地下工程用预拌干混料的开发与应用(创造单位：北京金隅砂浆有限公司）
创造单位：北京金隅砂浆有限公司
主要创造人：章银祥 蔡鲁宏 田胜力 马晓虎 李保佳 梁旭 张艳明 许大伟 宋素亚 王宏智
北京金隅砂浆有限公司（以下简称“金隅砂浆”）源于1982年，是北京市建筑材料科学研究总院在预拌砂浆专业领域30多年的科技成果孵化的高新技术企业，是北京金隅集团股份有限公司全资子公司。
多年来，金隅砂浆一直致力于推动中国预拌砂浆行业的发展，已成为中国预拌砂浆行业技术依托单位和预拌砂浆行业龙头企业。拥有强大的科技创新能力，依托北京市预拌砂浆工程技术研究中心自主开发了集料精细化分级技术、微量组分精确计量控制系统，实现了柔性化、自动化、清洁化生产，形成了从原料到产品、应用、评价的质量保障体系，主持构建了中国预拌砂浆行业的产品体系、生产与应用体系、技术标准体系。近百名工程师及技术专家投身于9大类砂浆产品的研发，在超低能耗建筑外保温系统、市政基础设施建设、饰面砖安全粘结、室内装饰以及文旅、修补、防腐等专业领域取得了长足进步。
金隅砂浆目前拥有6个生产基地，覆盖京津冀，辐射全国，年产能240万t。产品品种、生产规模、产销量位居全国行业前列，已连续十余年位居京津冀地区行业第一。已累计为10000余项目提供优质砂浆产品及专业化施工服务，项目遍布环渤海、京津冀区域。金隅砂浆秉承“想干事、会干事、干成事、不出事、好共事”的金隅干事文化和“激情 创新 自信 执着”的企业精神，以科技创新为支撑，坚持绿色发展、高质量发展理念，致力于服务首都功能定位和京津冀协同发展，努力为社会和客户创造最大价值，为新型建材、绿色环保建材的可持续发展贡献力量。
一、地下工程用预拌干混料的开发与应用背景
在我国建设工程中，喷射混凝土使用非常广泛，地铁隧道初衬支护、各种结构加固、市政管线暗挖及明挖施工作业、建筑基坑边坡支护等工程中都会消耗大量喷射混凝土。这些工程大都要求喷射混凝土具有速凝、早强等性能，使得一般商品混凝土难以满足要求。当前，工程上大多在现场建立混凝土搅拌站，在现场配制混凝土，然后进行“干喷”，粉尘飞扬、回弹大，既浪费资源、人工，又污染环境，还影响施工进度。同时现场搅拌站原料的质量、配合比等都难以严格控制，造成工程隐患。
近年来，北京市政府连续出台了《北京市大气污染防治条例》、北京市人民政府令第247号、京建法2014〔15〕号文《北京市住房和城乡建设委员会在全市建设工程中使用散装预拌砂浆工作的通知》等文件， 其中均规定：在房屋建设工程“禁止现场搅拌、发展预拌砂浆和预拌混凝土”“由政府投资的建设工程禁止现场搅拌混凝土、砂浆”等。
为了解决上述问题，北京金隅砂浆有限公司率先研发了预拌喷射混凝土。预拌喷射混凝土是由专业工厂生产，采用经分级处理的干燥集料、胶凝材料、填料、外加剂等，按照规定配比加工制成的一种干态混合物。以散装或袋装型式运至工地后，先与水按一定比例混合、搅拌成干硬性浆料，再借助喷射机械与配套管道，利用压缩空气或其他动力，高速喷射到作业面上，快速凝结成硬化体。
预拌喷射混凝土的施工与喷射混凝土有着相似的地方，在一些大面积的衬砌支护结构工程中，对被衬物具有支衬、充镇、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，有利于一次成巷和加快掘进速度。
因此，性能优良的预拌喷射混凝土对提高支护工程强度、保护施工人员身体健康和减少浪费具有重要意义。
二、地下工程用预拌干混料的开发与应用的内涵
