1 喷射混凝土技术运用前景
罗斯(1985) 、莫尔根(1992)和福朗兹(1992)总结了喷射混凝土的发展。上世纪30年代由莱布楚威斯( 1969)引进的喷射混凝土技术在隧洞方面得到应用,新奥法在软弱岩石中隧洞掘进方面得到应用,土木工程行业率先将喷射混凝土用于地下工程的支护。
近年来,喷射混凝土已在采矿业的地下支护中广泛应用。可以认为,对于喷射混凝土技术的应用,采矿业做出了与它采用其它地下工程支护方式同样的贡献。地下采矿业常常面临诸多特殊的问题,如多个导洞同时作业、交通困难和特殊的荷载条件等等,促使它首先使用新的、有创造性的喷射混凝土技术。
在地下采矿中,应用喷射混凝土技术的一个重要方面是对斜坡道、交通巷道、井站和破碎机室这类永久工程的支护。常规岩石锚杆和挂网支护的维护费用非常昂贵,越来越多的类似工程开挖后立即采用喷射混凝土支护。越来越广泛使用喷射混凝土支护方式的一个重要因素,就是在喷射混凝土中加入了钢纤维,由之减少了挂网安装中的密集型劳动。
最近试验和观察表明,在中等岩爆条件下,喷射混凝土仍可以作为有效的支护手段(克瑞斯和卡瑟尔1992,兰葛理和伯尔特理1992) 。然而,这些研究结果仍然十分有限,目前尚无定论。但有迹象表明,将来会有更多的注意力集中到喷射混凝土技术的应用方面。
2 传统喷射混凝土技术
喷射混凝土是采用高压空气喷射,在高速运动情况下的动态水泥、砂和细骨料混凝土的统称。
2.1 干法喷射混凝土
如图1所示,干混喷射混凝土是将原材料以连续搅动的方式喂入漏斗,通过一个旋转的入口加入压缩空气,使原料混合物在传送管中以连续流动的形式输送,至喷嘴位置才被掺入水份。
喷浆这个专有名词,在20世纪早期用于表达喷射砂浆,现已不再采用,而更改为通用名称“喷料混凝土”。
2.2 湿法喷射混凝土
湿法喷射混凝土,是将喷射混凝土送到泵压设备之前,各种材料已经加水混合(通常是在车载搅拌器中) ,然后用泵压设备将这种液化混合物输送到喷嘴,再加入空气将它们喷射到岩石表面(如图2所示) 。
干法与湿法喷射混凝土比较:干法喷射混凝土和湿法喷射混凝土的最终成品非常相似。干法在采矿业中使用更为广泛,因为在地下工程中,大型运输搅拌车不易通行,而小型简便的设备则移动更为方便。对于采矿业和土木工程,大规模使用湿喷系统是非常理想的,在这些地方,大型竖井或已经开挖的长隧道、交通洞,允许喷浆设备和运输卡车以连续的方式工作。所以,决定采用干喷法还是湿喷法,通常应视现场情况而定。
3 新型喷射混凝土技术
3.1 钢纤维硅粉喷射混凝土
近些年,喷射混凝土技术已经有了很大的发展,最重要的两个标志是,硅粉的应用(作为水泥添加剂)和钢纤维加固技术的应用。
硅粉(或微粒硅酸盐)是硅钢金属工业的副产品,也是一种非常细的火山灰,也是一种粘结材料,它能与水泥水化过程中产生的氢氧化钙发生反应。以水泥重量的8% ～13%加入硅粉,可以使喷射混凝土的抗压强度达到普通喷射混凝土强度的2～3倍,使之非常坚硬、不透水、耐久。其他优点包括:减少反弹,改善挠曲强度,增强与岩体的胶结,增加喷施厚度等。由于硅粉喷射混凝土具有粘着性, 它在单次喷施过程中可以达到200mm厚。不过,当使用湿法时,其粘性使材料的和易性减小,需要添加超级塑性剂来恢复其和易性。
自从钢纤维喷射混凝土替代传统的钢筋网加固的普通喷射混凝土以来,现已经被全世界所接受。喷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,一旦在地下开挖过程中出现岩石变形,只有用岩石支护系统来承担巨大的荷载。这意味着,支护系统必须具有足够的延展性才能适应这种变形,否则巨大的非均匀分布的非弹性变形将会导致超载,使支护系统破坏。
