钢纤维喷射混凝土配合比试验优化研究(图文)

论文导读：提出相应的临时性和永久性支护的钢纤维喷射混凝土的强度等级。对实验室的钢纤维喷射混凝土各种力学性能和耐久性能测试。钢纤维喷射混凝土配合比设计钢纤维喷射混凝土是在普通喷射混凝土基础上加入钢纤维混合而成。此即为“水泥裹砂”和“水泥裹石”法。并提出了“水泥裹砂”、“水泥裹石”新工艺技术。
关键词：钢纤维喷射混凝土，配合比设计，耐久性能，“水泥裹砂”，“水泥裹石”
 

1．论文的目的和意义1.1本论文的研究目的：

1.1.1根据对各类围岩调查与分级，提出相应的临时性和永久性支护的钢纤维喷射混凝土的强度等级。

1.1.2通过一系列的室内试验和现场试喷试验来确定钢纤维的加入量和钢纤维混凝土的配合比。使其既能满足设计的各项指标要求，又能满足易于喷射施工的要求。

1.1.3对实验室的钢纤维喷射混凝土各种力学性能和耐久性能测试，为现场锚喷支护工艺的安全性和耐久性做出评价。

1.2本论文的研究意义:

钢纤维喷射混凝土是通过管道输送装置在高压作用下将掺入钢纤维的混凝土拌合物高速喷射到施工作业面的一项技术。钢纤维喷射混凝土首次于1973年在美国爱达州得到应用，其后，将其成功应用于隧道衬垫、斜坡稳定、涵洞、水库等其他结构工程。70年代，钢纤维作为一种新工艺是为了加固喷混凝土衬砌,它最显著的特点是大大降低了过去那种繁重耗时的钢筋网制作，而代之以机械化的连续的喷射混凝土施工。70年代末，瑞典曾对钢纤维喷射混凝土的加固作用进行了大规模的试验研究,包括钢纤维喷射混凝土加固与钢筋网喷混凝土加固效果的比较。70年代后期和80年代初期，加拿大广泛开展了钢纤维喷射混凝土工艺的应用和研究，并将干拌法钢纤维喷射混凝土工艺成功应用于岩石加固措施中。钢纤维混凝土是用一定量乱向分布的钢纤维增强的以水泥为粘结料的混凝土，属于一种新型的复合材料。由于其抗裂性特强、韧性很大、抗冲击与耐疲劳强度高、抗拉与抗弯强度高，广泛应用于道路、机场、桥梁、水工、港口、铁路、矿山、隧道、军事及工民建等工程领域。如佳密克丝钢纤维混凝土在国外的应用[1]及在大朝山水电站的应用[2]，及在江口水电站地下洞室支护中的应用[3]，1978年,上海市政工程研究所等单位对钢纤维混凝土进行了研究,并把它运用于城市的铺装路面工程取得了一定成果[4]。1982年9月,铁道部专业设计院和原武汉局共同协作,在襄渝线青徽铺隧道病害整治中,用钢纤维喷射混凝土加固隧道裂损拱圈的试验,初步取得成功[4]。1984年梅山铁矿在采用素喷射混凝土失败后改用钢纤维喷射混凝土加固巷道,也取得了成功[4]。

2 钢纤维喷射混凝土原材料、检测方法及结果2.1、混凝土的标号及原材料的选择2.1.1、混凝土的标号混凝土的设计标号为250号和300号,即C25和C30。

2.1.2、原材料的选择钢纤维喷射混凝土的原材料包括钢纤维和其他原材料：水泥、水、骨料、外加剂以及混合材料。

（1）水泥:选用产量大、质量稳定、早期强度较高的天宇水泥厂生产的P.O 42.5级水泥。

（2）硅灰：选用挪威埃肯硅灰公司生产的比表面积为645m2/g。减少混凝土干缩和徐变，降低水化热,减少喷射混凝土的回弹，提高混凝土的后期强度。

（3）钢纤维:钢纤维的类型对加固效果有着很大的影响,为达到较好的加固效果,通过钢纤维喷射混凝土试验，采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的CW03-05/30-600和CW-05/30-1000型钢纤维，两端弯曲。长度在30mm，直径在0.50 mm，长径比为60。抗拉强度为600和1000 MPa。所用钢纤维符合美国标准ASTMA820的要求。

（4）骨料:用于喷射混凝土的骨料应有良好颗粒级配。

（5）速凝剂:选用湖北大冶 JS-2型高效速凝剂,减少回弹防止砼脱落。

（6）抗渗剂和高效减水剂：选用蒙城生产的UEA低碱型高效减水剂（聚羧酸系），减少收缩和回弹,降低水灰比。

3．钢纤维喷射混凝土速凝剂掺量的选择喷射混凝土为浇筑和振捣合一的施工工艺，不需要模板，能在临空或狭小工作面上制成薄壁结构，是地下工程和岩石支护工程中的一项重要措施。论文大全。由于使用湿喷工艺和速凝剂时作业环境好、混凝土裂缝少、表面质量好、混凝土性能可以同不掺速凝剂混凝土一样正常发展，因而掺速凝剂湿喷工艺的应用越来越多，成为喷射混凝土的发展方向。

