钢—聚丙烯纤维混凝土在水工隧洞衬砌施工中的应用研究.pdf

8 2 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 3 ) 0 8 0 0 8 2 0 3 钢一 聚丙烯纤维混凝土在水工隧洞衬砌施工中的应用研究 张有红 ( 中铁 十五局集 团 第六 工程 有限公 司 ， 河南 洛 阳4 7 1 0 1 3 ) 摘要： 钢一 聚丙烯纤维混凝土有机结合 了钢纤维混凝土强度高与聚丙烯纤维混凝土耐久性好的优点， 在 复合材 料领 域 引起 广 泛的 关注 。然 而 ， 对其 在水 工 隧洞喷 射衬 砌 施 工 中的应 用研 究还较 少。本 文 通过 试验研究了钢一 聚丙烯纤维混凝土水泥浆含量、 钢纤维和聚丙烯纤维的掺 量对混凝土基本力学性能的 影 响 ， 并结合 水布 垭导 流 隧洞工程 实际探 讨 了现 场施 工工 艺。 关键 词 ： 钢一 聚 丙烯 纤维混 凝土 衬砌施 工技 术 中图分 类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 ； T V 6 7 2 1 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 i i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 3 0 8 2 6 钢 纤维 混凝 土作 为一种 传 统 的喷射衬砌 混凝 土材 料 ， 有较高的早期强度 ， 然而钢筋极容易锈蚀 ， 这会严 重 影 响钢筋 混 凝 土 耐久 性 。聚 丙 烯 纤 维 ( P P F ) 混 凝 土相 对 于钢纤 维混 凝 土 具 有 化学 稳 定 性 好 、 不 受 氯 离 子 侵蚀 、 重量 轻等 特点 。然而 ， 聚丙 烯纤 维混凝 土 的 早 期 强度较 低 ， 这对 隧道 喷 射衬 砌 施 工 不 利 。钢一 聚 丙烯 纤维混 凝 土是 由短钢 纤维 、 聚丙 烯纤 维 、 水 泥 、 砂 、 石 、 水 以及 必要 的外 加 剂 按一 定 比例 配 制 而成 的一 种 新型复合材料 ， 充分发挥了聚丙烯纤维混凝土耐久性 好和钢纤维混凝土早期强度高的优点。因此 ， 将其应 用于 地下 水丰 富 的水工 隧道 喷射衬 砌施 工有 着重 要 的 工程价值和广泛的应用前景。 目前 ， 对钢一聚丙烯纤维混凝土的研究 主要侧重 于其高温耐久性。如高丹盈和郑文 忠等 。 进行 了高 温下 的抗爆裂性 能试验研究 ， 得 出体积掺量 2 的钢 纤维和 0 2 的 P P F可以有效 防止混凝土爆裂 ， 高温 下立 方体 混 凝 土 的 抗 压 强 度 也 相 对 较 高 的 结 论 。权 莉 ， 陶文祥 通过弯曲韧性试验发现在混凝土中掺人 钢纤维 和 聚丙 烯纤 维 后显 著提 高 了混 凝 土 的弯 曲 韧性 。 对钢一聚丙烯纤维混凝土的研究多集 中在室内的 力 学特 性研 究 ， 而对 其 在 工 程 中 的应 用 研 究较 少 。 本 文结合水布垭导流 隧洞 ， 对钢一聚丙烯纤维混凝土水 泥浆含量、 钢纤维和聚丙烯纤维的合理掺量及其对混 凝 土基 本力 学性 能 的影 响 进 行研 究 ， 并对 现 场 施 工 工 艺 进行 探讨 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 2 1 0； 修回 E l 期 ： 2 0 1 3 0 4 2 0 作 者简 介： 张有红 ( 1 9 7 5 一) ， 男 ， 安徽怀宁人 ， 高级工程 师， 硕士 。 