西龙池抽水蓄能电站钢纤维喷射混凝土配合比设计与应用.pdf

试验研究 西龙池抽水蓄能 电站钢纤维喷射混凝土 配合比设计与应用 露林 山 马世君 李长春 ( 中国水利水电第四工程局有限公司) i 叠 氟 | 萋 鼠 蘸捧电工程电庭 鼠镪许强曦躲混凝王处于起号狳较，柱施工蔺舜 农诋纤维混疑王现场试验|政今 _ | 后媳巍= I 买窀拣导诉豫 本叉督镪了西既池轴承麓毹电姑镪许维混凝王 配合比设诗试验试啧懿施工的垒过程t 蠢 | i 为夸后天跨葭灞熏和不良地瘕段舜境 叉妒巍i捷诀了宝赘酶经验誊i | j l 薯 t l | | I | 鼍 漫啧 | i等 效执奄 扭强葭 叠奄幽钢牲指数 l 弯 由韧牲蠹 薯 | | 薯 i 曩 薯 毫t| 警 l | | l ： 1 概述 山西西龙池抽水蓄能电站位于山西省忻州市五台县 滹沱河与清水河交汇处上游约 3 k in的滹沱河左岸 ，地下 厂房系统由主副厂房、主变压器室、母线洞、出线 洞、 出线竖井、厂房自流排水洞、排水廊道等洞群组成。岩 性为钙质石英粉砂岩、薄层灰岩、柱状灰岩成互层状结 构，裂隙发育 ，围岩属 类，主厂房和主变压器室顶拱 采用钢纤维喷混凝土支护形式。 2 钢纤维喷射混凝土配合比设计阶段 2 1 钢纤维喷射混凝土配合比设计思路 2 1 1 确定混凝土配合比和外加剂掺量 对合格的钢纤维、水泥、砂子、骨料、水 、硅粉和 外加剂材料，根据 锚杆喷射混凝土支护技术规程( GB 5 0 0 8 6 -2 0 0 1 ) ，结合施工经验和外加剂建议掺量，试验 确定喷护混凝土的基本配比和外加剂的掺量。 2 1 2 掺加钢纤维 在混凝土的基本配 比不变和外加剂品种和掺量不变 的前提下掺钢纤维 4 5 k g m3 、5 0 k g m3 ，进行现场试验， 测试钢纤维喷护混凝土的施工可行性、凝结时间、回弹 率、钢纤维含量和其分布均匀性等。 2 1 3 划分试验段 每个不同掺量划分一个试验段，试验段 间隔 1 5 m， 试样面积为 5 m 的矩形。采用 P M5 O O P C型移动式混凝土 喷射机组进行喷射 ，喷射厚度为 2 0 0 m m，喷射试验前在 选定的试验段做出试验方案标记 ，喷射与标记位置严格 对应 。 2 1 4 取大板试样 对钢纤维每种不同掺量的混凝土取五块大板试样， 其中两块测试抗压强度、劈拉强度、弯拉强度、韧度指 数等试验 ，另三块测试钢纤维喷射混凝土的能量吸收等 级，并测试混凝土对岩面的黏结强度。 2 2 原 材 料 ( 1 )钢纤维：采用上海贝卡尔特一二钢有限公司生产 的佳密可丝钢纤维 ，技术特性见表 1 。 表 1 钢纤维特性表 直径 抗拉强度 长度 类型 ( mm) ( N ram) ( 仃 L m) RC一6 5 3 5一B N O 5 3 0 5 7 l 】 4 5 1 5 4 5 3 2 O 3 8 0 ( 2 )水泥：采用太原狮头牌 P O 4 2 5 级水泥。 ( 3 )减水剂：采用山西黄河外加剂厂生产的 UNF型 高效减水剂。 ( 4 )速凝剂 ：采用山西黄河外加剂厂生产 的 A JB 型液体速凝剂。 ( 5 )豆石：下库人工料场豆石 5 1 5 mm。 ( 6 )天然砂 ：忻州奇村天然砂 O 5 mm。天然砂 ： 豆 石为 0 5 5： 0 4 5的混合料分结果见表 2 。 ( 7 )硅粉 ：采用山西忻州铁合金有限公 司生 产的 硅粉 。 8 5 水利水 电施工 2 0 1 0 第 1 期 总第 1 1 8期 表 2 混合料 的筛分结果 骨料粒径 O 1 5 0 3 O 6 1 2 2 5 5 O 1 0 0 1 5 0 优 5 7 1 0 41 5 1 7 2 2 2 3 3 1 3 4 4 3 5 0 6 0 7 8 8 2 1 0 0 合格 4 8 5 2 2 1 3 3 1 1 8 4 1 2 6 5 4 4 0 7 0 6 2 9 O 1 0 0 混合料的 5 6 1 1 8 2 O 6 3 8 0 5 O 9 6 8 1 9 4 6 1 0 0 检查结果 注表中可以看出 1 0 1 5 m m粒径的骨料比较少 ，虽然不符合规范 的要求，但正符合湿喷机 MP 5 0 0 C型的施工要求 ( 混合料粒 径为0 1 0 n mO。 