湿喷混凝土射流黏附过程研究进展

                                                                                 引言

喷射混凝土施工机动、灵活，能够适应各种异形断面，在水利、交通、能源等诸多领域广泛应用，解决了很多工程实际问题。喷射混凝土不仅是一种特殊的建筑材料，也是一种特殊的施工工艺。施工过程不采用常规浇筑或振捣工艺，主要依靠高压风完成混凝土的“浇筑”，通过自身携带的能量实现冲击密实。整个过程发生于受喷面，形成于射流与受喷面的相互作用，为射流黏附过程。伴随的结果是，一部分混凝土黏附在受喷面上，另一部分混凝土反弹回落，这种宏观性质被称为可喷性，一般通过回弹率、一次喷射厚度和密实性这三个技术指标进行定量表征。

混凝土射流黏附与反弹发生于受喷面，形成于射流黏附过程。工程界普遍关注可喷性试验结果，应用技术超前于理论研究，积累了较多的实践经验，总结了众多实用技术，主要集中在原材料、配合比、湿喷工艺参数等影响因素。但对黏附过程的构成、定量描述方法、黏附材料分布、黏附机制等方面的认识存在深层次的基础理论缺失，喷射混凝土技术水平和质量水平进入了瓶颈期。

理论—技术—应用是喷射混凝土技术创新的关键链条。以理论为基础指导工程实践是该项技术发展历程的必然选择。然而，当技术应用超前于理论研究时，就需要将所有技术积累回溯到理论层次，更好地将理论与技术相融合，从而重新出发，进行源头创新。射流黏附过程主要涉及射流如何向受喷面黏附以及受喷面黏附状态有何变化，发生变化的受喷面状态又如何反过来影响射流的黏附行为。为探明喷射混凝土射流黏附过程，本文回顾了受喷面状态经时演变以及混凝土射流黏附行为所受影响的研究进展，分析了射流黏附过程的数值模拟分析现状，以期为射流黏附过程的理论研究起到抛砖引玉的效果。

1 受喷面状态及其经时演变特征的研究进展

1.1 受喷面湿喷混凝土的黏附机制

喷射混凝土射流能够牢固黏附在受喷面表面是该项技术施工质量的根本保证。喷射混凝土施工结束，通常“悬挂”于临空面，根据混凝土是否黏附稳定，通常有两种失效机制：黏附力失效脱落机制和内聚力失效脱落机制。黏附力失效主要是初始受喷面状态下的混凝土黏附力学特性影响，内聚力失效是混凝土喷层与喷层之间的黏附力学特性影响。初始受喷面状态下黏附混凝土脱落破坏相当于混凝土与受喷面之间的黏附力抵抗不了自身重力和界面剪力，即为黏结强度。如，顾瑞南等测试了2种喷射混凝土与围岩粘结强度、与老混凝土粘结强度，指出混凝土基面的粘结强度高于岩石基面。陈东在喷射混凝土中掺入纳米外加剂，明显提高了与围岩粘结强度。张硕等通过试验也发现了纳米外加剂提高与围岩粘结强度的积极作用。

与初始受喷面状态下黏附混凝土的脱落失效机制不同，混凝土喷层与喷层之间的断裂破坏为内聚力失效，相当于喷射混凝土本体的抗拉强度不足以抵抗自身重力和界面剪力。如，田文元等通过掺加粗合成纤维将湿喷混凝土的28d劈裂抗拉强度提高了24%；程伟峰等掺入硅灰、钢纤维并同时降低水胶比，将湿喷混凝土的劈裂抗拉强度提高了87%；宁逢伟等测试了7.5%、10%和12.5%三种纳米级掺合料掺量下湿喷混凝土的轴心抗拉强度，得到了强度随掺量增加而提高的变化趋势。可见，无论是混凝土和初始受喷面之间，还是混凝土喷层与喷层之间，黏附力学方面都有较深厚的技术基础。不过，上述黏附力学研究主要以硬化混凝土为研究对象，少见流态或软固态喷射混凝土阶段的相关报道。此外，回溯到射流黏附过程，黏附与否将混凝土作为整体来看，是一种结果评价，没有区分黏附过程颗粒黏附，毕竟喷射混凝土黏附过程，各原材料黏附性能差异较大，如粗骨料和纤维的回弹率远高于其它组分。将混凝土射流细分为两相、三相甚至多相组成，更能体现混凝土射流的黏附实质。

