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噴射混凝土讓建筑施工和城市建設(shè)更加綠色智能高效——專訪中國混凝土與水泥制品協(xié)會噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會理事長、教授王子明
時間:2025-02-13    來源:CCPA袁嵐 徐潔    分享:
作為噴射混凝土行業(yè)發(fā)展歷程的見證者與躬身入局的踐行者,中國混凝土與水泥制品協(xié)會噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會理事長、北京工業(yè)大學(xué)教授王子明,對隧道工程的建設(shè)給予了充分的肯定。

蜿蜒曲折、陡峭險峻的山路,曾是難以逾越的天塹,而如今一座座隧道穿過了崇山峻嶺的層層阻隔,使過去的“天塹”變成坦途。在這翻天覆地變化的背后,得益于我國隧道建設(shè)技術(shù)的飛速發(fā)展以及噴射混凝土技術(shù)的廣泛應(yīng)用。噴射混凝土技術(shù)以其高效、靈活、適應(yīng)性強等特點,已成為了隧道施工中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一。

作為噴射混凝土行業(yè)發(fā)展歷程的見證者與躬身入局的踐行者,中國混凝土與水泥制品協(xié)會噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會理事長、北京工業(yè)大學(xué)教授王子明,對隧道工程的建設(shè)給予了充分的肯定。他說:“目前,我國隧道工程已居世界首位,據(jù)不完全統(tǒng)計,已建成交通隧道45870座,總里程超過5.3萬公里。近年來,我國噴射混凝土技術(shù)發(fā)展迅速,噴射混凝土不僅用于隧道的建設(shè),還在水利水電、公路鐵路、礦山開采、城市景觀、修復(fù)加固、裝飾裝修、3D打印等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?!?/span>

中國混凝土與水泥制品協(xié)會噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會理事長、教授王子明

發(fā)展歷程:
從起飛到騰飛的漫漫長路

噴射混凝土是將預(yù)先配置好的水泥、砂、石子、水、外加劑、摻合料、相關(guān)功能材料等,借助噴射機械,利用高壓空氣或泵將其輸送到噴射頭與速凝劑混合后,高速噴向受噴面,發(fā)揮相關(guān)設(shè)計功能的一類混凝土。王子明說:“與普通混凝土相比,噴射混凝土具有凝結(jié)快、高早強、節(jié)約材料與勞動力、工效高、費用低、效果好等特點。

噴射混凝土技術(shù)起源于20世紀的美國。1911年,卡爾·阿克力發(fā)明了噴射砂漿用的“水泥槍”,并成立了Cement Gun公司。1914年,美國開始在礦山和土木工程中應(yīng)用噴射水泥砂漿。1953年,奧地利卡普隆水力發(fā)電站的米爾隧洞首次使用了噴射混凝土支護,即“新奧法”。此后,全球多個地區(qū)在土木工程中逐漸采用了噴射混凝土技術(shù)。
為了克服干噴法噴射混凝土施工的固有缺陷,20世紀60年代,濕噴法出現(xiàn)在斯堪的納維亞半島的北歐國家。與干噴法相比,濕噴法施工過程中粉塵小、回彈量低,混凝土拌合物的水灰比能準確控制,生產(chǎn)效率高。目前,濕噴法作為一種綠色環(huán)保、高性能、高效率的混凝土噴射方法,在隧道、地下涵洞、邊坡、基坑、結(jié)構(gòu)補強加固、異型薄壁結(jié)構(gòu)及耐火工程中得到了廣泛應(yīng)用。
早期,我國在噴射混凝土領(lǐng)域還處于摸索階段,借鑒國外經(jīng)驗,從簡單的應(yīng)用場景開始嘗試。王子明回憶道:“在建國初期,我國的噴射混凝土僅應(yīng)用于礦山和簡單的地下防護工程中,設(shè)備簡陋,技術(shù)也不成熟,但這是我們起步的重要時刻?!彪S著國家建設(shè)需求的增加,噴射混凝土技術(shù)開始不斷進步。改革開放后,大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)涌現(xiàn),噴射混凝土行業(yè)迎來了快速發(fā)展的契機,開啟了向現(xiàn)代化、專業(yè)化邁進的新征程。王子明說:“有資料統(tǒng)計,我國在噴射混凝土領(lǐng)域的專利數(shù)從1993年—1996年的481件,上升到最近3年的26265件,增長超過50倍,這也間接反映了我國噴射混凝土行業(yè)正處于快速發(fā)展的階段?!?/span>

