1.概述

喷射混凝土（sprayed concrete or shotcrete）是指借助压缩空气或其他动力输送，将混凝土拌合物或预拌混凝土通过充气管道送入喷射设备，并高速喷射至受喷面后快速凝结硬化所形成的一种混凝土。理论上，喷射混凝土也包括了喷射砂浆（无粗骨料）。

喷射砂浆/混凝土成型施工技术不同于传统浇筑模具成型的混凝土，喷射混凝土成型不需要预先制造和安装模具，可依托于受喷面（包括立面、顶面和地面）直接成型，属于增材制造（AM）技术范畴，也是3D打印成型技术的一种（喷射3D打印技术）。

喷射混凝土技术所具备的简便的工艺、施工高效、独特的效果和造价经济的特点，已经在隧道建设工程中获得了广泛应用。喷射混凝土在隧道支护作业中主要作用包括：(1)通过填充结构表面的裂缝和节理，从而提高结构整体稳定性和强度。(2)能够大面积与围岩牢固接触，从而进行支护。(3)利用接触面的附着力和剪切力，把作用在喷射混凝土上的外力分散在围岩上，防止出现局部掉块，并在隧道壁面附近形成一个承载环，对围岩的应力释放起到控制效果。(4)填平围岩凹面，避免出现应力集中，加强软弱层，把压力传递给钢支撑和锚杆。为了防止围岩被风化，在开挖之后要及时对壁面进行覆盖。除隧道工程之外，喷射混凝土还在水利水电、护坡支护、矿山、地下工程、工程修补等诸多领域得到应用。喷射混凝土成型锚喷支护以及喷射混凝土支护与传统的支护形式相比有着无可比拟的优越性，对被衬物具有支衬、充填、隔绝、转化的作用，一方面节约了钢材和木材，降低了施工成本；另一方面使得施工简单，工作安全，减轻了笨重的体力劳动，有利于一次成型和加快掘进速度，相信今后会获得越来越广泛地应用。

随着现代交通的不断发展，喷射混凝土质量的好坏直接影响着我国众多基础设施工程的建设质量和使用寿命。例如隧道工程是我国铁路运输以及公路运输最为重要的组成部分，这些年随着我国公路铁路工程建设的加快，隧道工程也有了较大发展，在2018年我国隧道工程发展里程已经达到了1735.6万m。隧道施工过程中混凝土喷射技术是开挖初期支护非常关键的部分，其技术水平直接影响着隧道支护质量以及施工的安全。

长期以来，喷射混凝土材料与工程技术没有得到应有的重视，发展水平落后于工程技术发展的需求，特别是传统的模具成型混凝土材料和技术相比，发展明显滞后。近几年，喷射混凝土材料制备的关键材料——喷射混凝土用速凝剂得到了快速发展，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；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。

但喷射混凝土产业整体发展还处在比较粗放阶段，喷射混凝土各种原材料、喷射专用设备、喷射工艺、检测标准和设备、标准规范和质量控制与验收等关键材料和技术还待完善，操作施工人员技能尚待系统培训。另外材料、设备、施工、设计、检测和管理部分沟通协作继续改善。

2.喷射砂浆/混凝土的发展历程

喷射混凝土技术起始于20世纪的美国，发展至今已有100多年。1911年菲尔德自然史博物馆的Carlton Akeley发明了喷射砂浆用的水泥枪（Cement Gun）并获得专利并，成立了Cement Gun公司。1914年美国在矿山和土木工程中使用了喷射水泥砂浆。1953年建成的奥地利卡普隆水力发电站的米尔隧洞最早使用了喷射混凝土支护（干喷射机支护），此种方法就是“新奥法”。此后，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大和日本等相继在土木工程中采用了喷射混凝土技术。湿法喷射工艺在第二次世界大战之后研究成功，到20世纪70年代中期获得商业应用。此后，喷射混凝土技术开始获得了较快发展，在隧道与地下涵洞工程、边坡与基坑工程、结构补强加固工程、异型薄壁结构工程与耐火工程获得了广泛应用。

1960年美国混凝土学会（ACI）就成立了喷射混凝土专业委员（506委员会），1966年首先制订了《喷射混凝土施工规范》ACI506-66，1977年制订了《喷射混凝土材料、配比与施工规程规定》ACI506-77。德国钢筋混凝土协会与1974年制订了《喷射混凝土施工规范DIN18551》，1976年制定了《喷射混凝土维护和加固混凝土结构的规程》。1980年在英国召开的混凝土学术会议中，将喷射混凝土作为会议的三个主要议题之一。1996年，欧洲发布了《欧洲喷射混凝土指南》，该规程对喷射混凝土组成材料、施工工艺、试验方法、质量控制和健康与安全等均提出了明确规定。1999年挪威发布了《岩土支护用喷射混凝土指南》。从20世纪末至今，国内外喷射混凝土技术有许多新进展，其中湿拌喷射混凝土技术和无碱液体速凝剂开发与应用代表着喷射混凝土技术的发展方向。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，喷射混凝土作为结构混凝土使用受到设计和施工部门的重视。

我国冶金、水电部门在20世纪60年代末期开始研究喷射混凝土技术。1965年11月，第三冶金建设公司和冶金部建筑研究院程良奎等合作，成功地开发出了喷射混凝土机械、材料与工艺，并将喷射混凝土技术科研成果成功应用建造了鞍钢弓长岭铁矿的矿山运输巷道。1966年，北京地铁工程使用喷射混凝土修复了因火灾烧坏的钢筋混凝土衬砌。这些都为我国早期喷射混凝土技术的研究与开发奠定了坚实的基础。

1986年我国发布了国家标准《锚杆喷射混凝土支护技术规程》GBJ 86-85，后经修改又发布了《锚杆喷射混凝土支护技术规程》GB 50086-2001和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规程》GB 50086-2015，2016年发布了《喷射混凝土应用技术规程》JGJ 2156-2016；2017年发布了国际标准《喷射混凝土用速凝剂》GB 35159-2017。是我国喷射混凝土技术标准化建设日趋完善，有利推动了我国喷射混凝土材料与工程技术的发展。

3.喷射混凝土施工工艺

喷射混凝土施工技术有干法喷射工艺和湿法喷射工艺，两种工艺各有特点，未来的发展方向是湿法喷射工艺。

3.1干法喷射工艺

干喷混凝土是将水泥、砂子、石子和除水外的其他所有外加材料按合理的配合比搅拌均匀后，利用干喷机，通过空压机提供的风压(一般在0.2MPa～0.4MPa)将混凝土干拌料喷射至受喷面，同时在喷嘴处加入一定量的水。施工工艺如图1所示。干喷法工艺优点可概括为：(1)施工工艺流程简单方便、施工设备机具较少（只需强制搅拌机和干喷机）；(2)输送距离长、施工布置方便灵活，输送距离可达300m，垂直距离可达180m；(3)速凝剂可提前在喷射机前加入，拌和比较均匀。但干喷法也存在其固有的缺陷：(1)施工过程中粉尘量及回弹量均较大、工作环境恶劣、喷料时有脉冲现象且均匀度差；(2)实际水灰比不易准确控制，影响喷射混凝土的质量；(3)生产效率低。此外，干喷喷射混凝土也存在后期强度损失多(30%~50%)及耐久性差的问题。因此我国已要求从2012年1月27日起在井下及隧道的混凝土喷射作业中禁止使用该方法，在其他工程领域喷射混凝土施工也逐渐由干喷法向湿喷法方向发展。