金隅砂浆依托自身的优势，在为绿水蓝天贡献力量的同时，研究出了适宜于地铁、隧道、基坑支护、房屋加固等工程用的预拌喷射混凝土，其综合回弹率小于10%。预拌喷射混凝土由工厂预制，利用特殊的施工工艺（预加水搅拌、输送、二次加水喷射），几无粉尘，基本避免了现场混凝土搅拌而产生的粉尘污染， 符合现行的相关国家政策，可提高绿色文明施工水平。利用现有的干混砂浆生产线、运输车和移动筒仓， 研发出含有粒径大于4.75mm 粗骨料的预拌喷射混凝土的生产、运输和储存技术。研究出适宜于大深度（高差超过30m）地下隧道使用的预拌喷射混凝土的施工技术，研究、设计、制造出配套的非标螺旋输送机，研究、设计、制造出防离析防扬尘喷射混凝土下料装置，并均予以实际应用。完成了北京市地方标准《预拌喷射混凝土应用技术规程》、预拌喷射混凝土产品企业标准的编制工作。
三、地下工程用预拌干混料的开发与应用的主要做法
（一）预拌喷射混凝土的配方研究
预拌喷射混凝土不同于普通预拌砂浆，需通过调整或优化胶凝材料、骨料、外加剂种类与掺量等方面， 使得该产品在可泵送性、喷抹性、抗垂挂性、保水性、速凝早强等方面符合喷射施工要求。借助于干混砂浆的相关技术，通过合理控制胶凝材料的种类和用量，集料粒级、形状、级配，添加剂的种类、掺量与复合效应等因素，可开发出速凝早强、质量高、泵送性能好、喷涂性佳、回弹量小、便于施工的预拌喷射混凝土产品，为推广预拌喷射混凝土提供强有力的支持。
（1）胶凝材料直接影响产品的力学性能和施工性。预拌喷射混凝土的胶凝材料含量如果太少，产品中粉料含量过低，加水搅拌后可能会堵泵，同时料浆还会泌水，喷射施工后附着在墙面上的粘结力较小，抗垂挂性差，将导致喷射施工时有大量回弹料。通过实验研究胶凝材料的总用量，研究粉煤灰及矿粉掺量对预拌喷射混凝土性能的影响（表1、表2）。
表1 不同胶凝材料掺量的喷射干料配比
|
组别 |
PO/（kg） |
KY/（kg） |
KF/（kg） |
FAⅡ/（kg） |
机制砂/（kg） |
MC/（g） |
SN/（g） |
JS/（g） |
|
1 |
180 |
20 |
40 |
0 |
754 |
0.2 |
7.2 |
1.5 |
|
2 |
153 |
17 |
0 |
50 |
774 |
0.2 |
6 |
2.1 |
|
3 |
126 |
14 |
0 |
60 |
794 |
0.2 |
5 |
1.8 |
表2 实验结果
|
组别 |
加水量9（%） |
稠度（mm） |
凝结时间（min） |
强度（MPa） |
||
|
1d |
7d |
28d |
||||
|
1 |
13.3 |
36 |
30 |
9.8 |
20.8 |
30.3 |
|
2 |
13 |
40 |
39 |
8.1 |
16.8 |
25.0 |
|
3 |
12.5 |
39 |
48 |
4.9 |
14.7 |
20.9 |
水泥用量对喷射干料的强度影响明显，随着水泥用量的提高，预拌喷射混凝土强度增大。
（2）确定集料的合理级配，不仅要保证产品的各项物理性能满足要求，且应保证产品在生产、运输、储存等过程中不会出现离析现象。
（3）合理调配速凝剂等外加剂的用量，以保证产品的凝结时间、早期强度等满足客户需求或施工需要。
（4）研究适用于不同外界环境的预拌喷射混凝土配方，如适用于低温施工或冬季施工的配方。
（5）在满足物理力学性能、施工性能等的同时，降低产品的成本。
（6）综合利用粉煤灰、矿渣粉等工业排放物，在合理降低产品成本的同时，实现工业废弃物的资源化利用。
（7）在实验研究及施工应用的基础上，探讨在某些特定环境下单独使用预拌喷射混凝土替代钢格栅的可能性。
（二）预拌喷射混凝土的生产工艺的研究
生产工艺是影响产品质量稳定、有效防止离析等现象产生的关键之一。
（1）将确定的预拌喷射混凝土配合比在生产企业进行批量生产，在批量生产过程中根据产品特性优化生产工艺。
（2）提出原材料和产成品在生产过程中的控制指标。
