湿喷钢纤维混凝土在埃塞at71公路隧道工程的应用

湿喷钢纤维混凝土在埃塞AT71公路隧道工程的应用谢亮王兵/埃塞AT-71项目经理部摘要：钢纤维喷射混凝土做永久衬砌，显著改善了混凝土的抗裂性能、延性、韧性及抗冲击性能。本文结合工程实例介绍了M25（C32.5）钢纤维喷射混凝土的配合比设计与施工，通过室内试验和现场喷射大板试验，确定了适合支护要求和喷射施工要求的钢纤维混凝土配合比，并对喷射钢纤维混凝土施工的关键技术做了简要介绍。关键词：埃塞俄比亚；隧洞；湿喷钢纤维混凝土；设计；施工1工程概况AT71公路隧道位于埃塞俄比亚东北部，距离首都亚迪斯180公里，是埃塞连接东北部的一条主要国家一级公路。我项目承建的三条隧道修复工程全长609.1米，其中一号隧道长592米。其拆除断面为直径9．6m的马蹄形，隧道所穿越的地层主要为Ⅴ类围岩，岩体破碎，风化强烈，裂隙较大，节理较发育，原混凝土爆破拆除后，自稳时间短，需要进行即时支护。设计单位考虑围岩情况，采用喷射钢纤维混凝土进行第一次支护，然后采用250×200mm的钢筋网格梁进行第二次临时支护，设计的永久支护为M25（C32.5）钢筋混凝土。2湿喷钢纤维混凝土性能2．1普通喷射混凝土与钢纤维喷射混凝土的比较喷射混凝土是由压缩空气推动混凝土高速喷射到工作面上的施工方法。普通喷射混凝土是一种脆性较高的材料,承受拉应力和应变即出现断裂破坏。钢纤维喷射混凝土是普通喷射在混凝土中掺入分布均匀的且离散的钢纤维,依靠压缩空气高速喷射在结构表面的一种新型复合材料,它显著改善了混凝土的抗裂性能、延性、韧性及抗冲击性能,即使在钢纤维喷射中出现裂缝,结构仍能保持其整体稳定性。喷射钢纤维可以减小阻止混凝土的收缩,其粘结力比普通混凝土好。与普通喷射混凝土一样必须加强养护,才能充分发挥作用,改善其抗疲劳性能,喷射钢纤维混凝土能多次重复荷载的能力。钢纤维喷射混凝土喷射过程、工艺、设备与普通喷射混凝土相同，同时由于采用湿喷工艺而具有较好的施工安全性，施工速度快，经济上也较合理。2．2AT71隧道钢纤维混凝土主要设计指标a)喷射混凝土的混和物应符合下列立方块特征强度：28d后强度为32.5N/mm2以上。b)工作性易于喷射，回弹脱落量少，黏附性较好，湿法喷射砼坍落度宜在80～120mm之间；c)耐久性满足工程需要抗冻性和抗渗性；d)经济性尽量节约水泥；e)强度符合设计要求同时不发生管路堵塞。3湿喷钢纤维混凝土配合比设计3.1主要材料（1）骨料。由于当地缺乏天然骨料，故采用人工骨料。粗骨料最大粒径为10mm，级配良好；细骨料采用细度模数2.86的天然河沙，级配符合规范要求。（2）水泥。水泥选用埃塞麦克雷（MEKELE）水泥厂生产的42.5级O.P.C水泥，强度、安定性、标准稠度、凝结时间等符合B.S.12，B.S.4027，B.S.6588的要求。（3）钢纤维。经过质量对比，采用上海盾坚钢纤维厂生产的针状弯钩形钢纤维，长度25mm，等效直径0．50mm，长径比（L/D）50，抗拉等级为1000级：＞1000MPa。（4）微硅粉。硅粉由极微细的颗粒组成，微硅粉平均粒径在0.15~0.20μm，比表面积为 15000～20000m2/kg，具有极强的表面活性。掺加硅粉后，有效缓解了混凝土的离析现象，减小了喷射过程中堵管的可能性。项目钢纤维喷混凝土使用的是北京中水科海利工程技术有限公司生产的SK-S微硅粉，掺加量为胶凝材料用量的5％。