1.2 受喷面状态演变研究进展

流态或软固态混凝土射流的黏附力学性能既与混凝土配合比和湿喷工艺参数有关，也与受喷面状态密不可分。根据上文所述，受喷面状态包括初始受喷面状态以及喷层改变的受喷面状态。基面处理是改善初始受喷面状态的重要举措，去除松动颗粒，洗掉表面浮尘以及设定必要的粗糙度，均可提高老混凝土或围岩的粘结力，保障工程黏附质。对此，喷射混凝土与常规浇筑混凝土比较相似。Malmgren等曾比较了22MPa高压水凿毛工艺与常规手工凿毛工艺对喷射混凝土与围岩粘结强度的影响，发现前者明显高于后者。高压水凿毛一方面增加了基面粗糙度，另一方面提高了基体表面的清洁程度，改善了流态或软固态喷射混凝土与基体界面的紧密结合状态，提高了黏附力。

但是，射流黏附过程基面始终都在变化，不仅决定于初始受喷面状态，还会随黏附混凝土厚度变化而变化。当固定厚度黏附混凝土不同黏附层逐渐凝结硬化，黏附层品质也体现出时变性特征，因喷射时间不同、内外黏附层温度不同，黏附层力学性质表现出差异性分布。不仅如此，受喷面黏附混凝土并非均匀分布，整个空间平面黏附层的纵横向材料品质及分布均不相同，并且经时变化增加了射流黏附过程的复杂性，不同黏附状态受喷面反过来又会如何与混凝土射流相互作用，均是需要回答的问题。

2 混凝土射流与受喷面交互作用的研究进展

混凝土射流的不均匀分布及其紊动扩散特征很难保持材料组成的稳定性。Ginouse等测试了湿喷混凝土射流断面的材料组成，发现均匀性低于喷射前的；空间分布方面，射流轴线附近骨料含量最高，沿径向方向逐次减少，边缘部位浆体最多；并且喷射距离越长，空间分布差异越大。由于混凝土的射流运动与黏附行为连续进行，材料组成的空间分布规律很大程度上会映射给黏附混凝土，根据Ginouse等的测试结果，黏附混凝土材料组成的空间分布规律与混凝土射流基本一致，足见射流形态对材料组成分布的决定性影响。因此，受喷面状态主要先受射流状态影响，射流质量分布关系到黏附混凝土质量分布，相当于影响了喷射混凝土的浇筑过程。
关于混凝土射流与受喷面的相互作用，二者以激烈碰撞开始，以部分混凝土附着、部分混凝土反弹或脱落而结束。按照以往研究与工程实践，在回弹物料组成中，骨料所占比例明显高于浆体，因而骨料的回弹机理也比较受关注。Armelin等以干喷混凝土单粒径骨料作为研究对象，基于动量守恒定律和能量守恒定律推导了骨料冲击动能和回弹动能的计算公式，并根据回弹动能与冲击动能比值的平方根提出了回弹系数的概念和表达式，作为骨料是否发生回弹的判据；引入了新拌混凝土的极限弹性应变、静态贯入阻力和动态贯入阻力作为受喷面混凝土喷层性能的评价指标，将混凝土喷层对骨料反弹性能的影响进行了量化表征，考虑了配合比差异引起的浆体流变性能变化。此外，Armelin等还考察了骨料粒径、喷射风压、喷射距离等对骨料射流速度的影响，推导了射流速度关于骨料直径的理论表达式。Bindiganavile等在Armelin等的基础上，进一步引入了骨料密度的影响，修正了骨料回弹系数表达式。Ginouse等也通过试验分析了骨料粒径、骨料密度、喷射风压对骨料射流速度的影响，并基于牛顿第二定律推导了射流速度及速度场空间分布的数值分析表达式。与上述干喷混凝土骨料回弹研究的侧重角度不同，李鹏程等基于湿喷混凝土一方面对比了喷层厚度（0、15mm、30mm）对单粒径骨料反弹速度和黏附率的影响，发现喷层厚度越大，骨料反弹速度越小，黏附率越高；另一方面，还对比了表面是否包裹浆体对骨料黏附率的影响，得到了表面包裹浆体骨料黏附率明显高于表面洁净骨料的结论。表面包裹浆体是湿喷混凝土骨料射流与干喷混凝土骨料射流的重要区别，包裹浆体的厚度、性能很大程度上取决于骨料密度、骨料粒径、浆体流变特性、浆骨比、喷射距离、喷射风压等。喷层厚度差异下受喷面状态变化对骨料嵌入程度的影响研究成果相对较多，但对于受喷面不同黏附层力学性能不同，射流冲击过程刚度变化报道较少，特别是受喷面非均匀分布的喷层厚度及材料刚度影响则更加复杂，需要进一步深入研究。