2 3 钢纤维不 同掺量配合比的各项试验 2 3 1 试验方案的确定 根据规范 锚杆 喷射 混凝 土支护技术规 程( G B 5 0 O 8 6 2 0 0 1 ) ，结合现场和室 内试验 ，确定钢纤维混凝 土两种试验方案 ，单方混凝土的材料用量相同 ( 见表 3 ) ， 只是钢纤维 的掺量不 同。 表 3 单方混凝土的材料用量表 水泥 水 砂 豆石 钢纤维 减水剂 硅粉 ( k g m) ( k g m) ( k g m) ( k g m) ( k g m) ( k g m) ( k g m) 4 5 0 2 0 2 1 0 8 0 7 2 0 5 o 4 5 3 2 7 2 5 注1 速凝剂采用外掺 ，掺量为 3 ，其实际掺量应根据现场的岩 性和喷护部位的不同进行调整。 2 对钢纤维掺量 5 0 k g m。 、4 5 k g 1 T I。 进行试验比较。 2 3 2 对钢纤维喷射混凝土两方案进行各项力学试验 喷射钢纤维混凝土成型时间为 2 0 0 4 年 4月 1 9日，在 地下洞室内喷射成型大板并标准养护 1 4 d龄期时按规范 以及任务书的要求切割各项试验所需的试件后送至科研 单位试验室，到 2 8 d龄期时进行各项试验。 ( 1 )立方体抗压强度试验。 由于钢 纤 维 的 长度 为 3 5 ra m，所 以采 用边 长 为 1 0 0 mm的立方体，按 钢纤维混凝土试验方法 ( C E C S 1 3 ：8 9 )对试件进行抗压试验，试验结果见表 4 。 表 4 立方体抗压强度试验结果表 钢纤维掺量 抗压试验 ( MP a ) 配比编号 ( k g m3 ) 2 8 d 4 5号 4 5 3 2 4 5 O号 5 0 3 9 1 注4 5号、5 O号指钢纤维掺量为 4 5 k g m0 、5 0 k g m0的钢纤维混 凝土配合比的编号，表 中强度数据为乘 以0 9的尺寸换算系数 后的强度。 ( 2 )劈裂抗拉强度试验。 按 钢纤维? 昆 凝土试验方 法 ( C E C S 1 3 ：8 9 )对试 件进行劈裂抗拉强度试验，试验结果见表 5( 表中强度数 据为乘以 0 8的尺寸换算系数后的强度) 。 ( 3 )抗折强度试验。 按 钢纤维混凝土试验方法 ( C E C S 1 3 ：8 9 )切割 尺寸为 l O O mmX1 0 0 mm) 4 0 0 m m的试件 ，到 2 8 d龄期时 进行抗 折强度 试 验，试 验 结果 见表 6( 试验 跨 度 为 8 6 3 0 0 m m，表中强度数据为乘以 0 8 2的尺寸换算系数后的 强度) 。 表 5 劈裂抗拉强度试验结果表 钢纤维掺量 裂拉试验 ( MP a ) 配 比编号 ( k g ma ) 2 8 d 4 5号 4 5 3 7 4 5 0号 5 0 4 2 2 表 6 抗折 强度试验 结果表 钢纤维掺量 抗折试验 ( MP a ) 配 比编号 ( k g m0 ) 2 8 d 4 5号 4 5 4 8 9 5 O 号 5 O 5 2 6 ( 4 )弯曲韧性和初裂强度试验。 按 钢纤维混凝土试验方法 ( C E C S 1 3 ：8 9 )切割 尺寸为 l O O mmX l O O mmX 4 0 0 ram 的试件 到 2 8 d龄 期时进 行试验，试验跨度为 3 0 0 mm，试验结果见表 7 。 