1 室 内强度试验 1 1 原料 水泥 采用 3 2 5级 普通 硅 酸 盐 水 泥 。粗 骨 料 采 用 工地 附近 石 料 厂 生产 的机 制 碎石 ， 碎 石粒 径 为 52 0 m m， 最 大粒 径 不 大 于 2 0 m m。细 骨 料 采 用 天 然 中粗 砂 。钢纤 维为 高强 带钩纤 维 ， 长 2 5 mm， 直径 0 4 mm， 抗 拉强度 不 小 于 3 8 0 MP a 。聚 丙 烯 纤 维 长 1 9 mm， 抗 拉 强度 3 5 0 MP a ， 弹性模 量 3 5 0 0 MP a 。 1 2试 验方 法 按 普通混凝土长期性能和耐久 性能试 验方法 ( G B J 8 2 8 5 ) 及 公路工程水泥及水泥混凝土试验规 程 ( J T G E 3 0 -2 0 0 5 ) 进行。 1 2 1 力 学性 能试验 本 文 首先进 行钢一 聚丙 烯纤 维混 凝土 的抗 压 和抗 折试 验 ， 按 照规 范 中 的要 求 来测 试钢 一 聚丙 烯 纤 维 混 凝土 的抗 压强度 和抗 折强 度 。抗 压试 验试 样 尺寸 1 5 0 m m x 1 5 0 m m1 5 0 m m， 试件养 护 2 4 h后脱模 ， 在标 准养 护条 件 ( 温 度 ( 2 0 3 ) o C， 相 对 湿 度不 小 于 9 0 ) 下养 护 ， 进 行 7 d ， 2 8 d和 6 0 d强度试 验 。抗折 强度 试 验采 用 1 5 0 m m1 5 0 m m 5 5 0 mm 棱柱 体试 件 ， 试 件 2 4 h后脱 模 ， 在 标 准养 护 条 件 下 养 护 ， 进 行 7 d 、 2 8 d 和 6 0 d抗折强度试验。不同掺量( 体积率) 钢一聚丙 烯纤维混凝土的配合比见表 1 。 1 2 2抗 渗性 能试 验 此组试件分为 A， B， C ， D 4 组。其 中 A为未掺加 钢一聚丙烯纤维 ， B组中掺入 0 1 5 的聚丙烯纤维 ， D 组 中掺人 0 2 0 的钢纤 维 ， c组 掺 人 了 0 1 5 聚 丙烯 纤 维和 0 2 0 钢 纤维 。 2 0 1 3年第 8 期 张有红 ： 钢一 聚丙 烯纤维混凝土在水工 隧洞衬砌施 工中的应用研究 8 3 表 1 不同掺量钢一 聚丙 烯纤维混凝土的试验 配合 比 注 ： 试验材料用量 之 比为水： 水泥 ： 砂 ： 豆石 ： 减水 剂 =2 1 2 4 70： 1 0 06： 6 6 7： 1 2 8。 1 ) 试 件要 求 。采用 顶 面直 径为 1 7 5 m m， 底 面直 径 为 1 8 5 m m， 高度 1 5 0 m m的圆柱体试件。每组 6个试 件 ， 成型后拆模 。用钢丝刷刷去两端面的水泥浆 ， 放人 标 准养 护 室养 护 至龄期 进行 试 验 。 2 ) 主要设备 。抗渗仪和加压装置。 3 ) 试验 步骤 。 试 验 前 1 d取 出试 件 ， 在烘 箱 中 以 5 0 6 O c I = 温度烘干。将试件套连同试件装在抗 渗仪上进行试验 。 加 0 1 MP a水压 ， 以后每 8 h增 加 0 1 MP a ， 直到 1 2 M P a 。随时观 察试 件端 面渗 水情 况 。