噴射混凝土試驗(yàn)方法述評

摘要： 噴射混凝土是土木工程常用的加固增強(qiáng)措施之一。試驗(yàn)測試方法是評價噴射混凝土工作性能和質(zhì)量控制的手段，本文對比研究國內(nèi)外的試驗(yàn)方法和測試指標(biāo)，評述開展測試方法標(biāo)準(zhǔn)研究的重要性.本文認(rèn)為，單純的強(qiáng)度指標(biāo)測試不能準(zhǔn)確描述噴射混凝土及其結(jié)構(gòu)的工作行為，還應(yīng)當(dāng)考察其變形性能，國外相關(guān)機(jī)構(gòu)最近發(fā)布的測試方法也表明，材料變形性能指標(biāo)的測試已經(jīng)成為重要指標(biāo)。本文在簡要評述后重點(diǎn)討論了板式彎折試驗(yàn)，以推動試驗(yàn)測試標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：噴射混凝土； 抗壓強(qiáng)度；混凝土試件

 

WANG She ng2hu i， YUAN Yo ng

(College of Civil Engineering， TongjiUniversity， Shanghai 200092， China)

 

Abstract: Shotcrete is a common reinforcingmeasure in civil engineering。Testingmethods of shotcrete are very important for its performance app raisement and quality control。Different testingmethods and testing indexes are compared and analyzed in detail in this paper， the urgency of research on standard testingmethod of shotcrete is also pointed out。The performance of shotcrete is difficult to be app raised merely through strength testing， therefore， its deforming performance should also be taken into account， which is also confirmed by the newly testing methods of shotcrete issued by foreign concerned organizations。After brief introduction， the panel bending test is discussed particularly to p romote the development of testing standards and technologies.

Key words: shotcrete； comp ressive strength； concrete test block

 

     噴射混凝土的歷史可以追溯到20世紀(jì)90年代，美國史密森學(xué)會的Carl Akeley申請了一種把砂漿噴射在網(wǎng)格骨架模型上以便附著動物外皮的專利， 1910年美國的Allentown Cement Gun 公司購買了CarlAkeley的專利，開創(chuàng)了噴射混凝土的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的歷史。早期的噴射混凝土主要以砂漿為主，僅僅用作防止土石風(fēng)化的一種封閉措施。經(jīng)過整整一個世紀(jì)的發(fā)展，如今噴射混凝土因施工迅捷方便、成本優(yōu)勢明顯、結(jié)構(gòu)性能具有顯著的優(yōu)越性等，已成為公認(rèn)的加固方法之一，廣泛應(yīng)用于隧道、地下硐室、邊坡等的支護(hù)，以及建筑結(jié)構(gòu)的加固、抗裂防滲工程等輔助結(jié)構(gòu)措施^{[ 1～5 ]} 。

 

     值得注意的是，噴射混凝土工作性能的評價仍然局限于傳統(tǒng)的材料強(qiáng)度觀念。文獻(xiàn)檢索表明，當(dāng)前評價噴射混凝土工作性能的試驗(yàn)測試方法大致可分為：①抗壓強(qiáng)度測試方法； ②梁試件彎折測試方法； ③板試件彎曲測試方法。本文比較全面地評價各測試方法的差異，以作為進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)。分析表明，國外的測試方法已經(jīng)超越單純的材料強(qiáng)度和材料性質(zhì)測試，而以具備構(gòu)件特征的試件性能作為測試標(biāo)準(zhǔn)，測試指標(biāo)和測試方法的變化反映了素噴射混凝土向噴射混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

 

     用于評價噴射混凝土工作性能的強(qiáng)度型試驗(yàn)方法，主要包括各種尺寸規(guī)格試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、噴射混凝土與受噴面的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)、類似于針入度試驗(yàn)的抗刺入強(qiáng)度試驗(yàn)等^{[ 4～9 ]} .另外，包括國內(nèi)工程界常用的“噴大板試驗(yàn)”，也就是《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》( GB 50086 -2001) ^{[ 9 ]}推薦的試驗(yàn)方法其實(shí)也是一種強(qiáng)度型試驗(yàn)方法。但是，這些試驗(yàn)方法不能合理地反映噴射混凝土實(shí)際工作性能，尤其是不能反映如鋼筋網(wǎng)等增強(qiáng)/增韌材料的作用。

 