（3）研究预拌喷射混凝土在生产、运输、储存等过程中的均匀度，提出预拌喷射混凝土的抗离析措施。
（4）研究不同细度模数骨料对最终产品性能的影响，研究利用现有干混砂浆生产线，生产出含有粒径大于4.75mm粗骨料的预拌喷射混凝土的生产技术，并予以应用。
（三）预拌喷射混凝土应用技术研究
（1）研究预拌喷射混凝土不同施工工艺，针对不同施工要求（初衬、护坡、加固等），制定适宜的机械化施工方案。
图1和图2分别为明挖法以及矿山法喷射干料施工工艺流程。
图1 明挖法喷射干料施工流程图
图2 矿山法喷射干料施工流程图
（2）研究利用原有散装干混砂浆运输车，运送含有粒径大于4.75mm 粗骨料的预拌喷射混凝土，并将其气吹入散装干混砂浆移动筒仓的技术，且予以应用。
（3）研究适合于含有粒径大于4.75mm粗骨料的预拌喷射混凝土的、超规范的散装移动筒仓及其连续混浆机的构造，并予以应用。
（4）研究适宜于大深度（高差超过20m）地下隧道使用的预拌喷射混凝土的施工技术，研究、设计、制造出配套的非标螺旋输送机，研究、设计、制造出防离析防扬尘喷射混凝土下料装置，并均予以实际应用。
（5）对于预拌喷射混凝土的使用性能进行了研究。
①检测在浆料使用过程中采用喷大板法制作试块的抗压强度，并确定其与常规试块法所测抗压强度的关系。
②采用回弹法无损测试喷射施工成型墙体的抗压强度，并最终确定其与常规试块法所测抗压强度的关系。
（6）对预拌喷射混凝土的回弹损失进行了测算，并通过调整配比降低回弹率，使其综合回弹率小于10%（表3、表4、图3、图4）。
表3 暗挖法不同施工标段施工量与混凝土用量数据统计
|
施工标段 |
施工量（m3） |
喷射干料用量（t） |
土方折t系数 |
回弹量（%） |
|
19号线08标（1） |
56.47 |
123.89 |
2.19 |
6.37 |
|
8号线三期09标（2） |
1332.51 |
3118.09 |
2.34 |
12.22 |
|
8号线三期07标（3） |
186.17 |
415.17 |
2.23 |
7.89 |
|
8号线三期12标（4） |
462.15 |
1072.19 |
2.32 |
11.46 |
|
8号线三期01标（5） |
468.43 |
1086.77 |
2.32 |
11.46 |
图3 暗挖法不同标段回弹率（%）
对比图表4 明挖法回弹量统计表
|
回弹料质量（kg） |
干料用量（kg） |
回弹量（%） |
|
|
竖壁 |
71 |
1000 |
6.40 |
|
93 |
1500 |
5.59 |
|
|
96 |
1800 |
4.80 |
|
|
斜坡 |
47 |
1200 |
3.53 |
|
44 |
1400 |
2.83 |
|
|
105 |
2200 |
4.30 |
图4 明挖法回弹量（%）对比图
在明挖基坑中使用预拌喷射混凝土干料时，回弹率极低，可有效降低物料损耗。由于在暗挖法的计算过程中，未考虑超挖因素，因此其计算回弹率较高；但现场实际观察发现：边墙处的回弹率约为5%、拱顶处的回弹率小于10%，所以，实际综合回弹率小于10%；远远小于采用现拌混凝土的25%～40%。
（四）完成了预拌喷射混凝土地方标准和企业标准的编制工作
在目前的标准体系中，北京市地标《建筑基坑支护技术规程》DB 11/489―2007和行业标准《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120―2012中均涉及现场搅拌喷射混凝土的相关条款，但它们对喷射混凝土性能均仅提出了回弹损失等简单技术要求，对产品的凝结时间、尺寸变化率、不同龄期的强度未做具体规定。采用预拌喷射混凝土干料进行施工作业时，在产品生产和质量控制上与现场搅拌混凝土有着区别，应用技术也有着明显不同。
