喷射钢纤维混凝土在渠道工程的应用研究.pdf

水利水电技术第4 1 卷2 0 1 0年第7期 喷 射钢 纤维混凝 土在渠道工程 的应用研 究 祝江裕 ( 皇天畈水利管理处 ，浙江 富阳3 1 1 4 0 0 ) 摘 要 ：喷射钢纤维混凝土具有优 良的抗拉和抗渗等性能，同时能提 高混凝土变形能力，施工快捷 ， 已经在建筑和地下工程 中广泛应用。但 由于成本较 高，施工工艺复杂，配料和操作要求高，在渠道工 程尚未推广应用。文中通过在皇天畈灌溉工程的大面积应 用，以实践经验和大量数据论证 了喷射钢 纤 维混凝土在 渠道工程中应用的良好前景。 关键词：钢纤维混凝土；渠道工程 ；皇天畈灌溉工程 中图分类号 ：T V 5 4 4 P 2 3 ( 2 5 4 ) 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 6 0 0 4 S t u d y o n a p p l i c a t i o n o f j e t - s t e e l fi b e r c o n c r e t e t o i r r i g a t i o n c h a n n e l p r o j e c t Z HU J i a n g y u ( A d m i n i s t r a t i v e B u r e a u o f H u a n g t i a n f a n P r o j e c t ， F u y a n g 3 1 1 4 0 0， Z h e j i a n g ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e j e t s t e e l fi b e r c o n c r e t e c a n i mp r o v e t h e d e f o r ma t i o n c a p a c i t y o f c o n c r e t e w i t h i t s b e t t e r t e n s i o n r e s i s t a n c e a n d h i g h e r a n t i - s e e p a g e c a p a c i t y ，a n d t h e n i s s u i t a b l e f o r q u i c k c o n s t r u c t i o n，t h e r e b y，i s w i d e l y u s e d i n b u i l d i n g a n d u n d e r - g r o u n d b u i l d i n g p r o j e c t s H o w e v e r ，i t h a s n o t b e e n S O p o p u l a ri z e d i n t h e i r r i g a t i o n p r o j e c t s w i t h a g r e a t a m o u n t d u e t o i t s h i g h e r c o s t ，c o mp l i c a t e d c o n s t ru c t i o n t e c h n o l o g y a n d h i g h mi x i n g a n d p l a c i n g r e q u i r e me n t s T h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e c o n c r e t e w i t h a l a r g e a r e a t o t h e c o n s t ruc t i o n o f H u a n g t i a n f a n I r r i g a t i o n P r o j e c t ， t h e b e t t e r p r o s p e c t for t h e a p p l i c a t i o n o f t h e j e t s t e e l fi b e r c o n c r e t e t o t h e c o n s t ruc t i o n o f i r r i g a t i o n c h a n n e l i s d e mo n s t r a t e d h e r e i n b a s e d o n t h e a c t u a l e x p e ri e n c e s a n d l a r g e a mo u n t d a t a c o n c e r n e d K e y w o r d s ： j e t - s t e e l fi b e r c o n c r e t e ； i r r i g a t i o n c h a n n e l p m j e c t ； H u a n g t i a n f a n I r r i g a t i o n P r o j e c t 1 喷射钢纤维混凝土的应用原理 喷射混凝土 中掺人钢纤维 ，为混凝土提供 了微 型配筋 ，可增强混凝土握裹力和锚 固力 ，显著提高 混凝土的抗裂性 、延性 、韧性及抗 冲击 能力 。