1 噴射混凝土技術運用前景
羅斯(1985) 、莫爾根(1992)和福朗茲(1992)總結(jié)了噴射混凝土的發(fā)展。上世紀30年代由萊布楚威斯( 1969)引進的噴射混凝土技術在隧洞方面得到應用,新奧法在軟弱巖石中隧洞掘進方面得到應用,土木工程行業(yè)率先將噴射混凝土用于地下工程的支護。
近年來,噴射混凝土已在采礦業(yè)的地下支護中廣泛應用?？梢哉J為,對于噴射混凝土技術的應用,采礦業(yè)做出了與它采用其它地下工程支護方式同樣的貢獻。地下采礦業(yè)常常面臨諸多特殊的問題,如多個導洞同時作業(yè)、交通困難和特殊的荷載條件等等,促使它首先使用新的、有創(chuàng)造性的噴射混凝土技術。
在地下采礦中,應用噴射混凝土技術的一個重要方面是對斜坡道、交通巷道、井站和破碎機室這類永久工程的支護。常規(guī)巖石錨桿和掛網(wǎng)支護的維護費用非常昂貴,越來越多的類似工程開挖后立即采用噴射混凝土支護。越來越廣泛使用噴射混凝土支護方式的一個重要因素,就是在噴射混凝土中加入了鋼纖維,由之減少了掛網(wǎng)安裝中的密集型勞動。
最近試驗和觀察表明,在中等巖爆條件下,噴射混凝土仍可以作為有效的支護手段(克瑞斯和卡瑟爾1992,蘭葛理和伯爾特理1992) 。然而,這些研究結(jié)果仍然十分有限,目前尚無定論。但有跡象表明,將來會有更多的注意力集中到噴射混凝土技術的應用方面。
2 傳統(tǒng)噴射混凝土技術
噴射混凝土是采用高壓空氣噴射,在高速運動情況下的動態(tài)水泥、砂和細骨料混凝土的統(tǒng)稱。
2.1 干法噴射混凝土
如圖1所示,干混噴射混凝土是將原材料以連續(xù)攪動的方式喂入漏斗,通過一個旋轉(zhuǎn)的入口加入壓縮空氣,使原料混合物在傳送管中以連續(xù)流動的形式輸送,至噴嘴位置才被摻入水份。
噴漿這個專有名詞,在20世紀早期用于表達噴射砂漿,現(xiàn)已不再采用,而更改為通用名稱“噴料混凝土”。
2.2 濕法噴射混凝土
濕法噴射混凝土,是將噴射混凝土送到泵壓設備之前,各種材料已經(jīng)加水混合(通常是在車載攪拌器中) ,然后用泵壓設備將這種液化混合物輸送到噴嘴,再加入空氣將它們噴射到巖石表面(如圖2所示) 。
干法與濕法噴射混凝土比較:干法噴射混凝土和濕法噴射混凝土的最終成品非常相似。干法在采礦業(yè)中使用更為廣泛,因為在地下工程中,大型運輸攪拌車不易通行,而小型簡便的設備則移動更為方便。對于采礦業(yè)和土木工程,大規(guī)模使用濕噴系統(tǒng)是非常理想的,在這些地方,大型豎井或已經(jīng)開挖的長隧道、交通洞,允許噴漿設備和運輸卡車以連續(xù)的方式工作。所以,決定采用干噴法還是濕噴法,通常應視現(xiàn)場情況而定。
3 新型噴射混凝土技術
3.1 鋼纖維硅粉噴射混凝土
近些年,噴射混凝土技術已經(jīng)有了很大的發(fā)展,最重要的兩個標志是,硅粉的應用(作為水泥添加劑)和鋼纖維加固技術的應用。
硅粉(或微粒硅酸鹽)是硅鋼金屬工業(yè)的副產(chǎn)品,也是一種非常細的火山灰,也是一種粘結(jié)材料,它能與水泥水化過程中產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生反應。以水泥重量的8% ～13%加入硅粉,可以使噴射混凝土的抗壓強度達到普通噴射混凝土強度的2～3倍,使之非常堅硬、不透水、耐久。其他優(yōu)點包括:減少反彈,改善撓曲強度,增強與巖體的膠結(jié),增加噴施厚度等。由于硅粉噴射混凝土具有粘著性, 它在單次噴施過程中可以達到200mm厚。不過,當使用濕法時,其粘性使材料的和易性減小,需要添加超級塑性劑來恢復其和易性。
自從鋼纖維噴射混凝土替代傳統(tǒng)的鋼筋網(wǎng)加固的普通噴射混凝土以來,現(xiàn)已經(jīng)被全世界所接受。噴射混凝土加固的主要作用,是增加脆性材料的延展性。如前所述,一旦在地下開挖過程中出現(xiàn)巖石變形,只有用巖石支護系統(tǒng)來承擔巨大的荷載。這意味著,支護系統(tǒng)必須具有足夠的延展性才能適應這種變形,否則巨大的非均勻分布的非彈性變形將會導致超載,使支護系統(tǒng)破壞。