噴射混凝土隧道施工現(xiàn)場

材料革新:
品質(zhì)提升的核心要素
在談到材料方面時,王子明強調(diào)了其重要性,“材料是噴射混凝土施工和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?!睆膫鹘y(tǒng)的水泥、砂石為主的配合比,到如今高性能材料的廣泛應(yīng)用,噴射混凝土經(jīng)歷了巨大的變革。新型外加劑的研發(fā),如高性能減水劑、無堿液體速凝劑等,極大地改善了噴射混凝土的工作性能,使噴射過程更加順暢,強度發(fā)展更符合工程需求;纖維材料的加入,如鋼纖維、合成纖維,有效增強了噴射混凝土的韌性和抗裂能力。這些材料的革新為噴射混凝土在復(fù)雜工程環(huán)境中的應(yīng)用提供了堅實的保障,使其能更好地適應(yīng)不同工況的挑戰(zhàn)。

在談到速凝劑時,王子明進行了重點介紹。速凝劑是噴射混凝土中重要的化學(xué)外加劑,速凝劑已從堿性粉狀速凝劑向無堿液體速凝劑的方向發(fā)展。速凝劑能使混凝土噴射到工作面上后迅速凝結(jié),顯著縮短混凝土由塑性體變?yōu)楣腆w所需的時間,在幾分鐘內(nèi)就可以使之失去流動性并硬化;此外,速凝劑能減少回彈損失,防止噴射混凝土因為重力引起脫落,提高在潮濕或者含水巖層中使用的適應(yīng)性能?,F(xiàn)在發(fā)展起來的無堿液體速凝劑,不僅能提高噴射混凝土的早期強度,噴射混凝土后期強度基本不降低(要求小于10%),而且能使混凝土硬化后的長期力學(xué)性能和耐久性得到保證。而使用環(huán)保型無堿液體速凝劑,能在噴射過程中降低粉塵濃度,基本實現(xiàn)無粉塵噴射施工,保障現(xiàn)場施工人員身體健康。王子明指出:“無堿液體速凝劑的成功研制和應(yīng)用是噴射混凝土技術(shù)發(fā)展的重要突破,高早強、綠色環(huán)保型高性能無堿液體速凝劑是今后研究的重點方向。

設(shè)備升級:
效率與精度需雙提升
“設(shè)備的發(fā)展對噴射混凝土行業(yè)的推動作用不可小覷?!蓖踝用鹘榻B道。早期的噴射設(shè)備噴射壓力不穩(wěn)定、操作不便,嚴重制約了施工效率和質(zhì)量。目前,噴射混凝土設(shè)備正向自動化、智能化及綠色環(huán)保的方向發(fā)展。設(shè)備自動化可提高生產(chǎn)效率,同時減少人力成本;智能控制系統(tǒng)增強了設(shè)備的精準度和可靠性;而環(huán)保材料的應(yīng)用則符合了可持續(xù)發(fā)展的需求。

世界第一長隧道錨瀘定隧道

針對噴射混凝土設(shè)備目前存在的問題,王子明認為,噴射混凝土施工設(shè)備急需向精細化、功能化、自動化和智能化方向發(fā)展,同時不能忽視工程個性化和特殊環(huán)境施工需求?,F(xiàn)代建筑工程中,施工環(huán)境越來越復(fù)雜多樣,有時需要在狹窄的空間內(nèi)完成,傳統(tǒng)的大型噴射混凝土設(shè)備難以適應(yīng);而小型化專用設(shè)備能夠降低運輸成本,提高施工靈活性,便于在狹窄空間內(nèi)作業(yè)和快速移動。

同時,王子明也指出,目前試驗室用噴射成型設(shè)備的研發(fā)還十分欠缺。噴射混凝土的性能和質(zhì)量對工程質(zhì)量至關(guān)重要,需要依靠精確的試驗設(shè)備和大量的科學(xué)研究工作進行支撐和性能改進與評估。試驗室設(shè)備能夠模擬實際施工環(huán)境,對噴射混凝土的各項性能指標進行測試和分析,需要研發(fā)高精度、高自動化程度的試驗室設(shè)備,準確測量噴射混凝土的各項性能指標,如抗壓強度、粘結(jié)強度等;并模擬不同施工環(huán)境和條件,對噴射混凝土進行全方位的性能測試和分析。

標準制定:
規(guī)范發(fā)展的指南針
噴射混凝土的性能檢測和標準體系建立是保證噴射混凝土質(zhì)量和耐久性的基本需求,噴射混凝土性能檢測和試驗方法主要針對其工作性、力學(xué)性能和耐久性等。王子明介紹,我國正在逐步建立起配套的噴射混凝土標準體系,從原材料標準、性能和勻質(zhì)性要求標準、試驗方法標準、規(guī)程和施工標準,到評價和驗收、指南和技術(shù)報告、術(shù)語標準等,各個環(huán)節(jié)都需要有詳細規(guī)定。這些標準體系的建立確保了噴射混凝土在應(yīng)用過程中的規(guī)范性和一致性,避免了因標準不統(tǒng)一導(dǎo)致的質(zhì)量問題和市場混亂。同時,隨著技術(shù)的發(fā)展,標準也在不斷更新,以適應(yīng)行業(yè)的新變化和新需求。

