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        塑鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

        2023-12-13 01:24:56柴榮山CHAIRongshan孔二偉KONGErwei叢凱CONGKai倪效學(xué)NIXiaoxue
        價(jià)值工程 2023年33期
        關(guān)鍵詞:塑鋼鋼纖維力學(xué)性能

        柴榮山 CHAI Rong-shan;孔二偉 KONG Er-wei;叢凱 CONG Kai;倪效學(xué) NI Xiao-xue

        (山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,濟(jì)南 250014)

        0 引言

        隨著我國(guó)大規(guī)模隧道工程的建設(shè),噴射混凝土作為新奧法施工中必不可少的技術(shù)手段,應(yīng)用十分廣泛。普通的噴射混凝土凝結(jié)硬化后為脆性材料,只能承受壓力,抗拉、抗彎、抗剪和抗折能力很弱,造成大量噴層開(kāi)裂,嚴(yán)重影響圍巖整體穩(wěn)定性,給硐室安全帶來(lái)隱患。尤其在破碎圍巖的硐室中,普通噴射混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重[1-2]。

        20世紀(jì)70年代,提出鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌的新技術(shù),并進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)研究[3-6]。隨后,由于新型合成纖維的大力開(kāi)發(fā),使得纖維噴射混凝土有了較大的進(jìn)展。目前纖維類(lèi)型主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維和芳綸纖維等[7-11]。在噴射混凝土應(yīng)用中,鋼纖維使用最早,從理論到試驗(yàn)都相對(duì)成熟,但存在噴射施工中不易攪拌、回彈量大、易銹蝕等問(wèn)題;玻璃纖維性脆,其中含有的二氧化硅成分易與噴射混凝土外加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng);聚丙烯單絲纖維和聚乙烯醇纖維(PVA)分散性不好,施工時(shí)易結(jié)團(tuán),不能均勻的混合在拌合料中;碳纖維和芳綸纖維造價(jià)太高。

        因此,提出一種新型塑鋼纖維,它是由聚丙烯單絲纖維與纖維網(wǎng)混合而成的高強(qiáng)度復(fù)合纖維,具有耐腐蝕、易分散、強(qiáng)度高、不損害拌合設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)塑鋼纖維混凝土開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn),得出不同摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,并通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn),對(duì)塑鋼纖維噴射混凝土試驗(yàn)段的隧道周邊收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析,研究塑鋼纖維噴射混凝土對(duì)圍巖的支護(hù)作用。塑鋼纖維噴射混凝土具有良好的韌性和抗彎拉性能,在圍巖支護(hù)中,起到讓壓卸載作用,減少?lài)妼娱_(kāi)裂,為塑鋼纖維噴射混凝土在破碎圍巖或軟弱圍巖隧道支護(hù)中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

        1 塑鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

        1.1 試驗(yàn)材料

        ①水泥。

        水泥選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥,密度為3.1g/cm3,其凝結(jié)時(shí)間、抗壓抗折強(qiáng)度、細(xì)度均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

        ②骨料。

        粗骨料:選用5~10mm的碎石。

        細(xì)骨料:選用清洗過(guò)的河沙,表觀密度為2.58g/cm3,細(xì)度模數(shù)為2.8。

        ③塑鋼纖維。

        塑鋼纖維也稱(chēng)仿鋼纖維或聚丙烯粗纖維,表面粗糙、凹凸不平、截面形狀及比表面積和鋼纖維相似,其各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

        表1 塑鋼纖維性能參數(shù)

        ④減水劑:采用聚羧酸高效減水劑,摻量為水泥質(zhì)量的1%。

        ⑤速凝劑:使用液態(tài)速凝劑,摻量為水泥質(zhì)量的4%~6%。

        1.2 試驗(yàn)過(guò)程

        試驗(yàn)主要研究不同摻量塑鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,纖維摻量設(shè)計(jì)為每方混凝土2kg、4kg、6kg和8kg,相當(dāng)于體積摻量分別為0.21%、0.42%、0.63%和0.84%。塑鋼纖維混凝土力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

        依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際C25噴射混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì),水泥、砂子、石子和水的質(zhì)量比C∶S∶G∶W=1∶2.2∶2∶0.45,水泥質(zhì)量450kg/m3、砂子990kg/m3、石子900kg/m3、水202.5kg/m3,砂率為52.4%,水灰比為0.45。

        試驗(yàn)按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(CECS 13:2009)進(jìn)行試驗(yàn),抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)采用型號(hào)為YAW-2000的微機(jī)控制全自動(dòng)混凝土壓力試驗(yàn)機(jī),試件選用150mm×150mm×150mm的立方體塊,加載速率為0.5~2mm/min;抗彎試驗(yàn)采用四分點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)儀器為WE-300B型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試件選用150mm×150mm×600mm的小梁,加荷速度取每秒0.03~0.06MPa。

        1.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        1.3.1 塑鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

        每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維,在相同混凝土配比情況下,分別測(cè)定7d和28d的抗壓強(qiáng)度,如圖1所示。

        圖1 塑鋼纖維不同摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度

        由圖1所示,塑鋼纖維摻量在2kg時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度比不摻纖維時(shí)反而降低。考慮到少量纖維的摻入,纖維分散于基體之間,造成空隙和裂縫,反而降低混凝土的整體性和密實(shí)性,因此造成混凝土強(qiáng)度降低。摻量在4kg時(shí),隨著摻量的增加,抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),是因?yàn)樗茕摾w維在基體開(kāi)裂中起到橋連作用,但整體強(qiáng)度提高不明顯。不摻纖維時(shí),混凝土28d強(qiáng)度為41.8MPa,每方混凝土摻入8kg纖維時(shí),混凝土28d強(qiáng)度為46.2MPa,強(qiáng)度提高10.5%。塑鋼纖維混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