典型的钢纤维硅粉喷射混凝土混合物的设计配合比见表1。在开始使用喷射混凝土方案时,这些配合比可以作为工作的起点。但经专家帮助,有必要对配合比进行调整,以适应施工现场的特殊要求。在许多干法的应用中,购买袋装重1500kg已经混合的喷射混凝土材料是非常便利的。
图3给出了最近在北美市场上可以买到的钢纤维材料,除了应用于喷射混凝土外,还可广泛应用于建筑物的混凝土板、机场跑道以及其他类似工程。
新型喷射混凝土与传统喷射混凝土比较:伍德等人(1993)报道了图3 所示钢纤维应用于加固喷射混凝土的综合对比研究结果。普通喷射混凝土和钢纤维硅粉喷射混凝土的试样,均是在垂直平面上用干法和湿法喷施而成。钢纤维试样都按60kg/m3 的钢纤维含量标准配置(见表1) 。所有试样都在控制相对湿度的条件下进行养护,并且均在喷施7d后进行实验。
实验结果表明,在硅粉喷射混凝土中加入钢纤维,可以使硬化后的喷射混凝土抗压强度和挠曲强度增加20%。在钢纤维试样的全部实验中,与普通试样相比,延展性均有明显增加,但不同类型的钢纤维其增加程度是不同的。全部实验结果均超过了北美通常所规定的性能水平(如7d抗压强度: 干法30MPa, 湿法25MPa, 挠曲强度4MPa) 。
卡朋姆使用Dramix钢纤维(如图4所示) ,进行了加固和不加固喷射混凝土板的弯曲试验,根据方块样试验结果,喷射混凝土的无侧限抗压强度是50MPa。
这些试验结果经重新整理后见图5。在钢纤维的体积含量为1.0%和1.5%的情况下,板的峰值强度分别增加大约85%和185%,延展性分别增加20倍和30倍。
图4所示钢纤维,是用一种水溶胶将其速状胶结,以便搬运和在喷射混凝土中均匀分布。
3.2 钢筋网喷射混凝土
当钢纤维喷射混凝土被土木工程和采矿工程广泛接受时,钢筋网喷射混凝土仍然得到广泛应用,并且在某些情况下仍受到欢迎。如在质量极差、松散的岩体中,喷射混凝土与岩石表面的胶结能力非常弱,这时即使不用喷射混凝土,钢筋网也会起到极大的加固支撑作用。因此,当加固稳定性非常差的边坡或修建地下填筑的挡土墙时,通常使用焊接网的方法进行表面加固或者支撑加固。在这个前提下,再用喷射混凝土提供附加支护,可以使钢筋网得到保护、免受腐蚀。
钢纤维硅粉喷射混凝土与钢筋网喷射混凝土比较:科尔斯登( 1992, 1993 )对钢筋网喷射混凝土板和钢纤维喷射混凝土板进行了一系列的实验室弯曲试验,所取得的荷载～挠度曲线与库彭的结论相似(见图5) ;所取得的荷载均较好,但在点加载和均匀加载时,前者弯曲性能更佳。他认为,这是因为在弯曲作用时,钢筋网混凝土板中的钢筋网对其发挥了有效的加固作用。
科尔斯登还认为,土木工程要比采矿工程更容易获得因钢纤维的稳定剂量在喷射混凝土中的均匀分布所得到的质量控制。采矿工程因多工作面和交通的限制,要获得更加可靠的加固质量,只有采用钢筋网喷射混凝土而不是钢纤维喷射混凝土。然而,在大型矿井中,许多永久开挖工程与大型土木工程的开挖类似,一般不会出现质量控制问题。
在许多地下采矿开挖工程中,用来支护松散岩石的链接钢筋网,通常不适用于喷射混凝土。因为喷射混凝土会被弯曲的接头所阻挡,使钢筋网后面形成空洞而进水,引起钢筋网的腐蚀。另一方面,利用焊接钢筋网的加固作用,先把它紧紧地钉在岩石表面上,再施喷,这是喷射混凝土应用中的理想条件。通常情况下,焊接钢筋网应由直径4mm的钢筋焊接成100mm ×100mm的网格。这种类型的网格重量轻,一人操作即可,可以对大多数地下工程提供足够的支撑。