为了充分而及时地反映预拌喷射混凝土干料相对于现拌混凝土的优势，规范预拌喷射混凝土干料的施工、验收等环节，有必要编制相关的产品标准、应用技术规程等。
（1）完成了北京金隅砂浆有限公司《预拌喷射混凝土干料》产品企业标准的编制工作，并已发布实施。
（2）完成了北京市轨道交通建设管理有限公司《预拌喷射混凝土干料应用技术规程》的编制工作，已通过建委审批，并已发布、实施。
（3）主持编写了北京市地方标准《预拌喷射混凝土应用技术规程》，已发布实施，标准号为DB11/T 1609―2018。
四、地下工程用预拌干混料的开发与应用效果
（一）经济效益
为了解预拌喷射混凝土的经济实用性，在原材料成本相同的条件下将其与现场搅拌喷射混凝土进行了施工成本对比。
1.现场搅拌喷射混凝土成本
（1）原材料成本（表5）
表5 现场搅拌喷射混凝土原材料单价及用量
|
P•O 42.5水泥 |
石子 |
砂子 |
速凝剂 |
合计 |
|
|
材料单价（元/t） |
500 |
80 |
70 |
1600 |
—— |
|
材料用量（kg/m3） |
440 |
870 |
830 |
22 |
2162 |
|
材料成本（元/m3） |
220 |
69.6 |
58.1 |
35.2 |
382.9 |
（2）设备费用
临时搅拌站、骨料硬化地面+封闭式堆棚等，总造价约30万元，区间段锚喷混凝土总量以4万m3计，设备费平摊为7.5元/m3。
（3）临时搅拌站运行时人员工资
临时搅拌站运行时每班至少需要2名操作工人，每班生产锚喷混凝土约60m3，工人工资以200元/d 计，人工费用约6.7元/m3。
（4）现场锚喷混凝土总成本
现场搅拌混凝土施工损失以30%计，综合成本=（382.9+7.5+6.7）×（1+30%）=516.23 元/m3。
2.使用预拌喷射混凝土的成本核算
专业生产厂制备的预拌喷射混凝土，售价以320元/t计；材料损耗约5%；每1m3混凝土约折合2t预拌喷射混凝土；材料发票均为17%增值税专用发票，总包单位营改增税制改革以来，可以抵扣17%的税点。
总包单位使用干拌喷射混凝土综合造价计算如下：
320元/t×2t/m3×（1+5%）×（1-17%）=557.76元/m3
3.综合成本计算
使用预拌喷射混凝土，材料成本增量约为41.53元/m3，相当于8%。但使用预拌喷射混凝土后，可大大降低回弹量，减少工地粉尘排放量，提高质量稳定性与可控性，改善工人作业环境，促进了工地安全文明施工工作，因而深得工地喜爱。
（二）社会效益
（1）回弹小。经过改造的水平领先的机制集料生产线，可有效地控制预拌喷射混凝土所用集料的粒型、级配，使所生产干料的级配合理、稳定；干料中又可添加多种添加剂；多种因素的复合使得喷射施工时的回弹率从之前的约35%降到10%以下。既节省了材料，又利于环保，还加快了工期。
（2）占地面积小。施工现场的预拌喷射混凝土干料储存在散装罐内，占地面积小，且对环境适应能力强，无需特殊储存，即使降水天气也无需苫盖。
（3）施工方便。预拌喷射混凝土干料只需用散装罐自带的连续混浆机与水混合成干硬性浆料即可进行喷射施工，施工方便、快捷，可随用随拌、想停即停。既节省了场地，又节约了大量人工。
（4）预拌喷射混凝土干料在工厂精确计量、高效混合而成，现场加水搅拌即可使用，产品性能稳定，可提高施工工程质量。
（5）预拌喷射混凝土干料由工厂预制，现场只需用自带的连续混浆机加水混合即可，几无粉尘，基本避免了现场混凝土搅拌而产生的粉尘污染，符合现行的相关国家政策，可提高绿色文明施工水平。
责编：王 珂
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