| 4.2、喷射混凝土的室内试验钢纤维在掺入前的混凝土称为基体混凝土，钢纤维混凝土要满足设计要求的强度，其基体混凝土的强度必须首先满足，方能保证作为支护材料强度的需要。为此，需要进行基体混凝土的配合比设计，再掺入不同掺量的钢纤维，并调整用水量和砂率，使混凝土的坍落度满足喷射施工的要求。然后选项用能满足强度要求的几个不同掺量的钢纤维配合比，用于现场试喷并同时取样进行各种力学指标的试验，选择能满足抗弯强度和抗拉强度要求的配合比，作为C25～C30钢纤维喷射混凝土的施工配合比。
喷射混凝土的室内试验参考普通混凝土的试验方法，确定混凝土拌各物的坍落度按12±2cm控制，试拌时先将材料投入强制式拌各机干拌30s，再加入水减水剂搅拌120s卸出，待测定坍落度等指标后加入速凝剂人工快速翻拌30s，装入100立方体试模内，放在1m2振动台上振动60s成型。
4.3、钢纤维喷射混凝土配合比的正交实验设计根据参考文献和现场试喷工艺，初步确定了影响钢纤维喷射混凝土强度的主要因素为硅灰掺量、砂率、用水量和水泥用量，采用四因素四水平正交设计实验方法，按规定的试验条件进行试验，测出不同编号试验所得产品的试验指标。钢纤维喷射混凝土采用正交实验设计（四因素四水平44），各因素水平表如表5、表6和表7所示。
表5、正交实验设计安排
| 硅灰kg/ m3 |
砂率kg/ m3 |
用水量kg/ m3 |
水泥kg/ m3 |
| 0 |
0.50 |
180 |
405 |
| 10 |
0.52 |
190 |
410 |
| 20 |
0.54 |
200 |
415 |
| 30 |
0.56 |
210 |
420 |
表6、正交设计实验编号
| 序号 |
硅灰 |
砂率 |
水泥用量 |
用水量 |
| P1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| P2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
| P3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
| P4 |
1 |
4 |
4 |
4 |
| P5 |
2 |
1 |
2 |
3 |
| P6 |
2 |
2 |
1 |
4 |
| P7 |
2 |
3 |
4 |
1 |
| P8 |
2 |
4 |
3 |
2 |
| P9 |
3 |
1 |
3 |
2 |
| P10 |
3 |
2 |
4 |
4 |
| P11 |
3 |
3 |
1 |
3 |
| P12 |
3 |
4 |
2 |
1 |
| P13 |
4 |
1 |
4 |
2 |
| P14 |
4 |
2 |
3 |
1 |
| P15 |
4 |
3 |
2 |
4 |
| P16 |
4 |
4 |
1 |
3 |
表7、钢纤维喷射混凝土配合比正交设计(kg/m3)
| 序号 |
硅灰 |
砂率 |
水泥用量 |
用水量 |
减水剂 |
速凝剂 |
| P1 |
0 |
0.50 |
405 |
180 |
1% |
3% |
| P2 |
0 |
0.52 |
410 |
190 |
1% |
3% |
| P3 |
0 |
0.54 |
415 |
200 |
1% |
3% |
| P4 |
0 |
0.56 |
420 |
210 |
1% |
3% |
| P5 |
10 |
0.50 |
410 |
200 |
1% |
3% |
| P6 |
10 |
0.52 |
405 |
210 |
1% |
3% |
| P7 |
10 |
0.54 |
420 |
180 |
1% |
3% |
| P8 |
10 |
0.56 |
415 |
190 |
1% |
3% |
| P9 |
20 |
0.50 |
415 |
190 |
1% |
3% |
| P10 |
20 |
0.52 |
420 |
210 |
1% |
3% |