3.1、速凝剂的实验方法我国行业标准《喷射混凝土用速凝剂》（JC477-2005）提出的速凝剂试验方法为：先将400g水泥与计算加水160ml搅拌到均匀后，再按推荐掺量加入速凝剂，迅速搅拌25～30s，立即装入圆模，人工振动数次，削去多余水泥浆，并用洁净的刀修平表面。从加入液体速凝剂算起操作时间不应超过50s。用此方法测得的速凝剂初凝时间不大于5分钟，终凝时间不大于12分钟。

3.2、速凝剂对水泥砂浆凝结时间的影响按照锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001），JS-2型高效速凝剂掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%，分别测试水泥净浆的初凝时间、终凝时间和28天抗压强度和砂浆抗裂性，表7为JS-2型高效速凝剂的掺量与水泥凝结时间的关系。

表1、速凝剂的掺量与水泥凝结时间

从表1可以看出，随着速凝剂掺量的增加，水泥净浆初凝时间和终凝时间缩短，当速凝剂的掺量为3%、4%、5%时，初凝时间和终凝时间都满足国家标准要求，故可作为钢纤维喷射混凝土所用外加剂。

3.3、速凝剂掺量对水泥胶砂抗压强度的影响采用P.O42.5万年青普通硅酸盐水泥,减水剂的掺量为0.6%，胶砂强度试验水灰比为0.52、胶砂比为1：2.5(ISO标准砂)。将水泥砂浆在胶砂搅拌机中搅拌3min后加入速凝剂（按1%、2%、3%、4%、5%掺量）再搅拌30s成型试件。速凝剂的掺量对水泥抗压强度的影响如表8所示。

表2、速凝剂掺量对水泥胶砂抗压强度的影响

从表2的结果可以看出来，随着速凝剂掺量的增加，水泥胶砂早期（1d）抗压强度有所提高，而后期（28d）龄期抗压强度随掺量的增加而逐渐下降。

3.4、速凝剂对砂浆抗裂性的影响掺速凝剂砂浆抗裂性试验是浆一定配合比的砂浆装入抗裂圆环中，将成型的圆环试件放置在水泥恒温养护箱中养护24h，脱模后移入干缩室（控制温度20℃±2℃、相对湿度60%±5℃），观测其开始出现裂缝的时间、开裂后48小时的裂缝数量和最大裂缝宽度，用来相对比较各种速凝剂抗裂性能。水泥胶砂水灰比为0.5、胶砂比为1：2.0(ISO标准砂)，减水剂掺量为0.6%。分别掺入3%、5%速凝剂砂浆抗裂性能如表3所示。

表3、掺速凝剂水泥砂浆抗裂性试验结果

从表3可以看出，3%掺量速凝剂试件初始开裂时间长，达到120h，每个试件只有1条裂缝，而5%掺量速凝剂试件初始开裂时间短，只有8个小时，试件裂缝数量则多于3%掺量速凝剂试件，达到7条之多。两种速凝剂开裂后48h最大裂缝宽度虽然相当，但5%掺量速凝剂试件裂缝数量多，总裂缝宽度相应要大。

按照锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001），初凝时间应不大于5分钟，终凝时间也不大于10分钟，JS-2型高效速凝剂掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%，综合考虑初凝时间、终凝时间和28天抗压强度、抗裂性能，得出钢纤维喷射混凝土JS-2高效速凝剂的掺量为3%。

4．钢纤维喷射混凝土配合比设计钢纤维喷射混凝土是在普通喷射混凝土基础上加入钢纤维混合而成，是一种新型的复合衬砌材料。与普通的喷射混凝土相比，钢纤维喷射混凝土能够改善混凝土的力学性能和提高混凝土的韧性，但必须保证混凝土中有足够数量的钢纤维含量。因此，钢纤维的加入量的多少和钢纤维混凝土的配合比，必须通过一系列的室内试验和现场试喷试验来确定。使其既能满足设计的各项指标要求，又能满足易于喷射施工的要求。通过分析比较，C25～C30钢纤维喷射混凝土决定采用湿喷法施工和双掺技术（掺减水剂和硅灰），其配合比设计通过：速凝剂和减水剂、粉煤灰、水泥相容性试验；基体混凝土（不含钢纤维）性能的室内试验；不同钢纤维品种、掺量的混凝土性能室内试验；现场喷射混凝土的试验等试验成果，综合分析确定钢纤维喷射混凝土施工配合比。该优选配合比方案，虽室内试验工作量大，选择范围也大，现场试验工作量小，具有干扰施工小的特点。

4.1、原材料各参数的确定（1）粗集料最大粒径的选择

粗集料的最大粒径不得大于喷射系统输料管道最小截面直径的1/3～2/5，亦不宜超过一次喷射厚度的1/3。由于工地使用的喷射机输科管内径为Dmm（50mm），因此粗集料的最大粒径D/3(16mm)。一般喷射混凝土粗骨料连续级配，直径最好小于10mm。

（2）砂率的确定

（3）水泥用量的选择

1）水泥标号检验

表4、砂率和水泥标号

2）水泥用量的计算

（4)速凝剂的用量的计算

（5)水灰比的计算

（6）用水量的计算

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