摘要: 鋼纖維和聚丙烯纖維噴射混凝土在隧道和采礦工程中有著廣泛的應(yīng)用。纖維產(chǎn)品和混凝土產(chǎn)品的性能根據(jù)產(chǎn)地有所不同導(dǎo)致了纖維噴射混凝土的配比千差萬別。鋼纖維或聚丙烯纖維噴射混凝土在代替錨網(wǎng)支護(hù)時需要進(jìn)行大量的測試以保證噴射混凝土的質(zhì)量。通過應(yīng)用實(shí)例介紹各種噴射混凝土在澳大利亞等國的使用情況,介紹各種纖維的優(yōu)缺點(diǎn)及在不同巖層條件下的適用性,并給出在使用中得出優(yōu)化配比和質(zhì)量控制程序。
關(guān)鍵詞: 隧道工程; 地下空間; 支護(hù); 纖維噴射混凝土
中圖分類號: TU528. 572; TU528. 53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B
0 引言
利用噴射混凝土進(jìn)行地下空間支護(hù)最早起源于土建行業(yè)。許多學(xué)者包括羅斯[ 1 ] 、摩根[ 2 ]和福蘭申[ 3 ] 。
1930年創(chuàng)利德在軟巖中使用的新奧法和噴射混凝土并在60年代逐步引進(jìn)到隧道的支護(hù)施工中。近年來,采礦業(yè)逐步成為使用噴射混凝土進(jìn)行井下巷道和硐室支護(hù)的主要用途。噴射混凝土在采礦應(yīng)用中所遇到的困難包括多個掘進(jìn)頭同時作業(yè)和井下運(yùn)輸條件的限制等方面。噴射混凝土用于井下主要運(yùn)輸巷道、泵站、火藥庫及其他永久性地下空間的支護(hù)。由于翻修錨網(wǎng)支護(hù)的巷道既昂貴又影響生產(chǎn),因此上述地下空間一般在開挖后就立即采用噴射混凝土支護(hù)。采用可以替代錨網(wǎng)的鋼纖維使噴射混凝土支護(hù)更加普及。試驗(yàn)和觀察證明纖維噴射混凝土可以在中等強(qiáng)度的巖層巷道提供有效的支護(hù)能力[ 4 ] 。近幾年來,隨著鋼纖維和聚丙烯纖維噴射混凝土強(qiáng)度的提高,在隧道、水利、礦山等方面都得到較廣泛的應(yīng)用,尤其在軟巖的應(yīng)用上也取得了一定的進(jìn)展[ 5 - 8 ] 。
1 噴射混凝土所用纖維
用于噴射混凝土的纖維種類主要有鋼纖維、粗聚丙烯纖維和細(xì)聚丙烯纖維。除了少量的尼龍纖維等產(chǎn)品,幾乎所有在澳大利亞用于噴射混凝土的化學(xué)纖維都是聚丙烯纖維。進(jìn)口其他種類的纖維成本高,不適合大規(guī)模應(yīng)用。雖然玻璃纖維在噴射混凝土中有其用途,但在澳大利亞基本沒有采用。
1. 1 鋼纖維
鋼纖維最早在60年代就用于混凝土的試驗(yàn)中,當(dāng)時采用的直鋼纖維的效果很差。但后來的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土具有沿纖維方向的抗拉和正交方向的抗剪能力。多年來的使用證實(shí)了各種類型的鋼纖維的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。在澳大利亞市場上銷售各種類型的鋼纖維都列入了澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)ASTM A820中。
最早使用的鋼纖維是鋼板加工的18～25mm長、0. 6～0. 8mm寬,并將兩頭彎曲或加粗。這種纖維(包括EE186和Fibrecon)用量較大時( 60～75 kg/m3 )在細(xì)小裂縫的混凝土中的應(yīng)用效果較好,但在大裂縫的混凝土中的應(yīng)用效果較差。這些成本較低鋼纖維只是用來降低混凝土的斷裂,并沒有用于支護(hù)地下工程中的不穩(wěn)定底層。無論是抗腐蝕的不銹鋼纖維還是一般的鋼纖維大多用于預(yù)制混凝土和重載路基。
