摘要: 钢纤维和聚丙烯纤维喷射混凝土在隧道和采矿工程中有着广泛的应用。纤维产品和混凝土产品的性能根据产地有所不同导致了纤维喷射混凝土的配比千差万别。钢纤维或聚丙烯纤维喷射混凝土在代替锚网支护时需要进行大量的测试以保证喷射混凝土的质量。通过应用实例介绍各种喷射混凝土在澳大利亚等国的使用情况,介绍各种纤维的优缺点及在不同岩层条件下的适用性,并给出在使用中得出优化配比和质量控制程序。
关键词: 隧道工程; 地下空间; 支护; 纤维喷射混凝土
中图分类号: TU528. 572; TU528. 53 文献标识码: B
0 引言
利用喷射混凝土进行地下空间支护最早起源于土建行业。许多学者包括罗斯[ 1 ] 、摩根[ 2 ]和福兰申[ 3 ] 。
1930年创利德在软岩中使用的新奥法和喷射混凝土并在60年代逐步引进到隧道的支护施工中。近年来,采矿业逐步成为使用喷射混凝土进行井下巷道和硐室支护的主要用途。喷射混凝土在采矿应用中所遇到的困难包括多个掘进头同时作业和井下运输条件的限制等方面。喷射混凝土用于井下主要运输巷道、泵站、火药库及其他永久性地下空间的支护。由于翻修锚网支护的巷道既昂贵又影响生产,因此上述地下空间一般在开挖后就立即采用喷射混凝土支护。采用可以替代锚网的钢纤维使喷射混凝土支护更加普及。试验和观察证明纤维喷射混凝土可以在中等强度的岩层巷道提供有效的支护能力[ 4 ] 。近几年来,随着钢纤维和聚丙烯纤维喷射混凝土强度的提高,在隧道、水利、矿山等方面都得到较广泛的应用,尤其在软岩的应用上也取得了一定的进展[ 5 - 8 ] 。
1 喷射混凝土所用纤维
用于喷射混凝土的纤维种类主要有钢纤维、粗聚丙烯纤维和细聚丙烯纤维。除了少量的尼龙纤维等产品,几乎所有在澳大利亚用于喷射混凝土的化学纤维都是聚丙烯纤维。进口其他种类的纤维成本高,不适合大规模应用。虽然玻璃纤维在喷射混凝土中有其用途,但在澳大利亚基本没有采用。
1. 1 钢纤维
钢纤维最早在60年代就用于混凝土的试验中,当时采用的直钢纤维的效果很差。但后来的试验发现钢纤维混凝土具有沿纤维方向的抗拉和正交方向的抗剪能力。多年来的使用证实了各种类型的钢纤维的优缺点和适用性。在澳大利亚市场上销售各种类型的钢纤维都列入了澳大利亚标准ASTM A820中。
最早使用的钢纤维是钢板加工的18～25mm长、0. 6～0. 8mm宽,并将两头弯曲或加粗。这种纤维(包括EE186和Fibrecon)用量较大时( 60～75 kg/m3 )在细小裂缝的混凝土中的应用效果较好,但在大裂缝的混凝土中的应用效果较差。这些成本较低钢纤维只是用来降低混凝土的断裂,并没有用于支护地下工程中的不稳定底层。无论是抗腐蚀的不锈钢纤维还是一般的钢纤维大多用于预制混凝土和重载路基。
目前在澳大利亚应用最广的钢纤维是端部为勾状的钢纤维(Dramix牌) 。长为25～60mm、直径为0. 4～1. 2mm。其强度为1 200MPa以上。其他种类的高强度钢纤维也有应用。一般说来,足够数量钢纤维在混凝土开裂后可以提供较低的蠕变性,从而限制裂缝的继续发展。但在用量不足时,上述优势迅速消失。尤其是在混凝土开裂后,钢纤维开始腐蚀,降低其强度。在选用时应根据使用条件权衡。如果需要防止裂缝发展,建议采用大剂量( > 50 kg/m3 ) 18～25mm长的钢纤维。如果对变形的要求不是很高,建议采用冷拔钢丝纤维。其最低剂量为30 kg/m3 ,一般35 ～40kg/m3 较为多见。
1. 2 粗合成纤维