图1 干喷工作过程示意图

3.2湿法喷射混凝土

为了克服干喷法粉尘浓度大、回弹损失多等缺点，国内外研究发展出湿法喷射工艺。20世纪60年代，“湿喷法”出现在斯堪的纳维亚半岛，该地区的喷射混凝土市场也因此发生了巨大变化，喷射混凝土的干喷法市场全部转为湿喷法市场。在同一时期，也发生了喷射混凝土施工机械手操作逐步代替手工操作的重大转变，并朝向掺加硅粉和钢纤维的方向发展，其使用数量呈快速增长趋势。

目前，湿喷法在国外喷射混凝土施工中占的比例较大，具体如表1所示。湿式喷射混凝土工艺在世界各种行业中以独有的优势占据了主导地位，并成为一种发展趋势。尤其是近几年湿式喷射混凝土技术的发展，极大地增加了湿式喷射混凝土在地下工程中的应用范围。

表1 国外湿喷采用比例及其湿喷混凝土年消耗量

图2 湿喷工艺流程图

湿喷法施工工艺如图2所示，其优点表现在：(1)粉尘、回弹量均较低，生产环境状况较好；(2)拌和水能与干料拌和均匀，水灰比能准确的控制；(3)生产率相对干喷法要高。但湿喷法也存在机械设备复杂庞大、维修费用高、输送距离近、施工操作较吃力等缺点，这与工程中的成本经济、施工简便的原则相违背。因此，为了更直观的说明湿喷法与干喷法的工艺特点，现将各指标的性能对比列于表2中。

表2 干喷法与湿喷法技术性能比较

由于采用湿式喷射混凝土作业时设备投资较高，设备操作和维修要求有一定的技术水平，因此湿式喷射混凝土的施工成本高于干式喷射混凝土的施工成本，使湿式喷射混凝土技术在国内的推广受到一定程度的限制。但是，从施工的整体效益上来看，湿式喷射混凝土的总费用比任何形式干式喷射混凝土低。随着我国地下工程对喷射混凝土质量要求的提高，以及人们环保意识的不断提高，干喷法因其固有的缺陷已经不能满足这些要求，湿喷法是未来喷射混凝土技术发展的必然趋势。现在湿式混凝土喷射机已逐渐发展成熟并成为喷射混凝土作业的主要机具，而且在一些工程中要求必须采用湿喷工艺，干喷机或潮喷机正在一步一步退出历史舞台。鉴于喷射混凝土技术本身具有高度综合机械化的特点，未来的技术应该朝着低成本、高效率、设备机动灵活、作业安全的施工工艺方向改进以及对现有的技术进行不断革新。

4.喷射混凝土施工设备

4.1干式混凝土喷射机

对应于不同的喷射施工工艺，有干法混凝土喷射机。干式转子式喷射机于1942年由瑞士ALIVA公司率先研制并应用，此后欧美各国相继研制出各种干式喷射机，按结构形式的不同大致可分为双罐式、螺旋式、转子式三种类型。国外部分厂家的干喷机性能参数见表3。

表3 国外部分干喷机性能参数

我国从20世纪60年代开始展开混凝土喷射机的研制工作，并相继研制出冶建-65型、HLP-701型等各种干式混凝土喷射机，满足了当时喷射混凝土工艺的要求。国内典型干喷机性能参数如表4。

表4 国内典型干喷机性能参数

“七五”期间，我国成功研制了潮喷机进一步促进和推广了喷射混凝土技术在井工巷道的应用，经过多年的技术发展，转子式结构成为潮式混凝土喷射机的主要型式。据统计，目前我国各行业投入使用的转子式混凝土喷射机近10万台。但干（潮）喷施工作业粉尘浓度高、回弹损失大、喷射质量不稳定等问题始终没有解决，鉴于干式混凝土喷射工艺的上述问题，2010年国家安监总局禁止煤矿使用干式混凝土喷射机，明确将干式混凝土喷射机列为淘汰产品。促进了湿喷混凝土喷射机在煤矿的应用。第3批井工煤矿禁用设备明确规定干式混凝土喷射机于2012年1月27日起禁止使用，湿喷技术替代干喷已成为煤矿井下混凝土喷射技术的必然选择。

4.2湿式混凝土喷射机

混凝土湿喷机按照工作原理的不同可分为风送型和泵送型两大类。气送式湿喷机利用压缩空气将物料在软管中以“稀薄流”的形式输送至喷嘴直接喷出。泵送型湿式混凝土喷机将“稠流”混凝土压送至输送管，利用安装在输送管出口喷嘴处接入压缩空气将混凝土喷射出去，泵送方式主要有柱塞泵式、螺杆泵式和挤压泵式三种形式。各国湿式混凝土喷射机类型及参数见表5。国际隧道协会推荐采用泵送柱塞式湿喷机。

表5 各国湿式混凝土喷射机类型及参数

我国自20世纪80年代中期开始研制的湿式混凝土喷射机，主要有以下三种：(1)江西煤研所研发的罐式湿喷机；(2)煤科总院上海分院研发的SHP-1型活塞式湿喷机组；(3)煤科总院南京研究所研发的HPS4ZA型挤压泵式湿喷机组。在20世纪90年代后期，铁科院西南分院又研制出一种转子活塞式湿喷机。近年来，由于喷射混凝土工艺的进一步完善，我国的喷浆装备也渐渐得到了发展。国内典型泵送式湿喷机参数对比如表6所示。

表6 国内典型泵送式湿喷机参数对比

4.2.1风送型湿喷机

风送型湿喷机利用压缩空气将混凝土在输料管中以“稀薄流”的形式输送至喷嘴处掺加速凝剂后喷出，主要有转子式、转子活塞式、螺旋式、罐式、叶轮式等。我国研制出的风送型湿式混凝土喷射机有TK-961型湿式混凝土喷射机、SPZ-6型湿式混凝土喷射机等，这两种喷射机的工作原理详细分析如下。

1.TK-961型湿式混凝土喷射机：该型号的喷射机是由铁道科学研究院西南分院研制的新型喷射机，属于转子活塞式喷射机。已在中国宝成支线、渝长高速公路上应用，并获取到国家专利(ZL9232716.5)。该喷射机主要是利用一组活塞将湿拌料推送至机器顶部的混合室，并将其与空气充分混合后，利用软管将物料输送到喷嘴，在喷嘴处加入加速凝剂，最后喷至工作面。其主要优点为送料连续性较好，且无余气排放，空气中的污染程度也非常小，但是在应用过程中存在着成本高，难保养等缺点。

2.SPZ-6型湿式混凝土喷射机：由北京矿冶研究总院研制，属于气送转子式湿式混凝土喷射机。已于1996年通过了中国有色金属工业总公司的技术鉴定，并获得国家专利(ZL98207689.4)。其工作原理为：由电动机经减速器带动转子旋转，进而输送物料。具有较高的生产效率，且重量较轻，机动性较好。但是在应用过程中生产成本比较高、操作过程中也存在非常高的难度和复杂性以及比较困难的后期维护过程。

4.2.2泵送型湿喷机

由于风送型湿喷机在实际应用中存在最大输送距离短、回风现象严重等缺点，因此难以满足矿山井巷与地下工程建设中混凝土喷射作业的需要。而泵送型湿喷机可以克服风送型湿喷机存在的不足。它采用混凝土泵输送物料，然后在喷嘴处接入压缩空气将混凝土喷射出去，主要有活塞泵式、螺杆泵式、挤压泵式等，但是目前只有活塞泵式应用得比较好。