6个试件中有 3个试件端面渗水时 ， 记录水压 ， 停止试验。压碎试样 ， 测试渗透高度。 2试 验结果分析 1 ) 纤维掺量对抗压和抗折强度的影响 图 1和 图 2给 出 了 钢纤 维含 量 分别 为 0 1 5 和 0 2 0 情 况下 ， 不 同龄期 混凝 土抗 压 、 抗折 强度 随 聚丙 烯掺 量 的变 化 曲线 ， 可见 钢一 聚丙 烯 纤 维 混凝 土 的抗 压 强度 随着 聚丙 烯掺量 的增长 先增 大后 逐渐 减小 。分 析 原 因主要 是 因为 聚丙烯 纤维 材料 本身 强度 比钢 纤维 小 ， 大 量 的添加 聚丙烯 纤 维影 响 了抗压 强度 ， 同时也可 以看出， 随着龄期的增长 ， 这种影响越来越突 出。混凝 土的抗折强度随着聚丙烯纤维 的掺量增加而增加 ， 反 映了聚丙烯纤维在改善受拉裂缝扩展方面的作用。 聚丙烯 掺量 聚丙烯掺 量 ( a ) 抗压强度变化曲线 ( b ) 抗折强度变化曲线 图 1 不同龄期混凝土强度 随聚丙 烯掺量变化 曲线 ( 钢纤维 掺量 为 0 1 5 ) 聚丙烯 掺量p o ( a ) 抗压强度变化曲线 聚丙烯掺量 (b ) 抗折强度变化曲线 图 2 不同龄期混凝土强度 随聚丙 烯掺量变化 曲线 ( 钢纤维 掺量 为 0 2 0 ) 图 3为 2 8 d时不 同钢纤维掺量下混 凝土强度随 聚丙 烯 掺量变 化 曲线 。 由图 3 ( a ) 可见 ， 在 聚 丙烯 纤 维 掺量为 0 1 5 时混凝土抗压强度较大 ， 而钢纤维的掺 量在 0 1 5 与 0 2 0 时 钢一 聚丙 烯 纤 维 混 凝 土 的抗 压强度变化不明显。而图 3 ( b ) 显示 ， 随着钢纤维掺量 的增长混凝土强度均提高 ， 在钢纤维掺量为 0 2 0 时 抗 折强 度较 大 ， 因此 考虑 材料 的成 本 ， 确 定 了聚丙烯 纤 维 、 钢纤维的最佳掺量分别为 0 1 5 和 0 2 0 。 铁道建筑 聚丙 烯掺量， ( a ) 抗压强度变化 曲线 9 O 6 0 嚣 蒸 。 O 聚丙烯掺量， ( b ) 抗折 强度变化 曲线 图 3不 同钢纤维掺量下混凝土强度随聚丙烯掺量变化曲线 2 ) 纤维掺量对抗渗性的影响 隧道 衬砌混 凝 土 的抗 渗 性 是一 项 重 要 指 标 ， 在 混 凝 土施工 前必 须要 进 行 抗 渗试 验 。在 各 级 水 压下 ， 水 分渗入试样的高度反映了混凝土的抗渗性能 ， 渗水高 度越高 ， 抗渗性能越差。试验得到 A， B， c ， D 4 组 的渗 水高度平均值为 2 2 ， 1 6 ， 1 7 ， 2 7 m m。可见 ， 相对于普通 混凝 土 ( A) ， 掺加 钢纤 维混 凝 土 ( D) 的抗 渗性 能 降 低 ， 因为钢纤 维 掺入后 在 一定 程 度 上 影 响 了密 实 度 ， 形 成 了一定 的通道 。聚丙烯 纤维 ( B ) 具 有 阻裂 和细 化裂 缝 的作用 ， 改善 了水泥石的结构 ， 使水泥石中原生的裂纹 减 少 ， 裂 缝 宽度减 小 ， 从 而提 高混凝 土 的抗渗 性 能 。掺 人 钢一 聚丙 烯纤 维后 ， 聚丙 烯 纤 维 的存 在 明显 地 降低 了单独掺人钢纤维造成抗渗性能 降低 的缺陷， 保证 了 其 良好 的抗 渗性 能 。 3现 场 应 用 3 1工程 概况 水布垭 导 流洞是 水 布垭水 利枢 纽 的重要建 筑物 之 一 ，导流洞 大 部 分 洞 身 为 裂 隙 发 育 、 较 破 碎 的 软 弱 岩 层 ， 并有部 分地 段 穿 过 断层 及 破 碎 带 。