目前在澳大利亞應(yīng)用最廣的鋼纖維是端部為勾狀的鋼纖維(Dramix牌) 。長為25～60mm、直徑為0. 4～1. 2mm。其強(qiáng)度為1 200MPa以上。其他種類的高強(qiáng)度鋼纖維也有應(yīng)用。一般說來,足夠數(shù)量鋼纖維在混凝土開裂后可以提供較低的蠕變性,從而限制裂縫的繼續(xù)發(fā)展。但在用量不足時,上述優(yōu)勢迅速消失。尤其是在混凝土開裂后,鋼纖維開始腐蝕,降低其強(qiáng)度。在選用時應(yīng)根據(jù)使用條件權(quán)衡。如果需要防止裂縫發(fā)展,建議采用大劑量( > 50 kg/m3 ) 18～25mm長的鋼纖維。如果對變形的要求不是很高,建議采用冷拔鋼絲纖維。其最低劑量為30 kg/m3 ,一般35 ～40kg/m3 較為多見。
1. 2 粗合成纖維
粗合成纖維最早在70年代就由美國Forta公司生產(chǎn),主要為聚丙烯纖維。其競爭對手3M和合成工業(yè)( Synthetic Industries)也接著開發(fā)了50mm長的薄合成纖維。后來改進(jìn)的合成纖維有Strux (WR Grace 生產(chǎn)) 、Barchip ( EPC /Hagihara 生產(chǎn)) 和Synmix (BOSFA生產(chǎn)) 。
粗合成纖維有時稱為“結(jié)構(gòu)纖維”,因?yàn)槠淇刂屏芽p發(fā)展的能力不遜于鋼纖維,且抗腐蝕。在大變形條件下(例如40mm,ASTM C - 150圓盤試驗(yàn)) ,粗合成纖維優(yōu)于任何其他纖維。但在無腐蝕,要求高殘余應(yīng)力時,粗合成纖維的優(yōu)勢不明顯。市場上供應(yīng)的粗合成纖維長度為30～75mm。一般說來,短纖維用于控制窄裂縫,而長纖維用于控制寬裂縫。實(shí)際上,在用于噴射混凝土?xí)r,長合成纖維在控制寬裂縫方面優(yōu)于噴射混凝土中的鋼筋網(wǎng)。但把鋼絲網(wǎng)放在噴射混凝土之上時則不然。如果要防止大的變形,最好把鋼筋網(wǎng)鋪在大劑量( 60 ～75 mm 長) 高性能纖維的噴射混凝土之上。
最高使用劑量隨纖維性能的不同而不同。有些種類的粗合成纖維在劑量在超過8～9 kg/m3 時,混凝土的黏性迅速下降。但有些粗合成纖維的劑量可達(dá)15kg/m3。在隧道和井巷工程的應(yīng)用劑量一般在5 ～7kg/m3。合成纖維的發(fā)展非常迅速,幾年前的配方有可能不適合現(xiàn)在,所以在使用之前要從制造商索取最新性能信息。
1. 3 細(xì)合成纖維
細(xì)合成纖維經(jīng)常與粗合成纖維混淆,但細(xì)合成纖維的性能和優(yōu)勢有其特殊性。細(xì)纖維用于噴射混凝土的原因與粗合成纖維完全不同。細(xì)纖維噴射混凝土的殘存強(qiáng)度無法與鋼纖維和粗纖維相比,不能單獨(dú)靠細(xì)纖維來提供支護(hù)能力。但細(xì)纖維可以和鋼或粗纖維混合使用。市場上供應(yīng)的細(xì)纖維多為長度6～18mm、直徑為6～30μm。大多數(shù)細(xì)纖維為聚丙烯產(chǎn)品,但也有尼龍和PVA產(chǎn)品。
細(xì)合成纖維的主要優(yōu)點(diǎn)是其保持混凝土的膠結(jié)能力。數(shù)以百萬計(jì)的細(xì)纖維可以防止水泥顆粒的反彈幫助水泥保持其應(yīng)有的膠結(jié)性。如果配比不合理,鋼纖維和粗合成纖維都有可能影響水泥的膠結(jié)性能。使用細(xì)合成纖維的另一優(yōu)點(diǎn)是其減少混凝土收縮性能。噴射混凝土經(jīng)常經(jīng)受動載荷,且大面積暴露容易引起收縮變形,導(dǎo)致裂縫。細(xì)纖維雖然不能完全消除收縮裂縫,但可以使其減少。細(xì)合成纖維的另一作用就是防止噴射混凝土的流淌。細(xì)合成纖維還有防火的功能。細(xì)合成纖維的熔點(diǎn)為180 ℃,細(xì)合成纖維融化后就形成了蒸汽可以通過的通道。直徑為12μm的細(xì)合成纖維2 kg/m3 劑量就有其防火性能。
