建筑師知識噴射混凝土技術

建筑師知識噴射混凝土技術

　　導語：建筑師是從事建筑設計的人。建筑師接受工程投資方(即通常所說的甲方)的委托，對建筑進行建筑專業的圖紙設計，并協調整合結構、機電、工藝等各專業的圖紙，形成可供施工的圖紙提供給投資方。

　　1. 鋼纖維的作用機理

　　混凝土的抗拉強度較低，一旦開裂后會發生脆性破壞。利用鋼纖維進行增強處理后，鋼纖維能夠控制裂縫的開展，并且傳遞拉應力，產生應力重分布，從而提高混凝土的裂后強度，使混凝土具有相當的彎曲韌度。和素混凝土相比，鋼纖維混凝土在發生變形后仍能承擔荷載。

　　2. 鋼纖維混凝土的性能

　　鋼纖維混凝土的極限抗彎拉強度和加入鋼纖維之前基本相同，但是鋼纖維混凝土的彎曲韌度有大幅度提高。

　　鋼纖維有各種不同的原材料，形狀和抗拉強度，彎曲韌度各不相同。鋼纖維根據生產工藝分為剪切型，銑削型，和冷拉型。前兩種纖維本身的抗拉強度在400-700MPa之間，長徑比在40-50，摻量較高，一般在80-120kg/m3;[3]冷拉型纖維通過對母材(盤條)的高速拉絲，大幅提高了抗拉強度，通常在1000MPa以上，長徑比在60以上，摻量一般在35-65 kg/m3.

　　對不同的鋼纖維應進行實驗，得到達到保證鋼纖維混凝土彎曲韌度的鋼纖維纖摻量。鋼纖維混凝土的韌度可以用“位移控制的梁的三分加載實驗”進行。

　　(圖見附件)

　　圖1.1 鋼纖維混凝土梁三分加載彎拉韌度實驗 荷載-位移曲線

　　根據荷載-位移曲線，通過下式計算鋼纖維混凝土的彎曲韌度：

　　(計算公式見附件)

　　3. 鋼纖維噴射混凝土的性能

　　混凝土中加入鋼纖維后可提高混凝土的彎拉韌度，能量吸收能力，抗沖擊能力和對裂縫的控制。均勻分布的鋼纖維使噴射混凝土任意截面都能夠承受拉應力，同時和圍巖有極佳的粘結力，因此可以通過應力重分布，充分發揮圍巖的自承能力，是理想的支護材料。

　　《歐洲噴射混凝土規范》用大板實驗比較鋼纖維噴射混凝土和掛網噴射混凝土的性能，實驗結果發現鋼纖維噴射混凝土有更高的承載能力和吸收變形能力。

　　鋼纖維混凝土既能作為初期支護、也可作為永久襯砌;和掛網相比有技術和經濟上的優勢：

　　鋼筋掛網施工工藝復雜;在凹凸不平的巖面難以沿巖石表面布置在拉應力區;在噴射混凝土時回彈大;混凝土容易集結在掛網的表面，在掛網的背后形成空洞;當圍巖條件較差時，不能形成及時支護。

　　鋼纖維噴射混凝土可以順著圍巖表面形成快速有效的支護，和巖石有更好的粘結，而且提高施工安全性簡化施工工序，加快了施工進度。

　　從經濟角度出發，鋼纖維混凝土襯砌厚度比掛網混凝土節約30%，回彈量減少30%，工期節約20-30%.