活塞泵式湿喷机关键技术主要掌握在西方发达国家手中，例如Meyco、Normet、Putzmeister等公司都有成熟的产品。但国内一些机构也进行了活塞泵式湿喷机的理论研究和样机试制，例如郑州瑞申机器制造有限公司的RPB7型湿喷机、安徽佳乐建设机械有限公司的YSP5-15S液压泵送式混凝土湿喷机、河南新乡市豫龙机电设备有限公司的湿喷机等，但都因液压系统可靠性不足、性能无法满足井下混凝土喷射要求，没有获得大规模推广使用。国内目前使用的各种大型的湿式喷射机多是从国外引进的柱塞式混凝土喷射装备，主要有瑞典斯塔比莱托(Stabilator)、瑞士Meyco公司(麦斯特)、瑞士ALIVA公司(阿利瓦)及芬兰Normet公司(诺麦特)等，价格昂贵。

4.3喷射混凝土机械手

近年来，大型喷射混凝土机械手湿喷工艺，已经成为混凝土施工的一种新型方法，并在隧道施工过程中得到了广泛应用。此项技术的应用，不仅大大提高了混凝土施工的工作效率和施工质量，也同时改善了施工作业环境、降低了施工成本。

喷射机械手在20世纪60年代开始在国外使用，目前应用较多的有芬兰的Normet、瑞士的Aliva、Meyco、日本的古河等系列型号。我国亦从70年代开始研制喷射机械手，目前较成熟的有中铁轨道系统集团工程机械公司研制的HPS3016型、山东科技大学研制的RPJ型、以及中联重科旗下的意大利CIFA公司CSS3型。但是喷射混凝土机械手也有其无法忽视的局限性，主要体现在：(1)受工作空间、工序要求及工作量大小的限制，且混凝土喷射机械手在很多方面并不适用，灵活性较差；(2)设备和人工成本费用较高；(3)系统部件繁多，施工技术含量较高。因此在现有机械手基础上，未来喷射混凝土机械手如能加以改进，必然能得到更为广阔的发展空间。

我国近几年在混凝土喷射设备研发上获得了快速发展。以中联重科为代表的国内大型设备制造企业开始喷射机械手设备的开发。中联重科开发的CIFASpritzCSS-3喷射机械手利用可编程控制系统，实现了全自动喷射控制工程遥控远程驾驶，通过远程指挥中心可遥控操作湿喷机驾驶，底盘具有路况信息识别功能，遇到障碍物自动刹车制动。具有快速轮廓扫描功能，激光扫描仪具有216°扫描范围，每秒高达万点扫描速度，扫描时间小于2分钟，扫描结束后隧道轮廓数据自动导入车载电脑。机械手信息化程度高，湿喷机可记录施工过程中的各项参数，自动生成施工日志，并上传到大数据平台，进行远程数据分析。2018年，铁建重工开发出全智能型混凝土喷射机，据称是全球首台具有自感知、自决策与自适应功能的全智能型混凝土喷射机，集行走、泵送、自动扫描、智能喷射于一体的适用于矿山隧道喷护的混凝土喷射装备，旨在取代人工操作实现自动喷射作业。

总体而言，我国现在大多数喷射设备还处于较低只能水平状态。

中交第二公路工程局有限公司隧道工程公司在金斗量隧道实际施工中，使用湿喷设备较传统工艺效果及综合延米成本对比见表7。

表7 工艺效果及综合延米电耗对比

5.喷射混凝土用速凝剂及其他外加剂的发展现状与趋势

混凝土外加剂是一种在混凝土搅拌之前或拌制过程中加入的、用以改善新拌混凝土和（或）硬化混凝土性能的材料。喷射混凝土的配制与施工需要各种化学外加剂，一般包括速凝剂、黏度调节剂和界面黏结剂，其中最重要的是速凝剂。

混凝土速凝剂是一种能使水泥或混凝土快速凝固的化学外加剂，有时也被称作促凝剂。其主要功能是加速喷射混凝土的凝结硬化速度、减少回弹损失、防止喷射混凝土因重力引起脱落、加大一次喷射厚度以及缩短喷射层间的间隔时间等。目前，速凝剂已广泛应用于隧道、城建、水利电力涵洞、引水洞等地下工程的喷射混凝土施工，结构自防水的喷射混凝土支护、防漏、堵漏施工，地面混凝土快速施工、混凝土紧急抢险等工程中。

到20世纪末，混凝土速凝剂经历了由高碱粉剂到低碱粉剂再到高碱液体速凝剂三代的发展过程。而进入新世纪后，低碱甚至于无碱速凝剂开始逐步走向市场。

5.1粉状速凝剂

粉状速凝剂应用于干法喷射工艺，也分为碱性速凝剂和无碱速凝剂。大多数粉状速凝剂都是高碱性速凝剂。国外对喷射混凝土速凝剂的研究要追溯到20世纪30年代，最早投入到工程使用的是由瑞士和奥地利共同研制并顺利应用的西卡(Sika)速凝剂（其主要成分是硅酸钠）。随后，国外又出现了多种其它成分的速凝剂，其中绝大多数是以碱金属碳酸盐、铝酸盐为主要成分，这些速凝剂统称为传统速凝剂。该类速凝剂虽然满足施工过程中速凝的要求，但后期强度损失过大，主要原因是含有大量的碱性物质。

自20世纪60年代我国引进喷射混凝土技术以来，随着对速凝剂的开发研究，我国也研发了不同种类的早期粉状碱性速凝剂，例如红星Ⅰ型（由中国科学院工程力学研究所于1966年研制成功）、711型（由上海市建筑科学研究所和上海市硅酸盐制品厂于1971年研制而成）、阳泉Ⅰ型、73牌速凝剂、782型、J85型速凝剂等。这些速凝剂也具有较高的碱含量，掺量通常为水泥质量的3%~5%。虽然掺入后对后期强度影响较大，但由于其速凝效果好、早强作用明显、掺量和生产成本低，所以当时在国内喷射混凝土施工中应用广泛。

5.2液体速凝剂

液体速凝剂适用于湿法喷射工艺。随着喷射混凝土技术的深入开展以及混凝土后期强度的要求，20世纪70年代中后期，国外开始研究无（低）碱速凝剂。例如美国和欧洲各国开始使用钙盐和铝盐代替碱金属盐进行研究，并生产了无碱速凝剂；而日本则主要致力于低碱速凝剂的研究。直到90年代末，美国及欧洲各国致力于无碱速凝剂的开发研究，如瑞士的MBT公司生产的MEYCOSA系列无碱液态速凝剂，优点有早期强度高、Cl－含量低、施工中粉尘量少等。发展至今，美国、日本和欧洲等发达国家，已经几乎不存在碱性速凝剂。

与此同时，随着喷射混凝土施工技术在我国的广泛应用，液体碱性速凝剂、液体无(低)碱速凝剂、有机无机复合型液体速凝剂在我国开始逐步展开研究和发展。成功研制的NC300、KR-P、WJ-1型、AC型（由长沙研究所研制）、GK型（由石家庄铁道学院和化工厂开发）和SL型（由北京工业大学和北京新港水泥制造有限公司联合研制）等液体速凝剂，大力推进了我国湿喷技术的发展。其中液体速凝剂按碱含量可分为高碱、低碱和无碱液体速凝剂，按主要促凝组分可分为水玻璃型、铝酸钠(钾)型、硫酸铝型和无碱无氯型液体速凝剂。

5.2.1碱性液体速凝剂

水玻璃型是最早的液体速凝剂，其主要成分为硅酸钠（钾）。我国曾研发了两种水玻璃型早强促凝剂NS1、NS2。这两种速凝剂具有以下特点：凝结硬化快（混凝土可在2min内终凝）、早期强度高（1d抗压强度接近普通混凝土的28d强度）、可在低温下施工、干缩变形大、掺量大。铝酸钠（钾）型速凝剂一般以铝酸钠（钾）为主要促凝组分，复配一些改性组分、有机醇胺、增黏组分或甘油等。张建纲等、王锦宇等、黄玉华等均对铝酸钠液体速凝剂进行了不同方面的改性，使其性能得到优化以制备出效果更好的液体速凝剂。