表 7 弯曲韧 性和初 裂强度 试验 结果 配 比 初裂 弯曲韧性指标 2 8 d标准试件平均值)( MP a ) 强度 弯曲韧性 弯 曲韧性 韧度系数 编号 ( MP a ) 指数 槐。 指数 抛。 R3 o , 1 o 4 5号 4 8 9 O 1 9 5 4 7 8 5 O号 4 9 9 3 2 O 3 5 5 6 试验过程中绘制的弯曲韧度试验荷载一挠度曲线见 图 1 、图 2 。 辗 稼 强 担 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 挠度( x l O i n li l ) 4 5 号试验荷载挠度 曲线 图 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 挠度( x l O mm ) 图 2 5 0号试验荷载一挠度 曲线 图 从图中可以看出掺量为 5 O m3比 4 5 k g r n a 具有更 好的弯曲韧性。 ( 5 )大板能量吸收指数试验 。 大板试验是研究和评价喷射钢纤维混凝土韧性的有效 方法 ，按 钢纤维混凝土试验方法 和 AR C 欧洲喷 射混凝土技术规程进行大板韧性试验，标准尺 寸为 O 1 m 图 O 6 0 0 m m6 0 0 m m1 0 0 m m，试 件 厚 度误 差 为 O + 1 0 m m， 试验时大板四边简支，在板中心 1 0 0 ram1 0 0 ram的面积上 作用一集中荷载。 对每个掺量的喷射混凝土取三块大板 ，共进行了 6 块大板的试验，试验结果见图3 、图 4 。 2 0 0 0 1 5 00 删 1 0 0 0 怒 5 00 0 2 00 0 1 5 0 0 删 1 0 0 0 5 0 0 O J 一； ； 二 二 ； I 艘 一 二一 一 ， ，一 0 1 0 2 O 3 O 挠度( m m) 图 3 4 5号挠度能量 曲线 l +5 o _ 一1 l l I 。 I_ 二 I 一 一 一 一 一 = = = 一 0 l 0 2 0 3 0 40 挠度( m m) 图 4 5 0号挠度能量曲线 由能量挠度曲线图可以得到大板中心挠度为 2 5 mm 时对应的吸收的能量，结果见表 8 。 表 8 大板 中心挠度 2 5 mm 时吸 收能量表 配合 比编号 吸收能量 ( J ) 大板 实测厚度 ( ml T 1 ) 4 5 一 l 5 89 3 1 0 0 4 5 2 1 0 6 4 3 1 2 5 4 5 3 1 2 0 4 2 1 3 0 5 O 一 1 7 7 6 3 1 O O 5 O 2 1 1 3 8 6 1 2 O 5 O 一 3 1 4 7 0 7 l 3 O 从表 8中可以看出板厚对其吸收能量影响较大，厚 度大吸收能量多，根据 钢纤维喷射混凝土试验方法 的韧性分级见表 9 ，将掺量为 5 0 k g m。的配合比分级为 B，掺量为 4 5 k g m。的配合比分级为 A。 表 9 韧性分级表 韧性分级 大板中心挠度 2 5 mm时吸收能量 ( J ) A 5 0 0 B 7 0 0 C 1 0 0 0 ( 6 )其他测试。 喷射钢纤维混凝土弯曲韧性试验结束后 ，对破断面 上钢纤维根数统计结果见表 1 O 。 从图2中可看出：断面钢纤维的根数与弯曲韧性有 较好的对应关系，断面上钢纤维根数多，其钢纤维混凝 土试件弯曲韧性好。 表 1 0 钢纤维统计表 试验研究 断面钢纤维根数 试件编号 总根数 平均 左 右 4 5 1 2 4 1 5 3 9 4 5 2 1 7 1 2 2 9 4 1 5 4 5 3 1 8 2 9 4 7 4 5 4 2 1 3 0 5 1 5 0 1 2 0 2 2 4 2 5 0 2 4 1 4 7 8 8 6 O 5 5 O 3 2 8 4 5 7 3 5 O 一 4 1 7 2 2 3 9 ( 7 )钢纤维含量检测。 