砂、石子及外加剂等拌合，通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土主要用于地下工程、岩土工程、加固工程及防护工程等领域[1]。具有技术先进、经济合理、施工简单、安全性能完善的特点[2]。

1910年纽约水泥展会上Carl E.Akely展示了他发明的喷枪及喷射混凝土材料，其主要喷射砂浆进行钢结构的装饰和防腐，在接下来的20年里，喷射混凝土的材料，化学外加剂，设备和技术取得了重大进步和发展[3]。

对于环境要求越来越高的今天，以气膜薄壳结构为代表的封闭储仓具有安全系数高、储量大、对环境影响小的优点[4]，成为煤炭等矿物存储的不二之选。传统钢筋混凝土薄壳结构施工难度大、周期长[5]，而喷射混凝土用于气膜储煤仓具有施工速度快、操作方面、耐久性好的优势，弥补了传统薄壳结构施工复杂的缺点。结合工程实际情况，本文针对喷射混凝土在气膜薄壳储煤仓中的应用作以介绍。

1 工程概况

江苏徐州大屯1#、2#热电圆形储煤仓为中煤建安集团引进美国专利承建的气膜钢筋混凝土薄壳结构。该气膜薄壳储煤仓直径71.3m，高度39.15m。单仓储煤量3.5万t。1#、2#圆形煤场聚酯纤维PVC膜材自2017年3月5日进场 ，历时8个月主体完工。因其有别于传统的施工工艺，决定了其施工的特殊性，为煤炭及矿物存储的革新。江苏大屯1#、2#热电圆形储煤仓如图1所示。

图1 江苏大屯1#、2#热电圆形储煤仓

2 施工工艺

喷射混凝土的施工工艺有干喷法、湿喷法、水泥裹砂法、双裹并列法等[6]，综合比较以上施工工艺选用湿喷法，其优越性为：①粉尘浓度低、回弹率低，施工环境较好；②原材料拌合均匀，配合比容易控制：③喷射效率高。

其施工工艺流程如图2所示。

图2 湿喷混凝土施工工艺流程图

2.1 施工准备

1)主要材料用量及配合比。借鉴美国ACI喷射混凝土配合比设计方法和国内常用配合比设计方法[7]得到喷射混凝土主要原材料用量及配合比，见表1。

表1 喷射混凝土配合比

2)施工机具。混凝土搅拌机(JS500)、空压机(15～20m3/h)、储气罐、喷枪、泵管、配料机、混凝土输送泵、轮式汽车起重机等。

2.2 工艺流程

2.2.1 喷射前检查

喷射混凝土前需要进行隐蔽工程验收、气膜内气压、水、电管线及施工机械设备检查。

2.2.2 混凝土拌制

混凝土拌合应均匀，搅拌最短时间不宜小于120s。严格按照配合比拌合，并满足施工要求[8]。引气剂对改善喷射混凝土的泵送性能和耐久性是必不可少的，开始拌合时会出较小的气泡但在喷射过程中这些气泡会消失，故在拌合过程中含气量要高于配合比中的含气量，以弥补喷射过程中的损失[9]，并且较高空气含量使得混凝土在泵管中具有较好的输送能力[10]。

2.2.3 混凝土喷射

喷枪及泵管充分润湿后方可进行混凝土喷射，喷射时要确保空气压缩机能提供足够的动力，因为喷射混凝土的高速气动固结对其耐久性具有积极的作用[11]。为了在整个施工过程中保持厚度的准确性及受力均衡，应始终尽可能均匀、分层喷射混凝土。具体施工过程如下：

1)第一层：该层喷在气膜储煤仓的底部。首先，在气膜仓整个圆周底部喷射一层厚厚的锥形层，高度约为0.3m。这样减小了仓体底部混凝土反弹率。然后从底部喷到约1.8m，从1.8m到顶部的三分之一处，喷射0.01m厚的薄层，顶部的三分之一覆盖0.005～0.01m混凝土层。

