1 噴射混凝土技術(shù)運(yùn)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(jì)30年代由萊布楚威斯( 1969)引進(jìn)的噴射混凝土技術(shù)在隧洞方面得到應(yīng)用,新奧法在軟弱巖石中隧洞掘進(jìn)方面得到應(yīng)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(hù)。
近年來,噴射混凝土已在采礦業(yè)的地下支護(hù)中廣泛應(yīng)用。可以認(rèn)為,對于噴射混凝土技術(shù)的應(yīng)用,采礦業(yè)做出了與它采用其它地下工程支護(hù)方式同樣的貢獻(xiàn)。地下采礦業(yè)常常面臨諸多特殊的問題,如多個導(dǎo)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(shù)。
在地下采礦中,應(yīng)用噴射混凝土技術(shù)的一個重要方面是對斜坡道、交通巷道、井站和破碎機(jī)室這類永久工程的支護(hù)。常規(guī)巖石錨桿和掛網(wǎng)支護(hù)的維護(hù)費(fèi)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(hù)。越來越廣泛使用噴射混凝土支護(hù)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(yàn)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(hù)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(shù)的應(yīng)用方面。
2 傳統(tǒng)噴射混凝土技術(shù)
噴射混凝土是采用高壓空氣噴射,在高速運(yùn)動情況下的動態(tài)水泥、砂和細(xì)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(jì)早期用于表達(dá)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(shè)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(shè)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?yàn)樵诘叵鹿こ讨?大型運(yùn)輸攪拌車不易通行,而小型簡便的設(shè)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(shè)備和運(yùn)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(yīng)視現(xiàn)場情況而定。
3 新型噴射混凝土技術(shù)
3.1 鋼纖維硅粉噴射混凝土
近些年,噴射混凝土技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展,最重要的兩個標(biāo)志是,硅粉的應(yīng)用(作為水泥添加劑)和鋼纖維加固技術(shù)的應(yīng)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(xì)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(yīng)。以水泥重量的8% ～13%加入硅粉,可以使噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到普通噴射混凝土強(qiáng)度的2～3倍,使之非常堅(jiān)硬、不透水、耐久。其他優(yōu)點(diǎn)包括:減少反彈,改善撓曲強(qiáng)度,增強(qiáng)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(dá)到200mm厚。不過,當(dāng)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(fù)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(hù)系統(tǒng)來承擔(dān)巨大的荷載。這意味著,支護(hù)系統(tǒng)必須具有足夠的延展性才能適應(yīng)這種變形,否則巨大的非均勻分布的非彈性變形將會導(dǎo)致超載,使支護(hù)系統(tǒng)破壞。
典型的鋼纖維硅粉噴射混凝土混合物的設(shè)計(jì)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(diǎn)。但經(jīng)專家?guī)椭?有必要對配合比進(jìn)行調(diào)整,以適應(yīng)施工現(xiàn)場的特殊要求。在許多干法的應(yīng)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(yīng)用于噴射混凝土外,還可廣泛應(yīng)用于建筑物的混凝土板、機(jī)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)配置(見表1) 。所有試樣都在控制相對濕度的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),并且均在噴施7d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度增加20%。在鋼纖維試樣的全部實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)度: 干法30MPa, 濕法25MPa, 撓曲強(qiáng)度4MPa) 。
卡朋姆使用Dramix鋼纖維(如圖4所示) ,進(jìn)行了加固和不加固噴射混凝土板的彎曲試驗(yàn),根據(jù)方塊樣試驗(yàn)結(jié)果,噴射混凝土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是50MPa。
這些試驗(yàn)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(qiáng)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(yùn)和在噴射混凝土中均勻分布。
3.2 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土
當(dāng)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(yīng)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(dāng)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(jìn)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(hù),可以使鋼筋網(wǎng)得到保護(hù)、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(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)室彎曲試驗(yàn),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(diǎn)加載和均勻加載時,前者彎曲性能更佳。他認(rèn)為,這是因?yàn)樵趶澢饔脮r,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(rèn)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(hù)松散巖石的鏈接鋼筋網(wǎng),通常不適用于噴射混凝土。因?yàn)閲娚浠炷習(xí)粡澢慕宇^所阻擋,使鋼筋網(wǎng)后面形成空洞而進(jìn)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(yīng)用中的理想條件。通常情況下,焊接鋼筋網(wǎng)應(yīng)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。