        1.3.2 塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

        每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維,在相同混凝土配比情況下,分別測(cè)定7d和28d的劈裂抗壓強(qiáng)度,如圖2所示。

        圖2 塑鋼纖維不同摻量下混凝土劈裂抗壓強(qiáng)度

        由圖2可知,塑鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大。不摻纖維時(shí),28d劈裂抗拉強(qiáng)度為3.4MPa,每方混凝土摻入8kg纖維時(shí),28d劈裂抗拉強(qiáng)度為5.8MPa,強(qiáng)度提高70.6%。纖維摻量在4kg和6kg時(shí),強(qiáng)度提高幅度較大。摻入6kg時(shí),28d劈裂抗拉強(qiáng)度為5.6 MPa,相對(duì)于空白混凝土試樣,強(qiáng)度提高為64.7%,所以纖維摻量在6kg以上時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度提高不明顯。塑鋼纖維混凝土7d和28d劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

        1.3.3 塑鋼纖維混凝土抗彎強(qiáng)度

        每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維,在相同混凝土配比情況下,測(cè)定28d的抗彎強(qiáng)度,如圖3所示。

        圖3 塑鋼纖維不同下?lián)搅炕炷量箯潖?qiáng)度

        由圖3可知,隨著塑鋼纖維摻量的增大,抗彎強(qiáng)度逐漸增大,每方混凝土摻入8kg塑鋼纖維時(shí)的抗彎強(qiáng)度為4.5MPa,不摻纖維的空白試樣抗彎強(qiáng)度為2.4MPa,抗彎強(qiáng)度提高87.5%。每方混凝土摻入6kg塑鋼纖維時(shí)的抗彎強(qiáng)度為4.3MPa,抗彎強(qiáng)度提高79.2%。表明塑鋼纖維摻量在6kg以上時(shí),混凝土抗彎強(qiáng)度提高不大。

        2 工程應(yīng)用

        2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

        某高速公路隧道隧道左線軸線起止樁號(hào)為ZK40+900~ZK42+510,長(zhǎng)1610.0m,隧道右線軸線起止樁號(hào)為K40+913~K42+511,長(zhǎng)1598.0m,為小凈距隧道,雙向六車(chē)道。隧址區(qū)海拔高程254.2~460.3m,相對(duì)高差約206.1m,整體較陡,隧道最大埋深約128.0m。隧址區(qū)出露和揭露地層為第四系殘坡積層(Q3dl+el)及奧陶系(O)地層,主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r、局部夾泥灰?guī)r。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)由C25噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組成,噴射混凝土厚度為24~28cm。

        2.2 塑鋼纖維混凝土現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)

        按設(shè)計(jì)要求,選擇在左洞Ⅴ級(jí)圍巖處進(jìn)行50m塑鋼纖維噴射混凝土試驗(yàn),并與普通噴射混凝土段進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)塑鋼纖維力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,塑鋼纖維的摻量為每方噴射混凝土6kg。噴射過(guò)程中,進(jìn)行噴大板試驗(yàn),測(cè)定抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度,同時(shí)測(cè)定噴射混凝土回彈率。結(jié)果表明:隧道邊墻回彈率為7.8%,拱頂回彈率為15.6%。測(cè)定塑鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度為29.4MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度為5.3MPa,普通噴射混凝土抗壓強(qiáng)度為26.9MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度為3.2MPa。

        2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

        隧道周邊收斂是測(cè)量隧道表面兩點(diǎn)間的距離變化,收斂曲線結(jié)果如圖4所示。

        圖4 隧道周邊收斂曲線

        從圖4可以看出,塑鋼纖維噴射混凝土隧道周邊收斂較普通噴射混凝土稍大,尤其是在隧道支護(hù)前期,兩者位移相差較大,隨著時(shí)間的增加,兩者位移相差越來(lái)越小,最后都趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,塑鋼纖維噴射混凝土在早期支護(hù)中,能允許隧道有一定的變形,隨著時(shí)間延長(zhǎng),且能有效控制圍巖的收斂變形。隧道在剛開(kāi)挖后,圍巖產(chǎn)生應(yīng)力卸載,此時(shí),應(yīng)適當(dāng)?shù)淖寚鷰r應(yīng)力進(jìn)行釋放,并能及時(shí)提供支護(hù)抗力。當(dāng)圍巖應(yīng)力較大時(shí),對(duì)于施加的普通噴射混凝土,韌性較差,很容易使噴層開(kāi)裂。因此,對(duì)于有較好韌性的塑鋼纖維噴射混凝土,噴射后與圍壓密貼,共同受力變形,能對(duì)圍巖起到有效的支護(hù)作用。

        3 結(jié)論

        ①塑鋼纖維對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度提高不大,但能有效提高噴射混凝土的抗拉和抗彎性能;塑鋼纖維摻量在每方混凝土6kg時(shí),劈裂抗拉強(qiáng)度提高64.7%,抗彎強(qiáng)度提高79.2%。

        ②塑鋼纖維混凝土在噴射時(shí),能有效降低回彈量和粉塵量,邊墻回彈率為7.8%,拱頂回彈率為15.6%。

        ③塑鋼纖維噴射混凝土能起到讓壓卸載的作用,與圍巖密貼,共同受力。由于塑鋼纖維的韌性,在噴射混凝土初期支護(hù)中,與隧道圍巖共同變形,允許開(kāi)挖圍巖應(yīng)力釋放,并能提供支護(hù)抗力,限制圍巖過(guò)度變形。使用塑鋼纖維噴射混凝土,能有效減少?lài)妼娱_(kāi)裂,提高圍巖整體穩(wěn)定性。

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