为了检测钢纤维含量和钢纤维喷射混凝土的回弹量， 在现场喷射范围内地面铺塑料布，安排专人负责现场 回 弹料 的回收。 钢纤维含量检测采用湿检法：从现场喷射好的试样 中取 1 2 r n 2的钢纤维混凝土，仔细保持原样 ，将钢纤维 从中洗出；使用过滤器，使水泥等材料滤出，从 中分离 出钢纤维。每个方案试验的回弹料中各取 1 0 k g的钢纤维 混凝土用湿检法检测了钢纤维的含量。试验结果见表 1 1 。 表 1 1 试验结果 钢纤维 试验混凝 回弹混凝 回弹量 回弹混 回弹混凝 钢纤维含 混凝土 土总重 土总量 百分比 凝土取 土取样 中 样重量 钢纤维含 量百分比 类型 ( k g ) ( k g ) ( ) ( ) ( k g ) 量( k g ) 4 5号 5 0 0 0 0 8 4 2 5 O 1 6 8 5 1 0 0 O 1 8 5 3 1 8 5 3 5 O号 5 0 0 0 0 8 5 1 O 0 1 7 O 2 1 O O 0 1 9 1 3 1 9 1 3 ( 8 )黏结强度试验。 黏结强度试验采用试样的钻芯拉拔法：现场试样养 护 2 8 d 后，2 0 0 4 年 5 月 1 8日在试验段附近顶拱采用 S G一 2 0 0 A型工程钻机钻芯，深入岩体 5 c m以上，取出直径约 为 1 4 c m长为 3 0 c m的试件共 5 个，采用 YZ一3 0 0直读式 数现拉拔仪按锚杆拉拔试验的方法进行 了黏结力试验， 共取了 5组，成功了4组，黏结力平均值为 0 5 5 MP a 。 2 3 3 结论及建议 根据 地下厂房钢纤维喷射混凝土试验任务书要 求 ，钢纤维喷射混凝土 2 8 d 各项力学指标见表 1 2 。 表 1 2 钢纤维喷射混凝土 2 8 d各项力学指标表 抗压 抗拉 抗弯拉 等效 强度 强度 抗弯 弯曲韧 指标 强度 黏结强度 标准值 标准值 ( MP a ) 拉强度 性指数 ( MPa ) ( 【 P a ) ( M P a ) 1 1 n 一 6 8 技术 2 5 2 4 5 5 2 3 1 3 o 一1 8 2 4 类围岩 0 8 MP a 要求 R3 o l o 一 类围岩 0 6 MP a 6 0 8 0 8 7 篱 水 利 水 电 施 工 2 0 1 0 第1 期 总 第1 1 8 期 试验结论及建议 ： ( 1 )试验表 明，抗压 、抗 拉、抗弯拉强度 ，5 O号 配合比能够 满 足 任务 书 的要求 ；4 5号 配合 比有 些 偏低。 ( 2 )喷射钢纤维混凝土两试验表明，5 O号配合 比的 弯曲韧性参数基本满足任务书的要求，其中R 。 一5 5 6 偏小的主要原因是钢纤维分布不均匀。在施工中注意钢 纤维投料和混凝土拌和两道工序的控制，使钢纤维分布 均匀。 ( 3 )大板能量吸收试验表明；5 0号的配合比分级为 B ，4 5号的配合比分级为 A。 3 钢纤维喷射混凝土的施工控制 3 1 主要的施工设备 拌和系统 ：HZ 9 0 2 F 1 5 0 0型拌和站； 湿喷机 ：MP 5 0 0 C移动式湿喷机 ； 运输车 ：解放牌搅拌罐车。 3 2 施工配合比 根据上述试验过程及施工设备、施工工艺，最终 HF C 2 5施工配合 比见表 1 3 。 表 1 3 施工配合比参数表 砂率 减水剂掺 速凝剂掺 水泥 水 砂子 豆石 钢纤维 减水剂 速凝剂 硅粉 密度 水胶比 ( O) 量 ( ) 量 ( ) ( k g ma ) ( k g m ) ( k g m 0 ) ( k g ma ) ( k g m0 ) ( k g ma ) ( k g ma ) ( k g m0 ) ( k g ma ) O 4 5 5 5 0 8 3 4 5 0 2 0 2 9 4 9 7 7 5 5 0 3 6 1 3 5 2 5 2 3 8 0 注钢纤维 、速凝剂采用外掺，速凝剂建议掺量为 3 ，其实际掺量应根据现场的岩性和喷护部位的不同进行调整。 