| P11 |
20 |
0.54 |
405 |
200 |
1% |
3% |
| P12 |
20 |
0.56 |
410 |
180 |
1% |
3% |
| P13 |
30 |
0.50 |
420 |
190 |
1% |
3% |
| P14 |
30 |
0.52 |
415 |
180 |
1% |
3% |
| P15 |
30 |
0.54 |
410 |
210 |
1% |
3% |
| P16 |
30 |
0.56 |
405 |
200 |
1% |
3% |
正交设计实验安排从12月2号开始，每天一组，测试项目有测试参数：凝结时间、坍落度、扩展度、泌水率、含气量；抗压强度（1d、28d）、劈裂抗拉强度（1d、28d）、抗折强度（1d、28d）、混凝土收缩（1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d）、混凝土抗渗（28d）、抗裂性能，目前钢纤维喷射混凝土的力学性能都已齐全。
4.4、钢纤维喷射混凝土正交实验结果分析依正交实验设计，喷射钢纤维混凝土的正交实验结果如下表所示。
表8、正交实验钢纤维喷射混凝土28天抗压强度实验结果
| 序号 |
硅灰 |
砂率 |
水泥用量 |
用水量 |
抗压强度(MPa) 28d |
| P1 |
0 |
0.50 |
405 |
180 |
27.0 |
| P2 |
0 |
0.52 |
410 |
190 |
26.7 |
| P3 |
0 |
0.54 |
415 |
200 |
26.1 |
| P4 |
0 |
0.56 |
420 |
210 |
25.2 |
| P5 |
10 |
0.50 |
410 |
200 |
28.3 |
| P6 |
10 |
0.52 |
405 |
210 |
27.8 |
| P7 |
10 |
0.54 |
420 |
180 |
31.6 |
| P8 |
10 |
0.56 |
415 |
190 |
29.7 |
| P9 |
20 |
0.50 |
415 |
190 |
32.4 |
| P10 |
20 |
0.52 |
420 |
210 |
28.5 |
| P11 |
20 |
0.54 |
405 |
200 |
29.1 |
| P12 |
20 |
0.56 |
410 |
180 |
33.1 |
| P13 |
30 |
0.50 |
420 |
190 |
34.2 |
| P14 |
30 |
0.52 |
415 |
180 |
35.5 |
| P15 |
30 |
0.54 |
410 |
210 |
28.9 |
| P16 |
30 |
0.56 |
405 |
200 |
30.8 |
4.4.1、各因素极差的计算 (第j列)=第j列中数字“i”对应的指标之和；
 (第j列)=  ；
 （第j列）=第j列中的 、 ……中最大的减去最小的差
根据表8试验结果，计算, 和见表9。
表9、,和计算结果
| 序号 |
A |
B |
C |
D |
28天抗压强度（MPa） |
| 1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
27.0 |
| 2 |
1 |
2 |
2 |
2 |
26.7 |
| 3 |
1 |
3 |
3 |
3 |
26.1 |
| 4 |
1 |
4 |
4 |
4 |
25.2 |
| 5 |
2 |
1 |
2 |
3 |
28.3 |
| 6 |
2 |
2 |
1 |
4 |
27.8 |
| 7 |
2 |
3 |
4 |
1 |
31.6 |
| 8 |
2 |
4 |
3 |
2 |
29.7 |
| 9 |
3 |
1 |
3 |
2 |
32.4 |
| 10 |
3 |
2 |
4 |
4 |
28.5 |
| 11 |
3 |
3 |
1 |
3 |
29.1 |
| 12 |
3 |
4 |
2 |
1 |
33.1 |