上述两种速凝剂的高碱含量易引发碱骨料反应且对人体皮肤具有强烈腐蚀性，这是限制它应用的最主要因素。而目前国际上比较知名的无碱液体速凝剂均属于硫酸铝系。

5.2.2无(低)碱液体速凝剂

在我国，王子明等以硫酸铝和其他无机盐制备出碱含量为9%左右的S-L低碱液体速凝剂。尚红利研制的无碱速凝剂主要是由硫酸铝、有机胺和悬浮剂组成。该速凝剂粘结性好、回弹量低、抗渗性高、28d抗压强度比能达到90%以上。王庄等研制的无碱速凝剂主要是由氟化镁铝、硫酸铝、有机胺和稳定剂组成。该速凝剂存放期长、掺量低凝结快、回弹率低、早期强度高、后期强度基本不损失、材料相容性好。中铁隧道集团科学研究所曾用硫酸铝、氢氧化铝、三乙醇胺和聚丙烯酰胺配制出一种低回弹无碱液体速凝剂。长沙矿山研究院曾研究过把聚羧酸高效减水剂与硫酸铝、氟化钠等复合搭配研制成低碱速凝剂。上述无碱液体速凝剂虽然不存在高碱含量带来的危害，但却存在稳定性差或含有有毒原料等缺点，所以仍需进行不断改进。

近年来，研究者经过持续努力研制出了一批优质产品。中国水利水电科学研究院研制了一种无碱无氯高早强液体速凝剂：由硫酸铝、碱土金属盐、氢氧化铝、羟基羟酸、有机胺化合物、稳定剂合成。掺该种速凝剂的砂浆凝结时间可调、1d抗压强度可达20MPa以上、28d抗压强度比100%左右、合成工艺简单、反应条件温和。中国建筑材料科学研究总院研制了一种无碱无氯液态混凝土速凝剂，其组成成分有硫酸铝、无机酸、多元醇、有机胺和配位剂。这一类速凝剂稳定性好、掺加入水泥后分散均匀性好、早期强度高、后期强度损失小。但在我国市场上，无（低）碱液体速凝剂产品仍然存在产品种类少，综合性能不良，价格昂贵等问题。

液体无（低）碱速凝剂凭借其早期强度增加快、后期强度减少小、无粉尘、含碱量低、对人的健康损害较小、回弹小、施工操作方便等优点正逐渐取代传统速凝剂，这种速凝剂的成功研制是混凝土外加剂研制的又一重大成果。速凝剂今后将向新型高性能无碱液体速凝剂方向发展，但以铝酸钠型和水玻璃型为代表的高碱液体速凝剂在未来仍将与硫酸铝型无（低）碱液体速凝剂长期共存。由于液态无（低）碱速凝剂在适应性、掺量、稳定性、强度影响、产量价格、施工控制和安全环保等方面仍存在很多问题，所以今后还需进行大量、深入、系统的研究进行改进。速凝剂促凝机制的研究是速凝剂发展的动力，对速凝剂促凝机制的探讨和总结应是长期的工作。

图3 速凝剂凝结时间对回弹率的影响

掺加速凝剂的水泥浆体的凝结时间也不是越短越好。王璞东等研究结果表明，初凝时间太短或者太长都不利于降低混凝土回弹量，速凝剂初凝时间对喷射混凝土回弹率的影响的试验结果，见图3。初凝时间控制3～4min时，喷射混凝土的回弹率相对较低。

6 喷射混凝土性能的检测方法及标准规范

6.1工作性能

喷射混凝土不需要模板、无需振捣，这决定了湿喷混凝土工作性的特殊含义。特别是当使用速凝剂后，新拌喷射混凝土的性能在短时间内迅速变化，因此喷射混凝土的工作性主要指终凝前的喷射混凝土。对于湿喷混凝土的工作性，很多研究者将其划分为可泵性（也称作可压送性）、可喷性两方面进行研究。

6.1.1可泵性

通常认为可泵性（可压送性）包含流动性、稳定性两方面含义。流动性指新拌混凝土在管道中具有流动能力，能顺利通过管道；稳定性指新拌混凝土在压送过程中保持混凝土初始拌和状态时组成材料均匀性的能力。相对来说，混凝土的流动性容易测定，测定的标准方法有坍落度法、韦伯稠度法等。有研究者通过测定混凝土坍落度经时损失、压力泌水率等方式评价混凝土的稳定性。Gordon认为湿喷混凝土坍落度的最佳范围是40mm～80mm，Beaupré用坍落度及压力泌水率双控指标确定了湿喷混凝土可压送区域。

新拌混凝土可泵性评价指标单一是目前存在的问题。我国《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015）中对混凝土的坍落度值只有推荐性指标(80mm~120mm)的要求，反映了混凝土的流动性要求。但是流动性并不能确保新拌混凝土在密闭的管道中是否稳定以及发生分层离析。所以满足可压送性的新拌混凝土一定可以喷射，但并不能确保喷射后稳定地留在喷射面上。因此除了可压送性，新拌混凝土喷射至喷射面后还应当在回弹率低、不滑移、不脱落情况下达到一定的一次喷射厚度，即满足可喷性。

6.1.2可喷性

可喷性并没有精确的定义，只能定性地描述为喷射混凝土的可喷射能力，通常用回弹率和一次喷射厚度加以评价。一次喷射厚度可以定义为：进行分层喷射混凝土时，保证混凝土层在不错裂、不脱落的情况下达到的最大厚度。回弹是喷射混凝土常见现象，通常情况采用平均回弹率表示，即受喷面上溅落的混凝土的总质量与所喷射的混凝土总质量比值的百分率。混凝土能一次喷射到较大厚度且不流浆和脱落即被认为可喷性较好。在我国目前尚没有正式测定喷射混凝土一次喷射厚度和回弹率的方法，但在国外有一些研究者进行了设计研究并做出了一定贡献。

为了使一次喷射厚度量化，Morgan设计了一种测试喷射厚度-脱落的试验方法。Denis Beaupré设计了一种测定垂直于喷射面的一次喷射厚度的试验方案，并得出结论：一次喷射厚度与新拌混凝土的屈服应力线性正相关，当新拌混凝土的屈服应力增大时，一次喷射厚度增大。当喷射混凝土的坍落度控制在140mm～160mm时，喷射混凝土的回弹率最低。由此可见，采用湿法喷射应严格控制混凝土的坍落度以减小混凝土的回弹率，降低原材料浪费。

喷射混凝土回弹率分为水平喷射回弹率和向上喷射回弹率，一般是在工地现场测试。采用直接称重法和元素分析法测试回弹率都是对混凝土直接进行称重，在现场施工的复杂环境下存在较大的偏差。而近十几年来，三维扫描技术作为测试回弹率的新兴技术发展迅速，具有高效率、低成本、易操作等优点。罗意在对隧道喷射混凝土回弹分析中得出结论：三维激光扫描法的精确度更高，且无需直接接触喷射面及混凝土，具有安全高效的特点。

对高强喷射混凝土的研究而言，找到可喷性与可压送性之间的平衡是获得喷射质量较好的混凝土的必要条件，也是研究高强喷射混凝土其它性能与工程应用的基础。新拌喷射混凝土的性能是喷射混凝土的一项关键性能，它关系到喷射手的安全，影响着喷射混凝土的回弹量、一次喷射层厚度，关系到混凝土密实的难易程度，对硬化后混凝土性能有重要影响，对于确保喷射混凝土的质量及降低成本有着重要意义。