　　4. 鋼纖維噴射混凝土的應用

　　鋼纖維噴射混凝土從70年代起在世界范圍內得到廣泛的應用，在“挪威地質學院”提出的“Q系統”中，全面采用鋼纖維噴射混凝土取代掛網作為隧道永久支護。

　　我國很早就開始研究鋼纖維混凝土的應用，但是由于當時鋼纖維本身抗拉強度低，攪拌時易結團變形，噴射時易堵管，在施工上很難保證質量，使該項技術沒有得到有效的推廣。90年代起，國內引進了歐洲粘結成排的冷拉型鋼纖維生產技術，冷拉型纖維摻量在35-65 kg/m3，用快速水溶性膠水粘結成排后，鋼纖維在隨骨料一起攪拌的過程中，膠水遇水自動溶解，成排的鋼纖維會分散成單根，在混凝土中均勻地分布，從而解決了鋼纖維結團堵管的問題。鋼纖維噴射混凝土在克服了施工中的弱點后，已經逐步在國內的一些工程中得到應用。

　　5. 鋼纖維混凝土的韌度設計

　　彎曲韌度是鋼纖維噴射混凝土最為主要的性能，在設計中必須有明確的規定目前國內隧道設計規范中對鋼纖維噴射混凝土的韌度暫無規定，日本，韓國，及歐洲的纖維噴射混凝土規范中，對用于地下工程中的鋼纖維噴射混凝土的“彎曲韌度系數(Re，3)”值大多規定在68% 以上。我國目前在隧道工程中的鋼纖維噴射混凝土設計中應用的“彎曲韌度系數”值多在此范圍。

　　為了能夠方便地確定鋼纖維噴射混凝土的韌度是否達到設計要求，有些規范中采用了“模板”法，在確定鋼纖維混凝土的試件尺寸后，規定了韌度實驗曲線，實際實驗曲線若能夠包絡上述曲線，便認為鋼纖維混凝土的韌度達到設計要求。

　　以下是日本高速公路局(JHC)>中對鋼纖維噴射混凝土采用的韌度“模板”曲線：

　　(圖見附件)

　　圖5.1 鋼纖維噴射混凝土梁三分加載實驗彎拉韌度要求

　　將該“模板曲線”換算成彎曲韌度，Re，3=80%.

　　由于彎曲韌度實驗對實驗設備要求較高，根據設計規定的彎曲韌度通過實驗確定鋼纖維的型號和摻量后，在施工中只要檢驗鋼纖維噴射混凝土的厚度和鋼纖維的型號，摻量就能達到質量控制的目的。

　　目前采用韌度設計的鋼纖維噴射混凝土在國內的鐵路和公路隧道及水電站地下工程中都已經有所應用，[7]并且逐步成為一種趨勢，鐵路隧道中，圍巖條件較好的工程中鋼纖維噴射混凝土作為永久支護已經積累了相當經驗(秦嶺鐵路)，并且逐步推廣到圍巖條件較差的項目中去。其實，由于鋼纖維噴射混凝土的韌度，使襯砌具有“吸收”圍巖變形的能力。因此，在變形顯著的軟弱圍巖中，鋼纖維噴射混凝土更是一種理想的支護材料。在公路隧道中鋼纖維噴射混凝土已經用于軟弱圍巖的初期支護(大保公路)，而在水電站項目中，鋼纖維噴射混凝土已有在巖爆條件的地下硐室永久支護的成功經驗(二灘電站)。

　　表5.1佳密克絲鋼纖維噴射混凝土工程部分應用實例

　　6. 鋼纖維噴射混凝土的施工

　　從原則上而言，鋼纖維噴射混凝土不需要改變任何工藝，噴射混凝土所使用的常規設備都適用于鋼纖維噴射混凝土。

　　鋼纖維噴射混凝土既適用于干噴，也適用于濕噴，但是由于干噴的回彈大，對鋼纖維噴射混凝土而言，很不經濟，一般推薦采用濕噴工藝。

　　目前， 國內已經有自主生產的濕噴機，液態速凝劑和硅粉也得到了更多的使用，這些都有助于鋼纖維濕噴工藝的推廣。

　　7. 結語

　　鋼纖維噴射混凝土作為一種新型的支護材料，施工簡單，速經濟，有相當的優勢，目前在國內的地下工程中已經有成功的經驗，相信隨著工程人員的努力，鋼纖維噴射混凝土技術會在我國的地下工程中得到更廣泛的使用。

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