2)第二层：第二层通常在第一层完成24h后喷射。从底部开始，到大约2.5m处喷射0.025m厚，从2.5m到顶部喷射0.01m厚。

3)第三层：如果温度较高，混凝土硬化较快，则第三层可以在第二层完成后进行。第三层是第二层的重复操作，但仓体的重量和厚度增加了。

4)第四层：第四层是第三层的重复，此时应该特别注意随时进行混凝土厚度的测量。

5)最终层：最后一层应该比较薄，以便使仓体内部表面光滑。在喷涂最后一层之前，先进行深度检查。如果此时没有达到设计的足够厚度，则根据需要喷涂附加层。

要控制好混凝土喷射的速度，喷枪应与受喷面有适当的角度和距离，一般距离0.8～1.0m成90°夹角，自下而上、分层进行喷射，喷射宜采用“S”形轨迹，螺旋形移动[12]。混凝土喷射完毕后要及时清理喷嘴和泵管。

2.2.4 养护

由于喷射混凝土是在气膜内部聚氨酯保温层喷射完成后进行的，聚氨酯的喷射一方面减少了壳体的温度梯度，避免了温度急剧下降造成壳体坍塌；另一方面为混凝土养护提供良好的绝缘材料，使得薄壳结构具有更好的保温性，故混凝土可采用自然养护，养护温度不得低于5°，必要时进行洒水，养护时间不得少于14d。

2.3 注意事项

顶部混凝土由于喷射角度大，为避免脱落和坠落要分层分块喷射，一次喷射厚度以不坠落和滑脱为宜，喷射至设计厚度。混凝土喷射时严禁垂直于钢筋喷射，避免喷射完后出现蜂窝或砂囊影响喷射混凝土质量。喷射混凝土喷嘴角度和混凝土喷射轨迹如图3所示(左图为正确的喷射方法，右图为错误的喷射方法)。

图3 喷射混凝土喷嘴角度和混凝土喷射轨迹

此外特别注意对喷射混凝土厚度以及喷射后仓体的整体变形监测。

3 喷射混凝土抗压强度

Trujillo[13]研究发现由于喷射混凝土的高压实度，喷射混凝土包裹的钢筋滑动比那些用现浇混凝土包裹的钢筋要少，与现浇混凝土相比，喷射过程产生的围绕钢筋的混合物的高度压实使得被喷射混凝土包围的钢筋的滑移刚度得到增强，其抗压强度也得到增强。Garcia[14]通过试验发现尽管喷射混凝土与现浇混凝土相比材料具有奇异性，喷射混凝土和钢筋之间的粘结强度和抗压能力可以达到与传统混凝土相同的数量级。

为保证喷射混凝土的质量和工程质量，在施工过程中对主体结构进行取样并进行抗压强度试验。由于气膜薄壳结构施工工艺有别于其他混凝土结构，所以除常规开盘鉴定外还应对不同高度和不同结构层的混凝土进行随机取样。

试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标注》(GB/T 50081—2002)中规定进行。试件均为标准试件，其中开盘鉴定为标准养护1d、7d、28d，主体结构混凝土试件为同条件养护；试件抗压强度测定采用SB100-08数显式液压压力试验机，试验结果如图4、图5所示。

图4 开盘鉴定

图5 主体结构混凝土抗压强度

从图4可以看出喷射混凝土1d、7d、28d的抗压强度呈线性增长，前7d增长速度快，7～28d增长较为缓慢，7d抗压强度最为明显且达到了混凝土的抗压设计强度；从图5可以看出主体结构不同高度不同结构层喷射混凝土28d后抗压强度变化较大，但都在32～49MPa之间，且喷射混凝土28d后抗压强度平均值1#仓达到了42.5MPa，2#仓达到了38.4MPa，均满足抗压强度设计值的要求。

4 结 语

气膜薄壳仓储结构中应用喷射混凝土施工技术，在保证质量的前提下取得了较好的经济和社会效益，与传统储仓相比，在仓体容积率增加30%的前提下，喷射混凝土封闭的施工现场大大减少了对周边环境的影响，规避了传统支模的繁琐工序，用工量减少近70%，钢筋用量减少45%，混凝土用量减少30%，节省了工期，对仓储结构革新具有重大意义。