喷射混凝土施工中由于回弹量控制难度大等原因存在普遍“超耗”现象，喷射混凝土及其施工费用一直是隧道工程项目成本控制的重点。尤其对长大隧道来说，有时成为隧道工程项目盈利的关键。在建设某条超长隧道时，实测喷射混凝土超耗情况如表8所示。结果显示超耗量大概为设计量的1倍。造成材料超耗的原因有多种原因，其中施工人员技术的影响最为显著。经过施工人员培训和技术优化后，材料超耗降低了50%，如表8。

表8 喷射混凝土在超长隧道内超耗统计

6.1.3凝结时间的测定方法

由于喷射混凝土速凝的特性，无法采用普通塑性混凝土拌合物性能试验方法标准（《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T 50080—2016），或者ASTMC 403/C403M-08 Standard Test Method for Time of Setting of Concrete Mixtures by Penetration Resistance）中规定的凝结时间测定方法，一般采用掺加速凝剂的水泥净浆或者砂浆进行测试（《喷射混凝土用速凝剂》（GB/T 35159—2017），ASTMC 1102 Standard Test Method for Time of Setting of Portland-Cement Pastes Containing Quick-Setting Accelerating Admixtures for Shotcrete by the Use of Gillmore Needles, JSCE-D102-2005-2005 Specification for Set Accelerating Agent for Sprayed Concrete(Mortar)）。

中国铁道科学研究院集团有限公司王军伟等研究发现，依据GB/T 35159—2017检验结果的重复性优于依据JC 477—2005检验的结果，但依据GB/T  35159—2017判定，无碱液体速凝剂检验结果的合格率会降低，有碱液体速凝剂检验结果合格率会升高。杨富民和黄斌等认为，采用GB/T 35159—2017规定的试验条件（水胶比为0.35、快速搅拌时间控制在10s～15s时），检测的无碱速凝剂的凝结时间符合工程实际情况。

水泥与水之间的反应是混凝土产生凝结的主要原因，混凝土的凝结时间与配制该混凝土所用水泥的凝结时间并不一致。标准中规定混凝土初凝时间和终凝时间分别为贯入阻力达到3.5MPa和27.6MPa的时间，但是贯入阻力并不代表当时混凝土的强度。实际上，初凝时混凝土基本没有抗压强度。

图4 贯入阻力随时间的变化曲线图

由图4可以看出，初凝时间和终凝时间只是曲线中的两个时间点，连接这两个点可以有很多曲线，凝结时间并不能完全反应混凝土凝结硬化的全部情况。对于凝结时间和早期强度要求高的喷射混凝土，获得贯入阻力随时间的变化曲线比仅仅测定凝结时间更重要。

6.2微观性能检测

混凝土材料的组成影响其水化硬化过程，从而进一步影响其微观结构，而最终微观结构决定力学性能及耐久性能。目前，国内外对不同组成的水泥净浆及其水化过程展开了较为深入的研究。有很多方法可以研究喷射混凝土的微观性能，包括物相分析（X射线衍射法）、物相组成鉴定（热分析方法）、微观形貌（投射式电子显微镜、扫描电子显微镜）、孔隙学研究（光学法、汞压力法、等温吸附法、小角度X射线散射法）等。例如吕鹏等采用环境扫描电镜对硅酸盐水泥早期水化进行了连续观察并对其各阶段水化过程及机理进行了分析；丁莎通过X射线衍射等方法，探索了喷射混凝土微观性能与龄期之间的关系，并表明了喷射混凝土微观结构的密实度与水胶比有关；王晓丽通过X射线衍射和表面形貌测试与分析，发现石膏在水泥中的形态，以及NaAlO₂在速凝剂中占比的大小决定了混凝土凝结硬化的快慢。

6.3喷射混凝土的力学性能测定

6.3.1抗压强度

喷射混凝土力学性能测试共分为10个龄期，分别为1h、3h、7h、1d、3d、7d、28d、60d、90d及180d(劈裂抗拉强度为后7个)。龄期小于1d试件的抗压强度按照《硬化混凝土贯入阻力试验方法》（ASTMC 803-2010）中的贯入法进行测定；其余龄期试件抗压强度及劈裂抗拉强度按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)中规定进行，其中龄期小于7d力学性能采用钻芯法圆柱体试件测定，大于7d采用立方体试件测定。

从技术本身来讲，检测喷射混凝土抗压强度的方法有气压射钉枪法、切割钻芯法、回弹检测法、超声波检测法、回弹-超声综合法。其中气压射钉枪法和切割钻芯法的劣势在于：(1)所需时间较长；(2)对喷射混凝土结构会造成一定的破坏。而回弹检测法是一种新型的无损检测技术，其原理是通过回弹仪对混凝土表面进行弹击进而检测混凝土的内外强度，优势在于：(1)不会破坏混凝土的结构和性能；(2)检测结果相对较准确。超声光谱法利用反射的剪切和压力波(在0.1MHz~10MHz的范围内)能够检测硬化水泥浆体和混凝土泊松比和剪切模量。试验结果表明，超声波检测和气压射钉枪法检测结果具有很好地吻合性，如图5所示。

图5 不同检测方法结果的相关性

受检测条件、环境以及目标本身的变异性和离散性的影响，目前喷射混凝土的强度检测主要是采用喷大板法和钻芯法。目前，涉及到的隧道工程喷射混凝土抗压强度检验评定的标准主要有：《混凝土强度检验评定标准》（GB/T 50107—2010）、《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（CECS 03：2007）、《钻芯法检测混凝土强度技术规程》（JGJ/T 384—2016）和《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015），其中前3个均为推荐性规范。黄国富等人经过研究得出：综合试件养护环境和尺寸要求，提出对于湿喷混凝土强度质量的检验应当采用实体强度值进行评定，并在前人研究的思路上总结出隧道工程结构实体钻芯取样法喷射混凝土合格性评定方法。

6.3.2粘结强度

粘结强度是喷射混凝土最重要的性能指标之一。新修订的国家标准《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》(GB 50086—2015)删除了预留试件拉拔法和喷大板切割劈裂法，提出了喷射混凝土与围岩粘结强度的两种试验方法：(1)对钻芯隔离的混凝土试件进行拉拔试验；(2)对钻取的芯样进行拉力试验。但新修订的《水电水利工程锚喷支护施工规范》(DL/T 5181—2017)仍保留了预留试件拉拔法、钻芯拉拔法和喷大板切割劈裂法这3种方法作为粘结强度试验方法。因此目前我国对粘结强度的试验方法尚不统一。

诸多学者开展了相关试验研究工作：马兴明等采用钻芯安装膨胀螺栓拉拔法和喷大板切割劈裂法开展了三峡右岸地下电站喷射钢纤维混凝土与围岩粘结强度测试，并建议采用劈裂抗拉强度替代粘结强度。杨红艳对热害隧道喷射混凝土开展了喷大板劈裂试验和喷大板钻芯植筋拉拔试验的对比研究，结果表明劈裂法测定的粘结强度普遍大于钻芯拉拔法测定强度，两者相差15%～25%。罗荣等人研究表明：钻芯隔离试件拉拔试验测试强度值可作为粘结强度下限值，喷大板切割岩块试件进行室内拉力试验的结果可作为粘结强度上限值。建议采用直径100mm钻芯隔离试件现场拉拔和喷大板切割试件拉力试验相结合的方法，分别测试上、下限值综合评价粘结强度。