相比于湿喷混凝土骨料，浆体相的射流黏附性能常常被忽视。骨料在受喷面黏附离不开浆体相的联结作用。没有浆体的骨料冲击受喷面，结果只能是黏附或反弹，不会在受喷面流动。而浆体不同，空气射流在受喷面转为壁面射流是浆体冲击受喷面的主要行为方式。当浆体与骨料联结，能够带动骨料壁面流动，将冲击动能更多转化为内能，从而降低骨料回弹率。浆体壁面射流填充作用，不仅联结骨料，也能够填充骨料与骨料之间的空隙，改善密实度。浆体是一种接近理想流体的物质，其沿着受喷面的变化情况本质上是一个流变学问题，这是射流黏附过程的重要组成部分，值得深入研究。

3 射流黏附过程模拟研究现状及初步构想

3.1 数值模拟研究进展

日本学者Puri等曾构建离散元模型对湿喷混凝土的射流黏附过程进行模拟，采用弹簧单元表征了浆体对骨料的联结功能，以及速凝剂对黏附性能的改善作用，实现了混凝土自搅拌到受喷面黏附与脱落的全过程模拟，具有一定的先进性和新颖性，能够将喷射混凝土问题系统化展示出来。但是，该模型推导理论基础是将喷射混凝土材料当作整体，与通常以内聚力失效或黏附力失效作为一次喷射厚度计算依据的实施方式大体相同。该模型推导建立主要基于均匀性假设，射流过程混凝土均匀黏附，骨料与浆体均匀分布，这与射流质量的离散分布特征不符，与实际工况有一定差异。

根据颗粒尺度差异，数值模拟很难将所有颗粒射流特性均体现出来，如浆体射流如何黏附，受哪些因素影响，怎样“束缚”骨料和填充孔隙，等等，均难以阐明。尤其在速凝剂的催化作用下，经时急剧演变的浆体流变特性应如何与骨料射流协同作用，也是数值模拟缺少的理论指导，应进一步研究研究其潜在射流黏附机制。

 

3.2 仿真模型初步构想

首先，将新拌混凝土近似看成分散骨料（固相）和连续浆体（液相）组成的二相流；分别赋予浆体与骨料流体性质，将运动学理论与流变学理论进行交叉融合。

其次，以受喷面黏附状态主要模拟目标，包括黏附颗粒质量、体积、位移等分布情况，将骨料射流与浆体射流作为主要的输入对象，先模拟单相材料的受喷面黏附，实现过程模拟。再进行两相射流黏附模拟，不断调试二者相互作用，使其逐渐向工程实况靠拢。

再次，浆体与骨料黏附受喷面之前，将二者都看成离散颗粒射流；黏附受喷面之后，浆体为连续相，能够形成壁面射流，骨料一直都是分散相，冲击受喷面瞬间进行回弹与否判断，不回弹的骨料颗粒随着浆体进行壁面射流，径向移动速度与浆体一致。

 

最后，受喷面黏附状态以射流轴线为中心，逐渐扩大模拟范围，以径向壁面射流速度峰值部位为分界线，将内侧与外侧两部分黏附混凝土分开模拟。

4 结语

（1）当前射流黏附与否以混凝土整体作为讨论对象，是一种结果评价，没有区分黏附过程粗骨料、纤维、浆体等的颗粒黏附差异，应将射流分为两相、三相甚至多相组成，更能体现混凝土射流的黏附实质。

（2）初始受喷面状态的凿毛、高压水处理，以及黏附混凝土厚度变化对射流黏附行为的影响均有报道，但受喷面固定厚度混凝土黏附层凝结硬化状态差异等引起的刚度不均匀分布考虑较少，尚缺少有效的评价手段和定量描述方法。

（3）受喷面与混凝土射流交互作用中，骨料射流研究成果相对较多，但少见浆体射流的影响，尤其浆体射流如何与骨料射流相互作用，仍待研究。

（4）射流黏附过程数值模拟研究较少，仍以黏附混凝土整体或混凝土射流整体作为模拟对象，与射流不均匀分布、不均匀黏附实况不符，仍应加强离散元颗粒模拟研究。

    本文选自《商品混凝土》杂志2023年第11期