2 纖維的使用性能
2. 1 抗壓強(qiáng)度
盡管大量的文獻(xiàn)說明含超大劑量纖維的噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度增加,但在正常劑量時其抗壓強(qiáng)度變化不大。如果需要高強(qiáng)度,必須從混凝土的配比上入手,例如使用高強(qiáng)度的水泥或降低水灰比等。
2. 2 韌性和抗拉強(qiáng)度
試驗(yàn)表明通過使用大劑量的纖維可以有限地增加混凝土的韌性和抗拉能力,但其范圍有限。如果需要增加韌性和抗拉強(qiáng)度可以通過改變混凝土配比來實(shí)現(xiàn)。
2. 3 抗剪強(qiáng)度
根據(jù)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法不同,產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度也不同,因?yàn)榭辜魪?qiáng)度與圍壓有關(guān)。如果與拉應(yīng)力正交的圍壓降低,抗剪強(qiáng)度迅速下降。反之,增加圍壓可導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度迅速上升。所以,在使用噴射混凝土抗剪強(qiáng)度時,必須得到其測試方法。否則,提供的數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致誤解。圖1顯示典型的抗壓強(qiáng)度- 抗剪強(qiáng)度曲線。必須指出,噴射混凝土早期的抗剪強(qiáng)度無法估計(jì)。
2. 4 硬度
使用細(xì)合成纖維的主要原因是增加噴射混凝土的抗拉能力。噴射混凝土的硬度可以用不同的方法來測定。硬度指標(biāo)通常用來衡量在一定變形條件下的能量吸收或殘存強(qiáng)度。圓盤和梁都可以用來測定硬度,但兩者數(shù)據(jù)的解釋方法不同。
單向彎曲的硬度測試可用ASTMC - 1609、JC I -SF4或EFNARC梁測試方法。測試存在的主要問題是不同測試方法的測試數(shù)據(jù)變化可達(dá)15%～25%。圓盤測試,尤其是ASTMC - 1550圓盤測試普遍應(yīng)用在噴射混凝土的質(zhì)量控制中。硬度測試中存在的問題是測試必須使用伺服控制試驗(yàn)機(jī),否則數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
2. 5 收縮性
在采礦中對收縮性的要求遠(yuǎn)沒有土建那么高。目前的測試方法都不能給出噴射混凝土收縮性完整描述。
2. 6 凝固性
目前還沒有一個檢驗(yàn)噴射混凝土凝固性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法,但可以采用傳統(tǒng)的測試方法測定噴射混凝土的凝固性。許多研究表明纖維對混凝土的凝固性沒有直接影響。高水泥含量、低水灰比為噴射混凝土的主要特征,這意味著凝固性對噴射混凝土沒有問題。
2. 7 蠕變性
蠕變性直接影響到噴射混凝土的結(jié)構(gòu)及橫穿裂縫的纖維。噴射混凝土的應(yīng)變相對較小,但當(dāng)纖維橫穿裂縫時其應(yīng)變會很大。當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫以后,其抗拉強(qiáng)度迅速減弱,但如果纖維沒有被拉出,則纖維會繼續(xù)承受拉力。根據(jù)纖維種類及混合比,纖維噴射混凝土的變形承受能力為不含纖維的混凝土的數(shù)倍。一般說來,粗合成纖維的抗變形能力優(yōu)于鋼纖維(見圖2) 。