采用喷大板切割试件开展室内劈裂试验是目前国内开展喷射混凝土与围岩粘结强度试验的最主要方法。其优点是操作相对简单、试件制作方便、试验条件容易控制、喷射混凝土与岩块受扰动影响较小、轴拉试验结果主要反映喷射混凝土与岩石的粘结强度。由于现场预留试件拉拔法和现场钻芯拉拔法获得满足试验条件的芯样较为困难、测试效率较低，因此相关应用开展较少。

6.3.3弯曲韧性

混凝土作为一种多组分、多层次的非均质材料，具有高承载力、良好的变形性能与弯拉韧性的优点，因而广泛地应用于井下运输巷道、隧道衬砌、岩面斜坡、板壳结构、桥梁等工程的维修加固中，对其弯曲韧性的测定极其重要

关于喷射混凝土弯曲韧性的测定，国内大多采用梁式试件弯折试验法。众所周知，梁式试件与实际喷射混凝土受载作用机理有很大差别，因此不能直接用于测试喷射混凝土的弯曲韧性。我国CECS 13:2009标准中6.12节弯曲韧性试验（圆板法）与ASTM(American Society of Testing Materials)C1550－03圆板弯曲试验都使用的是直径为800mm、厚75mm、板底三点对称简支的圆板试件，采用计算板底中心挠度达到40mm时试验板所消耗功的指标进行评价喷射混凝土的工作性能。该试验方法简便合理而且试验结果的归一性很好，是目前最合适、可靠的喷射混凝土弯曲韧性评价方式。采用圆板法检测喷射混凝土弯曲韧性已经被广泛应用并取得了丰富的实践经验。

6.4喷射混凝土的耐久性能检测

6.4.1喷射混凝土抗渗性

抗渗性差是喷射混凝土的突出问题，也是衬砌结构普遍渗漏水的主要原因之一。近年来，各国研究人员对喷射混凝土的耐久性进行了初步研究。抗渗性的测试方法也越来越多，如渗水高度法、电通量法、氯离子渗透试验、透气性试验、吸水性测试试验等。

国外倾向于用渗水高度及相对渗透系数来评价混凝土的抗渗性。我国也积累了这方面的经验，并在一些行业标准中采用了类似方法，如《水工混凝土试验规程》（SL 352—2006）、《公路工程水泥及混凝土试验规程》（JTGE 30—2005）、《水运工程混凝土试验规程》（JTS/T 236—2019）等行业标准均列入了渗水高度法或相对渗透系数法。我国的《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T 50082—2009）在参考欧洲以及我国交通、电力、水工等行业标准的基础上，制定了(平均)渗水高度方法。该方法通过在混凝土试件上持续24h施加1.2MPa的水压力，然后测量试件的渗水高度用以反映混凝土的抗水渗透性能。该方法的优点是试验时间较短、试验结果比较准确、可操作性较强。

应用电学或电化学方法快速评价混凝土渗透性是混凝土渗透性评价方法中一个重要的研究领域。目前，混凝土中CI^-渗透性快速检测方法包括快速氯离子渗透系数法（RCM法）和电通量法（GB/T 50082—2009，ASTMC1202）。

快速氯离子渗透系数法（RCM法）快速测定的试验原理和方法最早由唐路平等人在瑞典高校CTH提出，称CTH法(NTBuild 492-1999.11)。目前该方法已被瑞士SIA 262/1-2003标准和德国BAW标准草案(2004.05)采纳。我国GB/T  50082—2009中以NTBuild 492中的"Chloride Migration Coefficient from Nonsteady-state Migration Experiments"（非稳态迁移试验得到的氯离子迁移系数法）方法为蓝本，经适当的文字修改而成，基本上为等同采用。

ASTMC1202（简称电通量法）是美国材料实验室协会制定的关于混凝土抵抗氯离子渗透能力的标准试验方法，也是目前国际上应用最为广泛的混凝土抗氯离子渗透性的试验方法之一。该方法通过测定一定时间内通过混凝土的电量从而快速评价混凝土渗透性的高低。

6.4.2喷射混凝土抗冻性

喷射混凝土在使用中分为两种情况：一种是暴露在使用环境中的，比如边坡加固、基坑以及国外一些不做二次衬砌的隧道等，在这些工程建设中就要考虑喷射混凝土抗冻性的要求；另一种是不暴露在使用环境中的，比如在隧道工程中喷射混凝土是一种作为部分初期支护的新型支护结构，应用广泛。在季节性冻土地区，气温的正负交替现象非常频繁，有些地区的岩土冻融循环次数甚至每年就要达到上百次。因此，直接暴露在自然环境中（或者一定深度范围内的）的喷射混凝土都会受到寒冷气温的影响，从而引起喷射混凝土材料的损伤和破坏，对其结构的耐久性产生影响。因此，在寒冷地区的喷射混凝土必须考虑抗冻耐久性要求。

国际材料试验协会(RILEM)制定的抗冻性试验方法近年来一直处于变化之中，具体的过程为：(1)1977年国际材料试验学会颁布了RILEMTC4-CDC，包括盐冻法、快冻法和极限充水程度法，此时快冻法是RILEM推荐的方法之一；(2)1995年国际材料试验学会颁布了RILEMTC117-FDC，包括CDF(CD)法、Slab（平板）法和立方体法。其中CDF法全名为毛细吸盐冻融试验方法，CD法就是用水代替盐溶液进行试验；(3)2002年国际材料试验学会颁布了RILEMTC176-IDC2002，包括CIF法和Slab（平板）法，其中CIF法是由CDF法转化而来的，其余并未做太多改动。

我国规范中也有针对混凝土抗冻性的规定，但早期规范中并未区分环境等级，且在考虑钢筋锈蚀和腐蚀的时候也是如此。而近年来国内已有专家学者认识到这些问题，例如水工行业在《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GB/T 50662-2011）中已有相关规定：各类水工结构和构件的混凝土等级应根据气候分区、冻融循环次数、表面局部小气候条件、水份饱和程度、结构构件重要性和检修条件等按规范选定。在不利因素较多时，可选用提高一级的抗冻级别。

目前我国针对普通混凝土抗冻性试验主要依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082—2009)中的快冻法、慢冻法和单面冻融法（或称盐冻法）进行。(1)快冻法采用质量损失率和相对动弹性模量作为混凝土抗冻性的评价指标，混凝土的抗冻等级以质量损失率不超过5%并且相对动弹性模量不小于60%时的最大冻融循环次数确定；(2)慢冻法采用质量损失率和抗压强度损失率作为混凝土抗冻性的评价指标，混凝土的抗冻标号以质量损失率不超过5%并且抗压强度损失率不超过25%时的最大冻融循环次数确定；(3)单面冻融法以单位面积剥落物总质量或超声波相对动弹性模量指标来表示混凝土的抗冻性能。

7.喷射混凝土的应用领域及创新发展

喷射混凝土不仅可以用于新建结构施工，也可以用于建筑结构的修复与维护。与普通混凝土相比，喷射混凝土技术具有快凝结、高早强、节约材料与劳动力、工效高、费用低、效果好等特点。自1970年在法兰克福和慕尼黑的市政隧道施工中作为衬砌混凝土使用以来，喷射混凝土被广泛应用于地下工程、岩土工程、修复加固工程、薄壁结构工程、耐火工程、防护工程等土木建筑工程领域（尤其是水利工程、隧道工程施工）。

7.1交通隧道工程

由于喷射混凝土技术的自身优势，被广泛应用在公路隧道施工中。喷射混凝土是一种新型支护结构，根据工程建设要求，动态的控制喷射混凝土厚度并与其他的钢筋网和钢拱架配合支护，从而构建成一种复合式支护结构。在高速公路隧道工程中应用喷射混凝土具有以下优势：(1)能够有效保障其强度和粘结力，并具有很好的防渗性能；(2)喷射混凝土能够有效填充岩块间的凹穴和裂隙，使围岩整体性增强并避免出现松动和风化状况；(3)喷射混凝土的物理性能较之模筑混凝土而言均有所提升（如混凝土抗压强度、抗疲劳强度和抗渗性能等），可以更好的提升工程施工质量。