粗合成纤维最早在70年代就由美国Forta公司生产,主要为聚丙烯纤维。其竞争对手3M和合成工业( Synthetic Industries)也接着开发了50mm长的薄合成纤维。后来改进的合成纤维有Strux (WR Grace 生产) 、Barchip ( EPC /Hagihara 生产) 和Synmix (BOSFA生产) 。
粗合成纤维有时称为“结构纤维”,因为其控制裂缝发展的能力不逊于钢纤维,且抗腐蚀。在大变形条件下(例如40mm,ASTM C - 150圆盘试验) ,粗合成纤维优于任何其他纤维。但在无腐蚀,要求高残余应力时,粗合成纤维的优势不明显。市场上供应的粗合成纤维长度为30～75mm。一般说来,短纤维用于控制窄裂缝,而长纤维用于控制宽裂缝。实际上,在用于喷射混凝土时,长合成纤维在控制宽裂缝方面优于喷射混凝土中的钢筋网。但把钢丝网放在喷射混凝土之上时则不然。如果要防止大的变形,最好把钢筋网铺在大剂量( 60 ～75 mm 长) 高性能纤维的喷射混凝土之上。
最高使用剂量随纤维性能的不同而不同。有些种类的粗合成纤维在剂量在超过8～9 kg/m3 时,混凝土的黏性迅速下降。但有些粗合成纤维的剂量可达15kg/m3。在隧道和井巷工程的应用剂量一般在5 ～7kg/m3。合成纤维的发展非常迅速,几年前的配方有可能不适合现在,所以在使用之前要从制造商索取最新性能信息。
1. 3 细合成纤维
细合成纤维经常与粗合成纤维混淆,但细合成纤维的性能和优势有其特殊性。细纤维用于喷射混凝土的原因与粗合成纤维完全不同。细纤维喷射混凝土的残存强度无法与钢纤维和粗纤维相比,不能单独靠细纤维来提供支护能力。但细纤维可以和钢或粗纤维混合使用。市场上供应的细纤维多为长度6～18mm、直径为6～30μm。大多数细纤维为聚丙烯产品,但也有尼龙和PVA产品。
细合成纤维的主要优点是其保持混凝土的胶结能力。数以百万计的细纤维可以防止水泥颗粒的反弹帮助水泥保持其应有的胶结性。如果配比不合理,钢纤维和粗合成纤维都有可能影响水泥的胶结性能。使用细合成纤维的另一优点是其减少混凝土收缩性能。喷射混凝土经常经受动载荷,且大面积暴露容易引起收缩变形,导致裂缝。细纤维虽然不能完全消除收缩裂缝,但可以使其减少。细合成纤维的另一作用就是防止喷射混凝土的流淌。细合成纤维还有防火的功能。细合成纤维的熔点为180 ℃,细合成纤维融化后就形成了蒸汽可以通过的通道。直径为12μm的细合成纤维2 kg/m3 剂量就有其防火性能。
2 纤维的使用性能
2. 1 抗压强度
尽管大量的文献说明含超大剂量纤维的喷射混凝土的抗压强度增加,但在正常剂量时其抗压强度变化不大。如果需要高强度,必须从混凝土的配比上入手,例如使用高强度的水泥或降低水灰比等。
2. 2 韧性和抗拉强度
试验表明通过使用大剂量的纤维可以有限地增加混凝土的韧性和抗拉能力,但其范围有限。如果需要增加韧性和抗拉强度可以通过改变混凝土配比来实现。
2. 3 抗剪强度
根据抗剪强度试验方法不同,产生的抗剪强度也不同,因为抗剪强度与围压有关。如果与拉应力正交的围压降低,抗剪强度迅速下降。反之,增加围压可导致抗剪强度迅速上升。所以,在使用喷射混凝土抗剪强度时,必须得到其测试方法。否则,提供的数据可能导致误解。图1显示典型的抗压强度- 抗剪强度曲线。必须指出,喷射混凝土早期的抗剪强度无法估计。
2. 4 硬度
使用细合成纤维的主要原因是增加喷射混凝土的抗拉能力。喷射混凝土的硬度可以用不同的方法来测定。硬度指标通常用来衡量在一定变形条件下的能量吸收或残存强度。圆盘和梁都可以用来测定硬度,但两者数据的解释方法不同。
单向弯曲的硬度测试可用ASTMC - 1609、JC I -SF4或EFNARC梁测试方法。测试存在的主要问题是不同测试方法的测试数据变化可达15%～25%。圆盘测试,尤其是ASTMC - 1550圆盘测试普遍应用在喷射混凝土的质量控制中。硬度测试中存在的问题是测试必须使用伺服控制试验机,否则数据不准确。