| 13 |
4 |
1 |
4 |
2 |
34.2 |
| 14 |
4 |
2 |
3 |
1 |
35.5 |
| 15 |
4 |
3 |
2 |
4 |
28.9 |
| 16 |
4 |
4 |
1 |
3 |
30.8 |
| K1 |
105 |
121.9 |
114.7 |
127.2 |
|
| K2 |
117.4 |
118.5 |
117 |
123 |
| K3 |
123.1 |
115.7 |
123.7 |
114.3 |
| K4 |
129.4 |
118.8 |
119.5 |
110.4 |
| k1 |
26.25 |
30.48 |
28.68 |
31.8 |
| k2 |
29.35 |
29.63 |
29.25 |
30.75 |
| k3 |
30.78 |
28.93 |
30.93 |
28.58 |
| k4 |
32.35 |
29.70 |
29.88 |
27.6 |
| 极差R |
|
1.55 |
2.25 |
4.2 |
|
|
|
A>D>C>B |
|
| 优水平 |
|
|
|
|
|
| 优组合 |
A4B1C3D1 |
|
由正交实验结果可知，根据极差大小，判断因素的主次影响顺序。R越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。由以上分析可见，因素影响主次顺序为A- D - C - B，A因素影响最大，为主要因素，B因素为不重要因素。故对钢纤维喷射混凝土而言，硅灰掺量是主要因素，其次是用水量，再者为水泥用量，最后为砂率。根据各因素各水平的平均值确定优水平，进而选出优组合。本次正交实验钢纤维喷射混凝土配合比确定的最优组合为A4B1C3D1，即硅灰的掺量30kg/m3、砂率为0.5、水泥用量为415kg/m3、用水量为180kg/m3。
5、钢纤维喷射混凝土的耐久性能试验5．1、抗渗性能实验
抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。抗渗性能测试主要测定钢纤维喷射混凝土的抗渗标号，抗渗试件以6个为一组。试模为175mm（底面直径）×185mm（底面直径）×150mm（高度），一般以每组6个试件中有4个试件未渗水时的最大水压力计算，表10是钢纤维喷射混凝土正交实验的抗渗性能及抗渗等级。
表10、 钢纤维喷射混凝土的抗渗等级
| 序号 |
28天抗压强度（MPa） |
抗渗等级 |
| 1 |
27.0 |
P6 |
| 2 |
26.7 |
P6 |
| 3 |
26.1 |
P6 |
| 4 |
25.2 |
P6 |
| 5 |
28.3 |
P6 |
| 6 |
27.8 |
P6 |
| 7 |
31.6 |
P8 |
| 8 |
29.7 |
P8 |
| 9 |
32.4 |
P8 |
| 10 |
28.5 |
P6 |
| 11 |
29.1 |
P8 |
| 12 |
33.1 |
P8 |
| 13 |
34.2 |
P8 |
| 14 |
35.5 |
P8 |
| 15 |
28.9 |
P8 |
| 16 |
30.8 |
P8 |
5．2、收缩实验
主要测试钢纤维喷射混凝土试件在规定的温湿度条件下，不受外力所引起的长度变化。测试收缩时以100mmх100mmх515mm的棱柱体试件为标准化试件，试件在3d龄期从标准养护室取出并立即移入恒温恒室测定其初始长度，此后至少应按以下规定的时间间隔测量其变形读数；1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d。钢纤维喷射混凝土的收缩值如表11所示。
表11、钢纤维喷射混凝土的抗渗等级
| 序号 |
钢纤维喷射混凝土的收缩值（10*10-6mm） |
| 1d |
3d |
7d |
14d |
28d |
45d |
60d |
| 1 |
5 |
27 |
68 |
116 |
136 |
165 |