为 确保 大 坝 截 流 的工期 目标 ， 对 1 导 流洞 K 0+ 7 6 7 一 K 0+9 8 5段 及 2 导流洞 K 0+ 6 4 8 一 K 0+8 9 8段共 计 4 6 8 m， 喷射厚 1 5 c m 的钢一 聚丙烯 纤维 混凝土 作 为永久 支护 ， 充 分利 用 钢一 聚丙烯纤维混凝土的早期强度高 、 耐久性好 的特 点 ， 减少 了衬 砌厚 度 ， 节 约 了工程 成本 ， 并提前 了工期 。 3 2配合 比的选 定 合理的钢一聚丙烯纤维掺量对于保证衬砌结构的 强度和耐久性有着极为重要的作用 ， 通过上述室 内试 验研究 ， 确定 了合理的聚丙烯纤维、 钢纤维掺入量分别 为 0 1 5 和 0 2 0 。 3 3 施工 工艺 钢一聚丙烯纤维混凝土喷射施工时应注意 ： 喷 射前 ， 为使钢一聚丙烯纤维混凝土与受喷面粘结牢固， 先用 钢钎 撬去 松动岩 块 ， 然后用 高压 水枪 清洗受 喷 面 ， 埋入检测喷层厚度 的钢筋桩标 志。 喷射时以 1 0 m 左 右为单 元进 行分 段施 工 ， 严 格 按 照 先 拱脚 后 拱 腰 最 后拱顶的顺序 ， 先 下后上 ， 分层喷射 ， 每层厚 度 78 e m， 后一 层在前 一层 混凝 土 终 凝后 喷 射 。喷 射 角度 以 7 5 。 9 0 。 为宜 ， 距离受喷面 0 61 0 m左右。喷射 压 力控 制在 0 2 0 3 MP a 。作业 开 始时 ， 先 送 风后 开 机 ， 再给料。在喷射 2 h后开始洒水养护， 养护时间 以 1 01 4 d为 宜 。 4 结 语 本文 通过 室 内试 验确 定 了钢一 聚丙烯 纤维 混凝 土 的最 佳掺 量 为 聚丙 烯 纤 维 0 1 5 、 钢纤 维 0 2 0 ， 并 研究了其在水工隧道衬砌施工中的具体应用。钢一聚 丙烯纤维混凝土在湖北清江水布垭导流洞中作为永久 衬砌支护， 充分发挥 了其早期强度高的优点 ， 为特大断 面导流洞提供了巨大的安全保障 ， 而且大幅降低衬砌 支 护 的工程造 价 。钢一 聚丙烯 纤维 混凝 土在 水利 水 电 工 程 中有着非 常 广阔 的应 用 前景 。 参 考 文 献 1 郑捷 钢纤维和聚丙烯粗纤维 喷射混凝 土性能 研究 J 华 中公路 ， 2 0 1 1 ( 4 ) ： 2 4 2 6 2 张存亮 ， 弓锐 ， 张存 明 复合纤维 混凝 土的力学性 能试 验研 究 J 铁道建筑 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 1 2 7 1 2 9 3 高丹盈 ， 李涵 ， 杨 帆 聚丙烯一钢纤 维高强 混凝 土高温 性能 研究 J 复合材料学报 ， 2 0 1 2 ( 1 O ) ： 1 7 4 郑文忠 ， 罗百福 ， 王英 高温下复 掺纤维 R P C立方体抗 压性 能研究 J 湖南大学学报 ， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 1 1 1 9 5 权莉 ， 陶文祥 钢一 聚丙烯 纤维 混凝 土弯 曲韧性 试验 研究 J 混凝 土 ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 2 5 2 7 ( 责任审编葛全红)