     梁試件彎折試驗(yàn)(BEAM BEND TESTS)通常用來測定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評價混凝土的彎曲性能。該試驗(yàn)方法能一定程度上反映噴射混凝土的工作性能，包括抗裂、抗折及其延性和塑性的性能，是一種比較常用的混凝土材料性能試驗(yàn)方法，國內(nèi)外也用作噴射混凝土性能測試的參考方法。該方法相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范有美國ASTM (American Society of  Testing Materials) C1018韌度指數(shù)法，日本JC I(Japan Concrete Institute) SFRC委員會的JSCE - SF4彎曲韌度系數(shù)法以及EFNARC ( European Federation of Producers and App licators of Specialist Products for Structures) 的“European Specification for Sp rayed Concrete”的抗彎強(qiáng)度方法。這三種規(guī)范試驗(yàn)方法基本相同，只是整理結(jié)果的方法不同，ASTM C1018 得出的彎曲韌性是一個相對值， JSCE - SF4得到的是絕對彎曲韌性值， EFNARC的“European Specification for Sp rayed Concrete”得到的是初裂抗彎強(qiáng)度和殘余抗彎強(qiáng)度。

     ASTM C1018 方法利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度δ的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度， 即3 倍(3δ) 、5。5倍( 5。5δ) 、15。5倍( 15。5δ) ， 如圖1所示。韌度指數(shù)用I5、I10、I30等表示，即:

　　　　　　I5 =(A1 +A2)/A1                   (1)

　　　　　　I10 =(A1 +A2 +A3)/A1             (2)

　　　　　　I30 =(A1 +A2 +A3 +A4)/A1        (3)

 

     該方法的優(yōu)點(diǎn)在于 ①參數(shù)指標(biāo)有明確的物理意義， 能比較確切地反映噴射混凝土的工作性能； ②韌度指數(shù)類似于工程常用的延性比，便于在工程中應(yīng)用； ③不受試件形狀、尺寸的影響； ④因制定撓度為初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)，故初裂點(diǎn)偏移、撓度點(diǎn)位置、支座變形對I5、I10、I30等影響不大。

 

     但是，該試驗(yàn)方法采用的梁試件與實(shí)際噴射混凝土受載作用機(jī)理存在較大的差別，其試驗(yàn)結(jié)果只能表明噴射混凝土材料所具備的某些性能，不便于直接用于設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工。另外，由于試件尺寸和試件形式的限制，梁試件彎折試驗(yàn)在用于評價鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)/增韌噴射混凝土工作性能時存在先天的不足，鋼筋網(wǎng)在梁試件中如何考慮是一個突出問題，至今國內(nèi)鮮有鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)/增韌噴射混凝土工作性能研究的報(bào)道.

 

     板彎曲試驗(yàn)( SLAB BEND TESTS)是直接制作板試件來研究噴射混凝土的工作性能，因板試件比較符合噴射混凝土的實(shí)際工作形式，能更客觀、全面、確切地反映噴射混凝土的實(shí)際工作性能，便于直接設(shè)計(jì)和施工，盡管起步較晚，已取得了很多有價值得研究成果，該試驗(yàn)方式得應(yīng)用也正不斷擴(kuò)大和逐步規(guī)范化。

 

3.1 初期的板彎曲試驗(yàn)

     初期研究噴射混凝土的板彎曲試驗(yàn)直接參照噴射混凝土實(shí)際工作方式的模型試驗(yàn)，其實(shí)是構(gòu)件性能試驗(yàn)。一般是制作比實(shí)際的錨桿間距(通常為1 m)稍大(如1.6 m)的方形噴射混凝土板試件，在板的中央1 m²的方格上用4個螺栓將試驗(yàn)板固定好，在試驗(yàn)板的上表面中央1 m²的方格上按要求分級施加均布荷載(堆載或水袋的方式) ，在板底測量試驗(yàn)板中心點(diǎn)的撓度，以測取板的荷載- 位移曲線為基礎(chǔ)來評價噴射混凝土的工作性能^{[ 10 ]} 。由于試驗(yàn)板過于龐大，施加均布荷載等都造成試驗(yàn)的難度較大，另外由于僅靠4個螺栓來固定試驗(yàn)板，造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，這種試驗(yàn)方式逐步的被后期發(fā)展起來的試驗(yàn)方式所取代，包括均布荷載或集中荷載作用下的方形板(簡支和固支)試驗(yàn)、均布荷載或集中荷載作用下的圓板(簡支和固支)試驗(yàn)，這些后期發(fā)展起來的試驗(yàn)方式經(jīng)過不斷的驗(yàn)證比較，一些較好的試驗(yàn)方式被列為噴射混凝土規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)^{[ 1， 4 ].}

 

3.2 EFNARC方板彎曲試驗(yàn)

     EFNARC的“European Specification for Sp rayed Concrete”方板彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用邊長為600 mm ×600 mm，厚100 mm，在邊長為500 mm ×500 mm的方形面積四周支撐的方板試件。在板的中心100 mm ×100 mm的面積上按要求加載，量測板底中心點(diǎn)的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對荷載- 撓度曲線積分計(jì)算板底中心撓度達(dá)到25 mm (相當(dāng)于板的表面裂縫寬度達(dá)到5～10mm的情況)時試驗(yàn)板所消耗的功(焦耳) ，以此為指標(biāo)評價噴射混凝土的工作性能，該試驗(yàn)的過程如圖2所示。