182 |
| 2 |
4 |
25 |
66 |
125 |
142 |
160 |
190 |
| 3 |
4 |
29 |
72 |
118 |
133 |
170 |
188 |
| 4 |
7 |
30 |
74 |
119 |
145 |
172 |
190 |
| 5 |
9 |
34 |
71 |
112 |
142 |
177 |
192 |
| 6 |
3 |
37 |
71 |
124 |
147 |
172 |
186 |
| 7 |
3 |
34 |
73 |
125 |
138 |
168 |
184 |
| 8 |
6 |
28 |
70 |
123 |
132 |
164 |
193 |
| 9 |
5 |
24 |
66 |
115 |
139 |
171 |
182 |
| 10 |
4 |
22 |
64 |
114 |
134 |
165 |
180 |
| 11 |
5 |
24 |
69 |
117 |
133 |
159 |
185 |
| 12 |
8 |
31 |
74 |
118 |
141 |
168 |
193 |
| 13 |
6 |
28 |
66 |
112 |
135 |
166 |
195 |
| 14 |
4 |
24 |
63 |
111 |
129 |
158 |
184 |
| 15 |
8 |
36 |
76 |
128 |
145 |
173 |
196 |
| 16 |
7 |
24 |
67 |
124 |
139 |
173 |
188 |
6．现场钢纤维喷射混凝土的施工喷射混凝土是以压缩空气作动力使混合料相互冲击而密实，与室内试验的振动密实情况有所不同，掺入钢纤维后也比普通混凝土难以喷射。所以，钢纤维喷射混凝土的配合比必须通过混合料的拌和工艺、喷射工艺，以及喷射成型的钢纤维混凝土的力学性能等试验结果来最终确定，这是现场试喷的意义。论文大全。拌和工艺试验的目的是要求拌和的混凝土外观均匀，钢纤维无结团现象；喷射工艺试验的目的是检验不同掺量的钢纤维喷射混凝土能否喷射，并能满足施工速度的要求。
6.1、喷射前的准备工作（1）喷射作业前，应认真清除作业面墙脚或边坡底部的岩渣和回弹物料，以防止边墙或边坡混凝土喷层出现失脚现象。喷层失脚，对穿过遇水膨胀或易潮解岩层或土层中的工程，会产生严重的不良后果。有的则产生岩层膨胀和喷层脱落，使支护结构逐步破坏。因此，喷射作业前，必须将墙脚或边坡底部的浮石、岩渣和其他堆积物清除干净，以确保全部作业面均被喷射混凝土覆盖。
（2）对于光滑岩面，必要时进行凿毛，以保证喷射混凝土与岩面的粘结强度；对于特别突出的、应力集中的岩面，应进行凿除，以保证受力均衡。
（3）工作台架应塔设牢固，并配有安全栏杆，其宽度为2.0m左右，距作业面的距离应为0.5～1.0m左右，以保证喷射作业方便灵活和安全。
（4）喷射作业前，应用高压风水清洗受喷面，是为了喷射混凝土与受喷面粘结牢固，保证喷射混凝土的地层良好的共同工作。
（5）喷层厚度，是评价喷射混凝土支护工程质量的主要因素之一。实际工程中，往往发生因喷层过薄而引起混凝土开裂、离鼓和剥落现象。因此，施工中必须控制好喷层厚度。一般可利用外露于洞壁的锚杆尾端，或埋设标桩等方法来控制喷射混凝土厚度，也可在施工中用插杆子的办法随时检查喷层厚度。
6.2、喷射作业（1）为避免喷射司机操作失误，以防止混合料在输料管内积聚而造成堵塞。
（2）喷射速度是影响喷射混凝土质量和回弹率的重要原因之一。当喷头处的工作风压为0.1MPa左右时，在其他影响因素符合规定的时候，喷射混凝土回弹率较小，强度较高，粉尘浓度较低。当风压过小，即喷射速度太小时，则由于喷射冲击小，粗骨料不容易嵌入新鲜混凝土中，则回弹值高，也影响喷射混凝土的强度；当风压过大，即喷射冲击力大时，回弹率也高，也会使粉尘浓度增大。论文大全。
（3）喷射作业完毕，如果残留在喷射机中的混合料结块，就会影响以后喷射机的正常使用，喷射作业过程中的震动会使粘结在喷射机中的水泥块掉落，造成堵管。因此，要求在喷射作业结束后，将喷射机中的积料清除干净是十分必要的。