（5）速凝剂。喷射混凝土宜优先采用液体速凝剂或无碱速凝剂，掺速凝剂后的喷射混凝土性能必须满足设计要求，应选用与水泥适应性好、凝结硬化快、28d强度损失少、较低掺量的速凝剂品种。在使用前，应做与水泥的适应性试验及水泥净浆凝结效果试验，初凝不大于5min，终凝不大于10min.应特别注意，在选择水泥品种时，要注意与速凝剂的相容性，如果水泥品种选择不当，不仅可以造成急凝或缓凝、初凝与终凝时间过长等不良现象，而且会增大回弹，影响砼强度增加，甚至造成工程失败。最终工程选用的是北京中水科海利工程技术有限公司生产的SK-R液体速凝剂，用量为水泥用量的6％。（6）减水剂。选用天津市雍阳外加剂厂生产的UNF-5型高效减水剂，用量为水泥用量的0.5%。3.2最佳砂率的选择首先粗、细骨料的混合级配应符合工程师提供的技术规范（TechnicalSpecification）同时应尽量减少粉尘和喷射回弹量，降低喷射砼硬化收缩。由于砂率对喷射砼的稠度和黏聚性影响很大，也影响喷射砼的强度，如表1所示。表1砂率与喷射砼各项特性关系砂率%回弹损失管道堵塞湿喷时回泵性水泥用量砼强度砼收缩小于45大易不好少高较小45-55较小不易较好较少较高较小大于55较小不易好多低大一般粗集料最大粒径越大，其砂率相应越低，另外，砂粒较粗时，砂率可偏大些；砂粒较细时，砂率可偏小些，根据试验可知此次设计用砂Mx=2.86为Ⅱ区中砂，确定Sp=50%。3.3水泥用量与水灰比的确定水泥用量过多（超过500kg/m3），不仅粉尘量增多，而且硬化后强度不一定就增加，反而使砼产生过大的收缩变形，强度降低；水泥过少，回弹增大。水泥用量对喷射混凝土抗压强度的影响，除了砼中起结构骨架作用的骨料太小外，水泥用量较多，拌合物在喷嘴外瞬间混合时，水与水泥颗粒混合不均匀，水化不充分，也是降低喷射砼强度的重要原因之一。水灰比是影响喷射砼强度、耐久性和施工工艺的主要因素，当水灰比为0.30时，水泥不能获得足够的水分与其水化，硬化后有一部分未水化的水泥反而会使砼强度降低，当水灰比为0.60，过量的水分蒸发后，在水泥砼中形成毛细孔，也造成砼强度和抗渗下降，我试验室选用W/C＝0.40、0.45、0.50。在满足坍落度的情况下，初定用水量为220kg/m3。经过试验表明，当水灰比为0.45时，砼强度较高。3.4速凝剂及硅粉的掺量喷射砼中掺加适宜速凝剂，是加速砼凝结硬化，防止砼流淌和脱落，减少砼回弹的重要技术措施之一，但掺速凝剂不是掺量越多越好，大部分速凝剂都会使砼强度下降20%～50%。试验室根据速凝剂的推荐掺量4%～8%进行试验，当喷射混凝土中速凝剂掺量较大时，混凝土凝结硬化过快，造成回弹率增大。因为选择添加速凝剂用量为6%硅粉由于具有极高的活性及确定的填充效应，被广泛用做各类混凝土的掺和料。在喷射混凝土中掺入适量的硅粉，可以改善混凝土的可泵性、粘结强度以及抗碱骨料反应的能力，提高抗渗性及抗硫酸盐能力，减少回弹量。经对比试验表明，硅粉的添加量为砼强度较高，回弹较小。 3.5钢纤维的掺量混凝土是一种脆性材料，在开裂后其承载能力迅速下降，即韧性较差。钢纤维是配合比中最重要的原材料，由于其体积小，能在整个喷射混凝土层中均匀分布，从而改善喷射混凝土的裂隙和拉力分布，延缓初始开裂，使钢纤维喷射混凝土成为一种高承载能力的柔性材料，在开裂后仍然具有比较大的承载能力。