     該試驗(yàn)?zāi)鼙容^合理地反映噴射混凝土的實(shí)際工作機(jī)理，而且比梁彎曲試驗(yàn)簡便(盡管試件要重一些) ，試驗(yàn)結(jié)果的歸一性也比梁彎曲試驗(yàn)好。但由于很難做到板試件四邊支撐條件的完全一致，試驗(yàn)結(jié)果依然存在較大的離散性.

 

3.3 ASTM C1550 - 03圓板彎曲試驗(yàn)

     澳大利亞的Bernard最先提出三點(diǎn)對稱支撐圓板彎曲試驗(yàn)方法， ASTM已將其改進(jìn)為“Standard Test Method for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete (Using Centrally Loaded Round Panel) ”(ASTM C1550 - 03) [ 1， 12， 13 ] ，該試驗(yàn)方式有成為國際公認(rèn)的噴射混凝土板試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢。

 

     ASTM C1550 - 03的標(biāo)準(zhǔn)圓板彎曲試驗(yàn)如圖3所示。試驗(yàn)使用的是直徑為800mm，厚75mm，板底三點(diǎn)(三個支撐點(diǎn)在一個750mm的圓周上)對稱簡支的圓板試件。在板的中心按要求施加集中荷載，量測板底中心點(diǎn)的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對荷載- 撓度曲線積分計(jì)算板底中心撓度達(dá)到40mm (相當(dāng)于噴射混凝土產(chǎn)生較大變形的情況)時試驗(yàn)板所消耗的功(焦耳) ，以此為指標(biāo)評價噴射混凝土的工作性能^{[ 12 ]} 。

 

     該試驗(yàn)方式的簡便合理，而且試驗(yàn)結(jié)果的歸一性很好。該試驗(yàn)方式的發(fā)明者Bernard 經(jīng)過細(xì)致的比較后認(rèn)為該方式是目前最合適、可靠的噴射混凝土工作性能評價方式。Bernard 還在大量的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出圓板彎曲試驗(yàn)、方板彎曲試驗(yàn)、以及梁彎曲試驗(yàn)之間的關(guān)系^{[ 4 ]} ：

 

     1) EFNARC方板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為25 mm時)和圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為40 mm時)之間存在如式(4)的換算關(guān)系：

　　　　　　EFNARC25mm (J ) = 2.5 ×RDP40mm ( J )               (4)

     式中， EFNARC25mm ( J ) —EFNARC方板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為25 mm時) ；

     RDP40mm ( J ) —圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為40 mm時) .

 

     2) JSCE SF4梁彎曲試驗(yàn)的Fe3 值和圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為10 mm時) 之間存在如式(5) 的換算關(guān)系:

　　　　　　Fe3 (MPa) = (RDP10mm (J ) /92) ×1.33               (5)

     式中， Fe3 (MPa) —JSCE SF4梁彎曲試驗(yàn)的Fe3 值； RD P10mm ( J ) —圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量(板底撓度為10 mm時)

 

     我國噴射混凝土的工程應(yīng)用量很大，不僅用作開挖工程的臨時支護(hù)，很多工程結(jié)構(gòu)物還將其作為永久性結(jié)構(gòu)物的重要組成部分。因此，研究恰當(dāng)?shù)膰娚浠炷列阅軠y試方法，不僅有利于保障工程結(jié)構(gòu)物的安全性，也有利于開展新型噴射混凝土增強(qiáng)/增韌材料的基礎(chǔ)性研究。本文較全面地評述了當(dāng)前國內(nèi)外的測試方法和測試標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)國外已經(jīng)從單純的強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)展為工作性能的多指標(biāo)測試，并且為新型噴射混凝土材料的應(yīng)用提供了重要方向。作者建議加快噴射混凝土試驗(yàn)方法和測試標(biāo)準(zhǔn)的研究，研制開發(fā)相關(guān)的測試設(shè)備，對于改進(jìn)國內(nèi)噴射混凝土性能評價體系、開展新材料和新技術(shù)研究、提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平都具有重要意義?；诖俗髡吒鶕?jù)ASTM C1550 - 03的相關(guān)要求設(shè)計(jì)了如圖4所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，并在該試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了素噴射混凝土板、鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)噴射混凝土板、FRP網(wǎng)片加強(qiáng)噴射混凝土板的工作性能評價試驗(yàn)，限于篇幅，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果將另文評述。

 

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