（4）喷射手应经常保持喷头具有良好的工作状态，主要是指水环出水眼的畅通和喷头各部件之间良好的密封，使之不漏水，从而保证干混合料在喷头处与水得到均匀地混合。
（5）当喷头与受喷面垂直，喷头与受喷面的距离保持在0.6～1.00mm的情况下进行喷射作业时，粗骨料易嵌入塑性砂浆层中。喷射冲击力适宜，表现为一次喷射厚度大，回弹率低，粉尘浓度小。
6.3、“水泥裹砂”、“水泥裹石”喷射混凝土施工为提高喷射混凝土强度，改善混凝土质量，降低水泥用量，可采用“水泥裹砂”、“水泥裹石”新工艺，其工艺流程如下：
图23、“水泥裹砂”、“水泥裹石”新工艺流程
（1）水泥、砂子分别处理，去除杂质；
（2）砂子、石子按比例混合后，用水浸湿表面，搅拌2min；
（3）先加水泥搅拌1～2min，再加水搅拌均匀。由于砂子、石子表面湿润，先粘附了一层水泥，使砂子、石子变成了稠浆料壳体，此即为“水泥裹砂”和“水泥裹石”法。这种水泥包裹的砂子、石子壳体，构成了混凝土的骨架，当进一步加水形成稀浆时，水的移动受到约束，可显著减少渗水，同时，稠浆料壳体增大了与岩壁的附着力，阻止了骨料回弹，离析现象在为减少，粉尘也随之减少。
（4）水泥裹砂法的造壳用水量是根据造壳水灰比确定的。在无试验资料论证的情况下，造壳水灰比可取0.25，用裹砂砂浆内的水泥重量乘以造壳水灰比即为造壳用水量。
6.4、影响喷射混凝土回弹率的因素（1）输料管距离
喷射混凝土时，干料从喷浆机进入输料管后通过风压的作用力，将混凝土干料输送到喷头与水充分混合喷敷在岩壁上。在输送混凝土干料过程中，风压在管内截面上的力是每点都相同的，而混凝土干料中水泥、砂、石的比重不同，因而水泥、砂、石在管道内活动的范围和状态就不一样。这样就会使原来搅拌均匀的混凝土干料又重新分离开，管路越长，风压对混凝土干料产生的作用力时间也就越长，混凝土干料分离现象也就越严重。为降低回弹率，减少管道效应就应根据巷道内坡度选择好输料管的距离。
（2）工作风压
工作风压是喷射混凝土施工中一个非常重要的工艺参数，对回弹率、粉尘浓度有很大的影响。为降低回弹率，减小粉尘浓度，我们在施工中就要把工作风压调整为最佳值。实践证明：
1）当喷头工作风压小于0.04MPa时，料束出喷头后呈平抛运动。使料束与岩壁斜交相遇产生料束反射现象。使混凝土产生大量的回弹物，喷敷在岩壁上的混凝土也是灰浆多，骨料少，强度达不到工程的要求，并且在喷射过程中管路易堵。
2）当喷头的工作风压大于0.1MPa时，料束出喷头后，虽然成直线运动，但速度快，冲击大，反作用力也大，使混凝土遇到岩壁反弹下来，喷到岩壁上的混凝土部分又被风流冲掉。
（3）喷射手的操作
操作水平也是影响喷射混凝土质量、回弹率高的主要原因。当前，光爆锚喷技术早已被广泛应用和掌握，已经成为常规的施工方法，但是由于从业人员流动性大，技术培训跟不上；加上人们对操作堆积执行不好，认识不高，严重影响了喷射混凝土的质量。喷头操作是直接关系到回弹率高低的一个环节。
1）喷头垂直岩壁的必要性
喷头的操作是提高喷碹质量，降低回弹率和粉尘浓度的关键。当喷头口与岩壁保持垂直时，回弹率是很低的，一般可降到6%～9%。
2）喷头旋转移动的作用
喷头旋转移动也是减少回弹率不可减少的措施之一。喷头旋转运动，可降低管道效应，从而大大地降低了回弹率，保证了喷射混凝土的工程质量。
7．小结：
对现有各种工程应用中的钢纤维喷射混凝土配合比进行详细分析，确定影响钢纤维喷射混凝土强度的主要因素为:硅灰掺量、砂率、用水量和水泥用量，采用四因素四水平正交设计实验方法，按规定的试验条件进行试验，测出不同编号试验所得产品的试验指标。虽然室内试验工作量大，选择范围也大，但现场试验工作量小，具有干扰施工小的特点，并提出了“水泥裹砂”、“水泥裹石”新工艺技术，增大了与岩壁的附着力，阻止了骨料回弹，不光离析现象大大减少，粉尘也随之减少。
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