在其他材料配比相同情况下，作钢纤维的掺量分别为40kg、50kg、60kg三组试验。拌和过程中钢纤维在拌合物中分布均匀，无打结、结团现象。不同钢纤维掺量，在其他材料配比相同情况下的室内试验力学指标试验成果见表2。表2不同掺量钢纤维混凝土试块强度对比外加剂钢纤维Kg/m3抗压强度MPa品种掺量3d7d28dSK-R速凝剂UNF-5减水剂SK-S硅粉6%0.5%5%4015.726.936.95015.925.134.56014.824.332.6试验表明不同掺量的钢纤维均能满足设计要求，在钢纤维掺量为40kg时，不但节省钢纤维用量，并且强度较大。3.6现场喷大板试验经试验室初配合比试验后，应进行现场喷大板试验（试验室试验未加速凝剂）。现场试验所使用的设备与实际需要相同，且使用的材料完全能代表将被用于该项工程的材料。每一块试验板最小尺寸为1000mm×1000mm，且有200mm高的边沿。在喷射混凝土时试验板作为垂直的模板，模板由钢材焊接组成，边向外张呈45°角以防止因回弹漏浆。试验板上的喷射混凝土紧密的粘着在模板背面，无下垂。从试验结果看，现场喷射混凝土的强度高，喷射设备喷射的混凝土与围岩的粘结强度能满足设计要求，说明选用的配合比是合理的、喷射设备是可行的。同时，对试验室配合比已经微调，完成最终配合比（见表3）。表3混凝土强度等级最终配合比水泥骨料6-10mm砂钢纤维水硅粉速凝剂减水剂466kg806kg771kg40kg215kg25.5kg6%0.5%4湿喷钢纤维混凝土施工4.1施工准备满足一次喷射足够需要的所有材料到达现场，并获得工程师的许可。在喷射混凝土前，应保证喷射断面照明良好，检查和纠正开挖断面，受喷面在喷混凝土之前应将表面快速打湿；厚度测量装置保持完好。4.2施工工艺钢纤维混凝土的搅拌原则是先干拌后湿拌。搅拌工艺如下：（1）先将钢纤维及骨料投入搅拌机干拌0．5～1min，使钢纤维均匀分布在骨料中。（2）再将砂和水泥投入搅拌机，混合料再干拌1～2min。（3）最后加水湿拌1．5～2min。（4）混凝土料拌好后，人工用锹铲均匀地向喷射机喂料。（5）由经过技术培训合格的人员操作混凝土喷头，喷头运行方向应呈螺旋状，并以垂直岩面的方向向岩面喷射砼。（6）待混凝土终凝2h后，开始对混凝土表面喷水养护。 设备安装调试原材料检测试验原材料准备施工准备混凝土拌合混凝土喷射混凝土养护附图湿喷钢纤维混凝土施工工艺流程4.3施工方法4.3.1喷射前岩面处理岩石爆破后，先由挖掘机对开挖岩面进行初步排险，再由人工利用撬棍撬除险石和浮石。喷射前，由喷射机喷射压力风水，清除岩面的灰尘杂质和湿润岩面，以增加钢纤维混凝土与岩面的粘结力。4.3.2喷射过程控制混凝土拌制好后，人工用锹铲连续均匀地向喷射机喂料，喂料应避免料斗内堆料过多，以防堵塞喷射机转子料腔；喂料过少易造成出料不连续，输料管振动厉害。喷头轴线方向尽量保持与岩面垂直，以减少混凝土回弹量及保证混凝土表面的平整度。喷头与所喷射岩面的距离保持在1.0m左右，喷头与受喷面的夹角应控制在75°～90°，喷头反复缓慢作螺旋形移动，螺旋形移动的转动直径约30cm左右，以一圈压半圈方式移动，使混凝土均匀地覆盖在岩面上。根据湿喷机与作业面的距离，工作风压一般控制在0.3～0.4MPa。喷射时应按照分段、分部位，先边墙、后顶拱顺序进行；边墙的喷射顺序为自下而上，顶拱的喷射顺序为自拱脚至拱顶。在垂直面或接近垂面上使用时，应先从下部开始。