川藏線海拔4000米聳立的墩柱

王子明簡單介紹了我國正在主導(dǎo)制定的噴射混凝土性能試驗國際標準工作。由我國牽頭的噴射混凝土試驗方法系列標準(ISO 23945-Test methods for sprayed concrete)的制定工作正在進行。目前已經(jīng)完成ISO 23945-1 Test methods for sprayed concrete——Part1:Flash setting accelerating admixtures- Setting time的制定工作,該標準于2022年7月正式發(fā)布。另外2項ISO標準(ISO 23945-2Test Methods for Sprayed Concrete——Part2:Sampling fresh and hardened concrete、ISO 23945-3 Test Methods for Sprayed Concrete——Part3:Measurement of compressive strength)正在制訂過程中。此外,由中國混凝土水泥制品協(xié)會噴射混凝土材料與工程技術(shù)分會牽頭制定的團體標準T/CCPA 51—2024/T/CBMF 274—2024《噴射混凝土用早強劑》和T/CCPA 50—2024/T/CBMF 273—2024《噴射混凝土抗壓強度測定方法 貫入法》也已經(jīng)完成,兩項標準已于今年1月12日實施。

T/CCPA 51—2024/T/CBMF 274—2024《噴射混凝土用早強劑》涉及早強劑與無堿液體速凝劑配合使用時,一方面,降低了無堿液體速凝劑的用量,滿足噴射混凝土的速凝要求,同時顯著提高噴射砂漿或混凝土早齡期強度(3、8、24h)發(fā)展并保證良好的后期強度,有助于保障施工速度和施工期間的隧道安全;另一方面,明顯改善噴射混凝土的可噴性能,降低噴射混凝土的回彈量,提高噴射混凝土一次性噴射厚度和工作效率,解決復(fù)雜或低溫環(huán)境下噴射混凝土的施工難題。T/CCPA 50—2024/T/CBMF 273—2024《噴射混凝土抗壓強度測定方法貫入法》則充分考慮了噴射混凝土的強度硬化過程,制定統(tǒng)一的噴射混凝土早期強度檢測方法,為噴射混凝土早期強度的發(fā)展檢測和施工安全提供保障。

噴射混凝土隧道施工現(xiàn)場
挑戰(zhàn)與機遇:
前行路上的雙重考量
目前,我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)依然處于增長階段,特別是在高速鐵路、城市軌道交通、橋梁、隧道、水利工程等大型工程項目中,噴射混凝土作為重要的施工材料,其需求量將持續(xù)增加。據(jù)統(tǒng)計,截至2019年年底,我國正在建設(shè)的有隧道工程項目的高速鐵路共41條(總長8349km),隧道1331座(累計長度約2560km),其中,長度10km以上的特長隧道46座(累計長度約591km);我國規(guī)劃的有隧道工程項目的高速鐵路共86條(總長19718km),隧道3208座(累計長度約7975km),其中,長度10~20km的特長隧道139座(總長1882km)。同時,隨著城市化進程的加速,城市更新和建筑物維護對噴射混凝土的需求也在不斷提升。王子明指出,噴射混凝土在市場應(yīng)用方面呈現(xiàn)多元化和規(guī)模化的特點。

“噴射混凝土行業(yè)是一個具有廣闊發(fā)展前景和潛力的行業(yè)。未來,行業(yè)也面臨諸多挑戰(zhàn)?!蓖踝用髦赋觯紫?,環(huán)保要求日益嚴格,如何在滿足環(huán)保標準的前提下,進一步優(yōu)化噴射混凝土材料和施工工藝是一大挑戰(zhàn)。其次,以耐久性為重要設(shè)計指標的高性能噴射混凝土是提高噴射混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要材料基礎(chǔ),是噴射混凝土材料與技術(shù)發(fā)展的趨勢。另外,行業(yè)要進一步加強與科研機構(gòu)的合作,高校和科研院所擁有豐富的人才和科研資源,通過產(chǎn)學(xué)研合作,能夠加速新技術(shù)、新材料的研發(fā)和應(yīng)用。此外,人才培養(yǎng)是行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵,培養(yǎng)一批既懂噴射混凝土技術(shù)又具有創(chuàng)新能力的專業(yè)人才,是滿足行業(yè)發(fā)展需求的重要保障,可以通過職業(yè)培訓(xùn)、高校專業(yè)設(shè)置等多種途徑來實現(xiàn)。

王子明說:“盡管面臨諸多挑戰(zhàn),但噴射混凝土行業(yè)一直朝著更加智能化、綠色化的方向發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷革新,行業(yè)必將涌現(xiàn)出更多高效、環(huán)保的施工技術(shù)和產(chǎn)品,為我國城市建設(shè)提供更加堅實的支撐?!?/span>


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