3 3 钢纤维喷射混凝土的拌和 为了使钢纤维分布均匀，每次搅拌的混凝土量不低 于搅拌机容量的 1 2 ，且不大于拌和机名义容量的 8 O ， 即每次 l m。 进行搅拌。投料顺序为 ：砂料、骨料、水泥、 钢纤维、硅粉、水和外加剂，在实际拌和中人工将 5 O k g 钢纤维均匀撒铺在运输骨料的皮带上 ，然后加水搅拌 7 O s 。坍落度严格控制，不宜过大，如果坍落度过大所需 的速凝剂掺量高，会 明显降低混凝土的最终强度 ，并且 存在离析和堵塞的危险。1 5 mi n后的坍落度控制在 1 2 O 1 4 0 mm的范围内，注意避免通过过量加水来改变其稠度。 3 4 岩石表面的处理 为了使喷射混凝土与基底有效黏结，将喷射表面湿 润，并用喷射处的压缩空气和水将松散材料清除，如果 岩石表面有水流，先进行封堵或接排水管排走。 3 5 喷射混凝土的操作 混凝土喷射时，为了回弹量最小，压实最好。喷枪 距岩面的距离为 0 6 1 2 m，尽量保持与工作面成垂直 的角度，喷射部位从下部开始有规律地向上朝顶拱进行。 这一过程中可以稍微增加一些速凝剂，以使混凝土稍快 地凝结 ，采用多次薄层喷射，在洞室的顶部初始喷层厚 度为 2 0 ra m，其后各层的厚度可增加到 5 0 mm。 3 6 现场的试验测试 3 6 1 现场大板 取样 为保证取样质量，当喷出0 6 1 2 ma后再将试件大 板喷满，2 4 h内放在洞室中不移动 ，2 4 4 8 h内移至试验 室，4 8 7 2 h内拆摸并在温度 ( 2 3 2 ) 和湿度 ( 9 8 2 ) 的条件下养护到龄期进行力学试验。 3 6 2 现场钢纤维含量的测定 喷射过程中的回弹量大小会直接影响钢纤维混凝土中 钢纤维的实际含量，现场试验统计顶拱喷射 HF C 5 0混凝 土的回弹率为 l 7 O 2 ，回弹的钢纤维混凝土中的钢纤维 8 8 含量为 1 9 1 3 ( 喷射钢 纤维混凝 土 的密度 为 2 4 6 8 5 k g ma ，钢纤维含量相当于 4 5 k g m ) ，则证明顶拱实际钢 纤维的含量大于 5 0 k g m ，计算式为：( 5 0 1 7 0 2 1 9 1 3 X2 4 6 8 5 ) ( J 一1 7 0 2 ) 一5 O 。 6 k g m 3 ，保 证实 际 围岩钢纤维混凝土的弯曲韧性。 4 喷射钢纤维混凝土的养护 钢纤维混凝土拌和料 中水泥和用水量都比较高，混 凝土存在收缩和开裂的可能，由于使用了速凝剂，喷射 混凝土的水化在喷射后 5 1 5 rai n内开始，水化和温度在 喷射后最初的几分钟和几小时是最活跃的，因此在喷射 混凝土完成 2 0 mi n后开始养护最好，在这个关键阶段对 喷射混凝土进行养护是非常重要的，工地养护采用喷水 的方法，喷水养护时间达到 1 5 d ，确保了混凝土的质量。 5 结束语 目前 ，水电站地下洞室支护结构设计中，通常采用 “ 新奥法”的设计理念，要求支护结构能够和围岩紧密黏 合，同时具有一定的韧性。钢纤维混凝土具备了抗裂性、 延性韧性、抗冲击和耐久性能，在施工工序上减少 了烦 琐的挂网工序和施工人员潜在的危险性，节约了时间， 加快了施工进度 ，并且在钢纤维混凝土开裂和变形后仍 有很强的承载力。现场大板取样 ，进行各项力学性能， 均满足设计要求，说明了该配合 比满足了设计和施工要 求 ，施工前的试验有效指导了施工。 钢纤维混凝土是一种快速有效 的支护手段，在开挖 后围岩应力释放和变形之前能立即支护 ，并迅速达到很 强的承载力 ，从而确保施工安全和工程安全，因此喷射 钢纤维混凝土在今后大跨度洞室和不 良地质段开挖支护 施工中有广阔的应用前景。