层厚应由材料是否下垂来控制。应用于顶部表面的厚层应保持近似45°的坡度。对于上层表面，喷射混凝土应从拱肩喷至拱顶。5施工质量控制5.1材料质量控制进口材料在采购地按照生产地标准在装船前抽检，合格后装船，到达现场后会同工程师抽样送检；当地材料按照技术规范的要求在现场与工程师代表共同抽样检查。每次喷混凝土作业前，需对当地产材料（砂、骨料、水泥等）进行检测，确保原材料的质量。5.2过程质量控制5.2.1钢纤维混凝土厚度控制 我项目隧道钢纤维喷射混凝土设计厚度300mm，为减少混凝土的回弹量及混凝土掉落，采取顺边墙方向逐步向洞顶喷射的方式，每次喷射厚度不应大于50mm。，为控制合适的厚度，可在施喷前喷面埋设钢筋头作为标志物。5.2.2回弹量控制减少混凝土回弹量的主要措施：控制喷头至受喷岩面的距离在1.0m左右，距离太近易使带压力的混凝土颗粒碰撞岩面弹离；距离太远混凝土骨料不能触及岩面而掉落；控制喷头轴线方向与受喷面保持垂直，喷头呈螺旋状摆动喷射；选用级配良好的砂石料拌制混凝土；严格按照施工配合比配料；适当加长混凝土拌和时间，使混凝土拌和均匀，连续均匀地向喷射机喂料；随时检查速凝剂输送系统，使速凝剂计量泵连续准确地工作；对配合比作相应调整，以满足回弹率控制标准：边墙≤15%，顶拱≤20%。5.3施工质量检查5.3.1原材料检测对选用的水泥进行检验。确保水泥的强度、安定性、标准稠度、凝结时间等指标符合要求。对选用的砂石料进行试验。确保砂石的粒径、级配、含泥量等指标符合要求。严格控制混凝土配合比。保证计量准确，严格控制用水量和外加剂的掺量，控制混凝土的拌和时间。5.3.2混凝土检测每次混凝土喷射时均应取样检测，分别进行1d、7d和28d强度测试，样本试件应来自现场喷射的实验板或取芯样，监理工程师允许的情况下，也可直接在拌合站取样做混凝土试块。取得的样本的检测数据，平均强度为33.2MPa，该工程的喷射混凝土质量被评为优良。结语本文通过对钢纤维喷射混凝土的配合比设计研究，并结合本工程的实际应用可以得出以下结论：（1）喷射钢纤维混凝土的施工配合比必须在试验室配合比的基础上按选定的原材料和喷射设备进行现场喷试试验，这是喷射混凝土配合比设计的重点和难点。在试喷中，喷射混凝土能满足喷射要求，回弹率低，水泥用量最少且喷射混凝土强度满足要求的配合比即为最佳配合比。（2）喷射钢纤维混凝土喷层混凝土力学性能优良，与围岩面有较高的粘结强度，具有支护快速、及时，和岩粘结强度高等特点，这对确保工程开挖施工的安全，加快开挖施工进度都有显著的效果。当钢纤维混凝土喷层受压开裂时，扔具有一定的承载能力，适宜于隧道的柔性支护。（3）现场场喷射试验结果表明，试件早期强度高，7d强度增加较快，混凝土中水泥用量在460kg/m3左右时，一般能够达到C25强度等级，但后期强度增加较小。（4）在施工中，发现拌合顺序对混凝土强度影响较大。合理的拌合顺序可以使钢纤维和硅粉均匀分布。提高混凝土的强度。参考文献［1］江云安/钢纤维喷射混凝土配合比试验设计/全国建筑科学核心期刊，2003年第1期.[2]高红江赵学民曹启坤/喷射钢纤维混凝土技术研究与应用/山西建筑，2007年第32卷13期.[3]吴祥松赵守阳/湿拌钢纤维喷射混凝土配合比设计及应用/湖北水力发电/2008年第2期.[4]杜国平刘新荣/隧道钢纤维喷射混凝土性能试验及其工程应用/岩石力学与工程学报/2008年第27卷第7期.