现阶段高速公路隧道施工中混凝土喷射施工技术包含潮喷和湿喷，且均有广泛应用，属于最为流行的施工技术。潮式喷射混凝土施工工艺采用的喷射枪具有价格低廉、工作性能可靠、结构简单、维修和操作方便等优点。但混凝土在潮喷时也存在以下缺点：(1)工人劳动强度大、效率低、混合料配比不够精确；(2)施工时现场粉尘浓度大，环境恶劣；(3)混凝土喷射时有较大回弹量；(4)易损件消耗大、寿命较短，材料浪费严重。

与潮喷法相比，湿喷施工技术喷射厚度可达到10cm，不会出现较大的回弹力，能有效控制混凝土质量，不会产生粉尘以及对环境的破坏。凭借这些优势能够使混凝土平喷射黏结性和支护能力有显著提升，充分发挥出围岩本身的承受能力，为支护强度和质量的提高提供重要支撑。但是湿喷工艺也存在以下缺点：(1)对设备要求较高，必须由专业人员负责设备的使用与维护；(2)喷射故障处理困难、机械设备清理不便等。综合两种工艺的特点及优、缺点对比，大多数公路隧道施工中普遍采用湿法工艺进行混凝土喷射作业。

喷射混凝土技术的发展在隧道工程支护技术发展中占有很重要的地位，目前锚喷支护技术的发展趋势主要集中在全面推行湿喷技术、钢纤维喷射混凝土和聚丙烯纤维喷射混凝土的推广和应用、隧道喷射混凝土单层衬砌将成为隧道永久性衬砌3个方面。我们应不断改进创新喷射混凝土的施工工艺和施工材料，并重视无损检测技术的运用，使检测结果更为科学、精确，以全面提高公路隧道工程的施工质量，从而促进我国公路隧道工程的快速发展。

7.2水利建设工程

喷射混凝土在应用条件方面，不仅可以在水利水电工程的特殊混凝土结构中发挥作用，在灌注隧道内衬、墙壁、天棚、薄壁结构等建筑空间中也有较为广泛的应用条件，是一种高效、早强、经济的轻型支护结构。因为喷射混凝土与直接进行灌注施工具有非常大的差异，很可能产生喷射混凝土变形、喷涂不均等不良现象，所以其施工技术对施工人员的专业素质及施工经验要求较高。喷射混凝土施工技术的正确实施是保障水利工程顺利完成的重要手段之一，从而促进我国水利工程事业的建设和发展，为生态环境的保护和水资源的调剂起到至关重要的作用。

当前，我国正处于大型水利工程集中建设时期，喷射混凝土是地下洞室和厂房建设中重要的混凝土类型之一。为提高喷射混凝土的性能以满足工程设计要求，关键部位的喷射混凝土中会加入一定量的纤维(钢纤维或聚丙烯粗纤维)。

在混凝土中加入一定量的纤维能延缓混凝土内部微裂缝的扩展，阻止宏观裂缝的发生和发展，能有效提高混凝土的力学性能、耐久性能和变形性能，特别是对提高混凝土抗拉强度和韧性效果尤为明显，因此纤维增强混凝土近年来得到了广泛的研究和应用。在加入钢纤维后，喷射混凝土的抗压强度、抗折强度、抗弯强度及耐冲击性能均有较大幅度的提高，尤其适用于松软、破碎的地层支护。而对防渗要求不高、围岩渗透性较低的水工隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩，采用钢纤维喷射混凝土作为永久衬砌支护型式，也具有安全性较高、施工方便、施工速度快、适应性广和造价低等优点。这种隧洞衬砌型式在我国中小型水电站水工隧洞中得到了广泛应用，并积累了丰富的设计和施工经验。

7.3煤矿建设系统

目前湿喷混凝土在我国隧道、水电站等领域都得到了广泛应用，但是在煤矿方面仍属于初始阶段。随着我国煤矿开采强度和开采规模的不断增加，对喷射混凝土的性能要求越来越高，对喷层支护理论的研究也越来越迫切。随着新奥法理论的提出和发展以及在大量工程中的应用表明，用喷射混凝土支护满足对巷道围岩初期柔性支护和后期刚性支护的要求，在工程中得到广泛应用。

20世纪60年代开始，我国煤矿系统开始推广干喷法。“六五”期间，我国成功研制潮式混凝土喷射机，开始推广潮喷技术。“八五”期间，我国煤矿行业锚喷支护在巩固、提高、调整的基础上有了突破性的进展，全国煤矿锚喷支护的巷道每年保持在1200km左右，并且形成一套行之有效的锚喷支护技术和与锚喷支护密切相关的的喷射混凝土技术。20世纪80年代初，湿喷法在我国发展起来。湿法喷射混凝土技术相对干法喷射混凝土技术，有工作效率高、作业环境好、支护性能好、施工机械化程度高、混凝土强度高、经济效益和社会效益显著等诸多优势。不仅可以作为临时支护和永久支护，还可以用于处理工程事故，适用范围广。但是湿法喷射混凝土在煤矿中应用也存在以下缺点：(1)施工工艺比较复杂，机械设备出现故障难处理；(2)对于含水量高的软弱岩层和渗水巷道，使用湿法喷射难以稳固；(3)湿法喷射混凝土使用的设备体积都很大，在巷道内由于空间限制，与其他设备占用空间的矛盾也难以协调。所以湿喷法在矿井巷道中难以进行大量推广和应用，因此目前干喷与潮喷仍是煤矿中喷射作业的主要施工方法。

但最近几年来，随着湿喷机的小型化和双活塞泵送技术的提高，目前一些煤矿已经开始使用湿喷法支护技术。尽管湿喷技术在我国工程应用中尚处于理论研究与探索阶段，但由于其独特的优越性，相信在不久的将来势必会取代干喷技术成为一种应用较广泛的支护形式。

因此，在充分借鉴近年来国内外湿法喷射混凝土技术成果的基础上，研发新型湿喷设备、革新现有的施工工艺以及湿喷混凝土工艺的不断发展将对地下矿山的安全稳定、采煤的安全生产、职工的身体健康以及提高采煤效率均具有重要的意义。随着逐渐改进施工工艺、研发使用功能更加完善的新型喷射机，喷射混凝土作为一种新型材料、新型支护结构和施工技术将会具有更加广泛的发展前景。

7.4复杂结构游泳池和水利建设施工

混凝土喷射工艺是常用于造型复杂的休闲泳池和其他水利设施方法，如图6所示。泳池建造时可以将混凝土浇筑和喷射方法结合使用，泳池底部可以用混凝土浇筑成型，而泳池墙壁可以用喷射混凝土成型流线型结构。位于香港的上海银行就是采用喷射混凝土在72000m²面积上喷射成型了1000m³的混凝土。

图6 Pierepoint橡皮艇障碍赛道

此外，水渠护坡、大坝、港口、防波提、烟囱衬层、拱形结构、穹顶以及储存罐等异形结构都可以采用混凝土喷射施工。SaudiArabia利雅得建造的新动物园建筑群(New Zoological Gardens)是典型的采用湿喷混凝土工艺施工的建筑物，湿喷混凝土用量达到12500m³(图7)。