高蠕變性噴射混凝土適用于地層連續(xù)變動區(qū)域,如膨脹的軟巖。而低蠕變性的噴射混凝土適用于地層穩(wěn)定區(qū)域。現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)顯示大多數(shù)蠕變發(fā)生在噴射后的幾天內(nèi)。
2. 8 附著黏性
附著黏性是噴射混凝土附著到巖石或其它表面的能力。如果附著黏性大,則噴射困難。反之,如果附著黏性小,噴射混凝土則不易積聚、易垮落。附著黏性與鋼纖維或粗合成纖維的加入關(guān)系不大,而與細(xì)合成纖維有比較密切的關(guān)系。加入硅粉或其它粘結(jié)劑可大幅度地提高噴射混凝土的粘結(jié)力。使用速凝劑也可以提高噴射混凝土的附著黏性。
3 噴射混凝土混合比設(shè)計(jì)
早期的鋼纖維混凝土配比設(shè)計(jì)[ 9 ]見表1。表1中的配比可以用來作為初始試驗(yàn)值,要想得到最好效果的配比需要咨詢專家,并進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
4 纖維噴射混凝土的應(yīng)用效果分析
纖維噴射混凝土用來支護(hù)金礦的地下巷道(設(shè)計(jì)寬度6m,設(shè)計(jì)高度6m)和峒室。作為纖維噴射混凝土質(zhì)量控制的一部分,每50 m3 就要進(jìn)行圓盤試驗(yàn)。本試驗(yàn)所使用的典型合成纖維噴射混凝土的配比設(shè)計(jì)列在表2中。
噴射混凝土非常難混合,尤其是當(dāng)水灰比低時更是如此。在混合時應(yīng)該嚴(yán)格按照混合程序進(jìn)行,即將所有成分按比例裝入混凝土罐車內(nèi)以16 r /min的轉(zhuǎn)速混合5min然后才能駛向目的地。對于每批纖維噴射混凝土都要進(jìn)行測試其流動性。
在噴射之前要用水沖洗頂板和巷道壁,檢查氣壓,檢查速凝劑,使噴嘴與噴射面垂直,均勻地噴射以保證表面光滑,監(jiān)視噴射厚度。
在噴射之前,還要進(jìn)行圓盤噴射,以保留樣品進(jìn)行測試。經(jīng)過兩年半的應(yīng)用,所有圓盤試件的單軸抗壓強(qiáng)度都超過30MPa,其中95 %超過35MPa。保證了井下巷道的支護(hù)質(zhì)量,無翻修。
5 結(jié)論
鋼纖維、粗合成纖維和細(xì)合成纖維具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。在隧道和巷道支護(hù)方面,鋼纖維適用于需要控制裂縫的地層或巖層相對穩(wěn)定且無地下水的情形。這種情況多發(fā)生在巖層經(jīng)過一段時間的變形卸壓已經(jīng)穩(wěn)定,例如隧道或井下永久巷道或峒室。粗合成纖維更適用于具有少量變形且無巖層水導(dǎo)致腐蝕的隧道或永久巷道及峒室。長粗纖維與鋼網(wǎng)聯(lián)合使用可以支護(hù)非常不穩(wěn)定的巖層,例如深部軟巖。細(xì)合成纖維在礦井巷道支護(hù)中的應(yīng)用主要是調(diào)節(jié)混凝土的特性、提高噴射效率并提高黏結(jié)度。不能單獨(dú)依賴細(xì)合成纖維來提供支護(hù)能力。細(xì)合成纖維也廣泛用于防火墻的噴射。
由于纖維、水泥和砂子的產(chǎn)地不同,其性能千差萬別,在使用時必須進(jìn)行現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室測試,進(jìn)行配比設(shè)計(jì)。砂子對噴射混凝土的質(zhì)量的影響在于其強(qiáng)度和水分。在混合配比時要注意砂子水分的變化,適時調(diào)整配比。除此之外,要經(jīng)常進(jìn)行噴射混凝土的取樣和試驗(yàn)分析,保證其質(zhì)量。
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