2. 5 收缩性
在采矿中对收缩性的要求远没有土建那么高。目前的测试方法都不能给出喷射混凝土收缩性完整描述。
2. 6 凝固性
目前还没有一个检验喷射混凝土凝固性的标准测试方法,但可以采用传统的测试方法测定喷射混凝土的凝固性。许多研究表明纤维对混凝土的凝固性没有直接影响。高水泥含量、低水灰比为喷射混凝土的主要特征,这意味着凝固性对喷射混凝土没有问题。
2. 7 蠕变性
蠕变性直接影响到喷射混凝土的结构及横穿裂缝的纤维。喷射混凝土的应变相对较小,但当纤维横穿裂缝时其应变会很大。当混凝土产生裂缝以后,其抗拉强度迅速减弱,但如果纤维没有被拉出,则纤维会继续承受拉力。根据纤维种类及混合比,纤维喷射混凝土的变形承受能力为不含纤维的混凝土的数倍。一般说来,粗合成纤维的抗变形能力优于钢纤维(见图2) 。
高蠕变性喷射混凝土适用于地层连续变动区域,如膨胀的软岩。而低蠕变性的喷射混凝土适用于地层稳定区域。现场和实验室试验显示大多数蠕变发生在喷射后的几天内。
2. 8 附着黏性
附着黏性是喷射混凝土附着到岩石或其它表面的能力。如果附着黏性大,则喷射困难。反之,如果附着黏性小,喷射混凝土则不易积聚、易垮落。附着黏性与钢纤维或粗合成纤维的加入关系不大,而与细合成纤维有比较密切的关系。加入硅粉或其它粘结剂可大幅度地提高喷射混凝土的粘结力。使用速凝剂也可以提高喷射混凝土的附着黏性。
3 喷射混凝土混合比设计
早期的钢纤维混凝土配比设计[ 9 ]见表1。表1中的配比可以用来作为初始试验值,要想得到最好效果的配比需要咨询专家,并进行正交试验设计。
4 纤维喷射混凝土的应用效果分析
纤维喷射混凝土用来支护金矿的地下巷道(设计宽度6m,设计高度6m)和峒室。作为纤维喷射混凝土质量控制的一部分,每50 m3 就要进行圆盘试验。本试验所使用的典型合成纤维喷射混凝土的配比设计列在表2中。
喷射混凝土非常难混合,尤其是当水灰比低时更是如此。在混合时应该严格按照混合程序进行,即将所有成分按比例装入混凝土罐车内以16 r /min的转速混合5min然后才能驶向目的地。对于每批纤维喷射混凝土都要进行测试其流动性。
在喷射之前要用水冲洗顶板和巷道壁,检查气压,检查速凝剂,使喷嘴与喷射面垂直,均匀地喷射以保证表面光滑,监视喷射厚度。
在喷射之前,还要进行圆盘喷射,以保留样品进行测试。经过两年半的应用,所有圆盘试件的单轴抗压强度都超过30MPa,其中95 %超过35MPa。保证了井下巷道的支护质量,无翻修。
5 结论
钢纤维、粗合成纤维和细合成纤维具有不同的优缺点。在隧道和巷道支护方面,钢纤维适用于需要控制裂缝的地层或岩层相对稳定且无地下水的情形。这种情况多发生在岩层经过一段时间的变形卸压已经稳定,例如隧道或井下永久巷道或峒室。粗合成纤维更适用于具有少量变形且无岩层水导致腐蚀的隧道或永久巷道及峒室。长粗纤维与钢网联合使用可以支护非常不稳定的岩层,例如深部软岩。细合成纤维在矿井巷道支护中的应用主要是调节混凝土的特性、提高喷射效率并提高黏结度。不能单独依赖细合成纤维来提供支护能力。细合成纤维也广泛用于防火墙的喷射。
由于纤维、水泥和砂子的产地不同,其性能千差万别,在使用时必须进行现场和实验室测试,进行配比设计。砂子对喷射混凝土的质量的影响在于其强度和水分。在混合配比时要注意砂子水分的变化,适时调整配比。除此之外,要经常进行喷射混凝土的取样和试验分析,保证其质量。
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