图7 沙特阿拉伯利亚德动物园建筑群

7.5泡沫喷射混凝土及其创新应用

韩国Kyong-KuYun教授发明了一种创新性制备高性能喷射混凝土的方法——泡沫喷射混凝土。其制备方法相对简单，即在预拌混凝土输送车到达施工现场后，先加入一定量的发泡材料（如图8），在罐车内搅拌均匀后，再加入硅灰搅拌均匀即可。加入发泡材料前，新拌混凝土的含气量为3.5%，加入发泡材料后含气量增加到27%，喷射成型后混凝土含气量又变成4.5%，喷射成型过程破坏了大气泡式含气量下降。泡沫喷射混凝土应用于隧道口建设获得了良好的仿石装饰效果（如图9）。也可以通过雕刻获得纹理，酸染色而创造出一种外观像岩石一样的表面。在岩石护坡施工时，可以获得更加生动的装饰效果（如图10）。

图8：(a)多孔材料；(b)喷涂多孔喷涂混凝土

图9泡沫喷射混凝土用于装饰隧道建筑（左）图10泡沫喷射混凝土用于加固岩石边坡（右）

德国的ErichErhard发明了一种用喷射混凝土进行表面设计和纹理装饰的新方法。具体做法是在新喷射混凝土表面上放置聚苯乙烯格栅模板，然后再喷射一层装饰混凝土层，在装饰混凝土层初凝后，取下格栅模板，表面纹理类似于天然石头墙，如图11所示。

图11 用喷射混凝土进行表面设计和纹理装饰

7.6维修加固工程

喷射混凝土的施工方式可以用于加固桥梁，消除出现病害问题，全面提升桥梁结构的承载能力。随着喷射混凝土技术应用范围的扩大，喷射混凝土技术在加固危房领域也显示出诸多优点，如粘结强度高、凝结速度快、时间短等，用于因地震、冲刷、火灾等造成的建筑结构问题，以及优于施工不准确而造成混凝土与钢筋结构损伤有着很好地修复效果，显示出良好的应用前景。

7.7废弃矿山修复与护坡

美国的Stoneyhurst矿山修复工程是典型的喷射混凝土高效和可持续发展利用的示范工程。在修复工程中约有6000m²的土钉挡土墙采用了喷射混凝土处理，原有23米高矿山墙壁也用喷射混凝土进行了加固处理。如图12所示。

图12 喷射混凝土用于矿山修复

修复工程历经三年完成，检测喷射混凝土强度在34MPa~40MPa范围内（龄期13d~28d）。工程完工后效果很好，喷射混凝土强度稳定，彩色喷射混凝土仿石墙有局部泛白现象。该修复工程获得2013年美国喷射混凝土协会“杰出建筑工程奖”。

7.8高温窑炉的耐火材料成型

尽管目前使用模具浇筑成型仍然是工业界常用的耐火材料成型方法，但耐火材料的喷射成型工艺已经获得了广泛认可，并呈现快速发展的趋势。与传统方法相比，耐火喷射混凝土施工具有施工快速、缩短停窑时间和提高设备周转率等显著优点。随着低水泥浇注料(LCC)和超低水泥浇注料(ULCC)在耐火喷射混凝土中的应用，美国的综合钢铁厂都在考虑采用耐火喷射混凝土技术进行耐火材料的施工。

8.喷射混凝土在我国基础设施建设工程中应用情况

据统计，我国在建铁路隧道2950座（总长6419km）；规划建设铁路隧道6395座（总长16326km）。我国正在建设的有隧道工程项目的高速铁路共41条（总长8349km），共有隧道1331座（累计长度约2560km），其中长度10km以上的特长隧道46座（累计长度约591km）；我国规划的有隧道工程项目的高速铁路共86条（总长19718km），共有隧道3208座（累计长度约7975km），其中长度为10km~20km的特长隧道139座（总长1882km）。由于公路、铁路、水利项目喷射混凝土计算用量与各工程隧道段面面积、设计喷射混凝土厚度、围岩等级等许多条件相关联，因此难以准确计算。一般的可以按照隧道每延米用喷射混凝土20m³来估计，预计铁路隧道建设还需喷射混凝土4.55亿m³。假设喷射混凝土胶凝材料用量为450kg/m³，掺加无碱速凝剂按掺量为6%计算，则铁路隧道工程所需无碱速凝剂约1228.5万吨。

根据混凝土外加剂协会统计，2017年我国喷射混凝土用速凝剂用量突破120万吨，其中液体速凝剂占比已接近80%，粉状速凝剂占比萎缩到20%。2015年统计结果中，粉状速凝剂占比达到40%，可以看出液体速凝剂取代传统粉状速凝剂是大势所趋。

9.喷射混凝土材料与工程技术发展趋势

喷射混凝土是对应于浇筑成型混凝土的另一大类混凝土，其最重要的特征是通过喷射工艺成型，因而对其新拌混凝土的各项性能要求也有显著不同的要求。喷射成型的工艺特点使硬化混凝土的力学性能和耐久性也不同于普通模具浇筑成型混凝土。可以说，从混凝土性能要求、施工设备、应用领域，乃至检验检测方法和标准规范都自成体系。

利用谷歌学术专利查询，通过关键词（shotcrete和sprayed concrete）筛查国际上喷射混凝土方面的专利随年份的发展情况，属于喷射混凝土相关设备、施工或者材料的专利占比及数量达到57550件。国际范围内，从1993年至今的喷射混凝土领域专利数呈现逐年增加的趋势，如图13所示。

图13 1993-2020期间喷射混凝土领域专利数量统计

同期，中国在喷射混凝土领域专利申请数量呈现出快速发展趋势，如图14所示。我国在喷射混凝土领域的专利数从1993-1996年的481件，上升到最近三年的26265件，增加了超过50倍。间接反映了喷射混凝土行业还处于快速发展阶段。

图14 1993-2020中国喷射混凝土领域专利数量统计

总体而言，国内外对喷射混凝土施工、设备、力学性能、耐久性和检验检测方法的研究远不如浇筑成型混凝土系统和深入，而喷射混凝土在建筑工程中又大量应用于隧道、地下工程和煤矿等。随着既有结构维护加固、新建结构复杂形状对喷射混凝土出现的新的需求，需要加强对喷射混凝土全方位系统研究工作，特别是硬化混凝土的耐久性、标准规范体系、关键材料和设备、工程设计等。基于喷射混凝土材料与工程技术发展现状，喷射混凝土领域未来重要发展方向和趋势主要在如下几个方面：

（1）喷射工艺方面—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。

（2）速凝剂是喷射混凝土中重要的化学外加剂，速凝剂也正在由碱性粉状速凝剂，向无碱液体速凝剂的方向发展。除速凝剂外，减水剂、引气剂、粘度调节剂、发泡剂等也是重要的喷射混凝土用化学外加剂。这些不同类型化学外加剂的性能及相容性也是影响喷射混凝土质量的重要因素，急需开展系统性研究。

（3）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。

（4）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。其中喷射混凝土可喷性目前尚没有正式测定具体指标的方法；粘结强度的试验方法尚不统一；我国尚无喷射混凝土的早龄期强度(2h,6h,12h)的测定方法和规定。

（5）喷射混凝土应用技术和应用领域的创新发展。喷射混凝土不仅仅用于隧道等工程，在许多领域都有很好的应用前景。随着喷射混凝土用无碱液体速凝剂的技术的成熟，喷射混凝土的力学性能和耐久性明显改善，可以作为结构混凝土应用。

（6）喷射混凝土专用设备的自动化和智能化水平提升。

（7）喷射混凝土成型工艺本质上是一种“3D喷墨打印成型工艺”。随着材料、设备、性能和计算机辅助技术的发展，在我国经济建设中必将显示出更加广泛的应用前景。

（8）继续开展喷射手和承包商的专用技能和资质培训。