典型的鋼纖維硅粉噴射混凝土混合物的設計配合比見表1。在開始使用噴射混凝土方案時,這些配合比可以作為工作的起點。但經(jīng)專家?guī)椭?有必要對配合比進行調(diào)整,以適應施工現(xiàn)場的特殊要求。在許多干法的應用中,購買袋裝重1500kg已經(jīng)混合的噴射混凝土材料是非常便利的。
圖3給出了最近在北美市場上可以買到的鋼纖維材料,除了應用于噴射混凝土外,還可廣泛應用于建筑物的混凝土板、機場跑道以及其他類似工程。
新型噴射混凝土與傳統(tǒng)噴射混凝土比較:伍德等人(1993)報道了圖3 所示鋼纖維應用于加固噴射混凝土的綜合對比研究結(jié)果。普通噴射混凝土和鋼纖維硅粉噴射混凝土的試樣,均是在垂直平面上用干法和濕法噴施而成。鋼纖維試樣都按60kg/m3 的鋼纖維含量標準配置(見表1) 。所有試樣都在控制相對濕度的條件下進行養(yǎng)護,并且均在噴施7d后進行實驗。
實驗結(jié)果表明,在硅粉噴射混凝土中加入鋼纖維,可以使硬化后的噴射混凝土抗壓強度和撓曲強度增加20%。在鋼纖維試樣的全部實驗中,與普通試樣相比,延展性均有明顯增加,但不同類型的鋼纖維其增加程度是不同的。全部實驗結(jié)果均超過了北美通常所規(guī)定的性能水平(如7d抗壓強度: 干法30MPa, 濕法25MPa, 撓曲強度4MPa) 。
卡朋姆使用Dramix鋼纖維(如圖4所示) ,進行了加固和不加固噴射混凝土板的彎曲試驗,根據(jù)方塊樣試驗結(jié)果,噴射混凝土的無側(cè)限抗壓強度是50MPa。
這些試驗結(jié)果經(jīng)重新整理后見圖5。在鋼纖維的體積含量為1.0%和1.5%的情況下,板的峰值強度分別增加大約85%和185%,延展性分別增加20倍和30倍。
圖4所示鋼纖維,是用一種水溶膠將其速狀膠結(jié),以便搬運和在噴射混凝土中均勻分布。
3.2 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土
當鋼纖維噴射混凝土被土木工程和采礦工程廣泛接受時,鋼筋網(wǎng)噴射混凝土仍然得到廣泛應用,并且在某些情況下仍受到歡迎。如在質(zhì)量極差、松散的巖體中,噴射混凝土與巖石表面的膠結(jié)能力非常弱,這時即使不用噴射混凝土,鋼筋網(wǎng)也會起到極大的加固支撐作用。因此,當加固穩(wěn)定性非常差的邊坡或修建地下填筑的擋土墻時,通常使用焊接網(wǎng)的方法進行表面加固或者支撐加固。在這個前提下,再用噴射混凝土提供附加支護,可以使鋼筋網(wǎng)得到保護、免受腐蝕。
鋼纖維硅粉噴射混凝土與鋼筋網(wǎng)噴射混凝土比較:科爾斯登( 1992, 1993 )對鋼筋網(wǎng)噴射混凝土板和鋼纖維噴射混凝土板進行了一系列的實驗室彎曲試驗,所取得的荷載～撓度曲線與庫彭的結(jié)論相似(見圖5) ;所取得的荷載均較好,但在點加載和均勻加載時,前者彎曲性能更佳。他認為,這是因為在彎曲作用時,鋼筋網(wǎng)混凝土板中的鋼筋網(wǎng)對其發(fā)揮了有效的加固作用。
科爾斯登還認為,土木工程要比采礦工程更容易獲得因鋼纖維的穩(wěn)定劑量在噴射混凝土中的均勻分布所得到的質(zhì)量控制。采礦工程因多工作面和交通的限制,要獲得更加可靠的加固質(zhì)量,只有采用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土而不是鋼纖維噴射混凝土。然而,在大型礦井中,許多永久開挖工程與大型土木工程的開挖類似,一般不會出現(xiàn)質(zhì)量控制問題。
在許多地下采礦開挖工程中,用來支護松散巖石的鏈接鋼筋網(wǎng),通常不適用于噴射混凝土。因為噴射混凝土會被彎曲的接頭所阻擋,使鋼筋網(wǎng)后面形成空洞而進水,引起鋼筋網(wǎng)的腐蝕。另一方面,利用焊接鋼筋網(wǎng)的加固作用,先把它緊緊地釘在巖石表面上,再施噴,這是噴射混凝土應用中的理想條件。通常情況下,焊接鋼筋網(wǎng)應由直徑4mm的鋼筋焊接成100mm ×100mm的網(wǎng)格。這種類型的網(wǎng)格重量輕,一人操作即可,可以對大多數(shù)地下工程提供足夠的支撐。