与一 般喷射混凝土相 比，它具有韧性好 、适应变形能力 强和良好 的抗渗性 、耐久性等优点 ，起到代替钢筋 网或钢筋 的作用 ，并与混凝土面或岩 面及 时、完全 结合 ，可达 到相 当好 的防渗效果 ，不但技 术先进 ， 施工速度快 ，同时具有较好 的施工安全性 ， 目前 已 经广泛 地应用 于水 利水 电工程 中 ，如用 于 隧洞 支 护、山体护坡 、低压输 水管、蓄水池 、地下室防渗 等工程 ；用于溢洪道 、消力池 、闸底板等承受高速 水流作用 的部位 ；用于海水 等腐蚀环境 中的 闸门、 输水管道等构件 的防蚀层或结构层 ；用于承受动力 6 0 荷载的机墩 、抗震结构的框架节点等部位 ；用 于大 坝 内廊道 、泄水孔等孔 口复杂应力区和牛腿等受 弯 构件的抗剪以及板 的抗冲切部位 等。但是 由于其成 本较高 ，施工工艺复杂，对配料和操 作人员 的要求 比较高 ，在我 国大量 的渠 道 工程 中并 没有得 到应 用 ，也未见有相关的应用报道。 渠道工 程情况 比较 复杂，灌 溉期 间受到水流冲 刷 ，在坡度较陡的渠段 ，水流湍急 ，经常造成冲刷 ， 而在非灌溉期间渠道内几乎没有水 ，表面的混凝土直 接受到 日晒雨淋 ，特别是冬季 ，受冻开裂 ，所 以每年 灌溉前对渠道的修补工作量大 ，费用高，一直是渠道 管理运行部 门非常头疼的事。同时工程只能在非汛期 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 5 0 9 作者简介 ：祝江裕( 1 9 6 7 一) ，男 ，工程师，副主任。 Wa te rRe s o u rc e s a n dHy d r o p o w e rE n g i n e e r in g Vo 1 4 ，M 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赶进度 、抢时间施工 ，由于劳动力成本上升 ，过去利 用人海战术的冬修水利模式和用常规工艺方法 已不能 满足进度要求 。从前期调查可知，一些单位曾考虑过 应用钢纤维混凝土对渠道修补 ，但是 由于各种原因未 能如愿 。近几年来在这一领域的研究成果 ，解决了一 些应用上关键技术 ，大量生产厂家陆续投入生产 ，供 货方便及时 ，为大面积应用打下 了基础。同时混凝土 面板坝、引水隧洞、修$ 1, JJ I1 固工程等大量的工程应用 实践经验提供了很好的参考资料 ，加上有效地解决 了 成本高 、商品化生产的问题 ，为在渠道工程中应用奠 定 了基础 。 2 工程概况 浙江省富阳市皇天畈灌溉工程起 自高桥镇泗洲村 北青山头，折东引周公坞 、新义溪、坑西溪 、受降溪 来水 ，经猫头山、铜山穿过杭富公路 ，折南引新桥横 山、油橄榄山，至富阳变电所山脚向东 ，到花坞 口汇 入富春江。主流总长 2 7 6 k m，其中北渠长 1 5 8 k m， 控制集雨面积 1 5 8 k m 。按梅雨 5年一遇频率设计 ， 纵坡平均 比降 0 0 2 5 ，渠道排水流量 3 2 0 m s 。北 渠石渠段从横山隧洞至新桥 闸，总长 9 7 1 m，原设计 渠底宽 1 5 m，渠深 7 I n ，过水深 6 m，迎水坡 1 ： 0 4， 纵坡 比降 1 9 0 0，防洪流量 3 2 4 m s 。迎水 面用 C 1 5 混凝土浆砌块 石，厚度 2 01 6 0 c m；堤 中心 以块石 堆筑 ，顶宽 0 8 5 m，底宽 3 3 m；背水坡堆石碴 ，外 边坡 1： 1 5 ；渠底用 M1 0浆砌块石截水 ，与岩石相 联。 该工程建造初期 ，地基未经处理，所采用 的堤身 填筑料渗透性 高、质量差 ，迎水 面浆砌块石抗 渗性 差 ，从而导致并诱发不稳定等现象的发生。( 1 ) 该堤 防的地基压缩层范围内，基岩顶界倾角大 ，其上存在 软弱土层 ，稳定性差 ，存在安全隐患。( 2 ) 由松散状 高渗透性 11 层碎石土填土构成 的堤身 ，存在安全 隐患。( 3 ) 左侧 陡 峭岩坡风 化岩块 崩落存 在安全 隐 患 。 钻探揭露堤身主要 由 11层碎石 土填土组成 ， 堤顶下 2 8 m深度内当采用 4 , 1 5 o m m循环泥浆钻进 时，泥浆泵入量达 5 t h无回浆，透水率 q 1 0 0 L u ， 估算渗透系数 k=1 0c m s ，属强透水 性。从 N 6 3 5 重型动力触探试验值来看 ，该层碎石土填土呈松散状 态，孔隙大。经沿堤身调查 ，7+ 4 0 0至 7+8 0 0段堤 顶发现有潜蚀孑 L 洞及修补痕迹 ，因此该段堤身 由于填 料原因，造成工程安全问题。 迎水面浆 砌块石 ，局 部有 细裂 纹 ，防渗 性差 ， 水利水电技术第4 1 卷2 0 1 O年第 7期 祝江裕喷射钢纤维混凝土在渠道7 - 程的应用研究 7+4 0 0至 7+8 0 0段局部墙背与堤身填 土接触处有 垂直空洞 。堤身背水 面大多为土质边坡 ，7+8 1 0至 8+3 3 8段局 部有 干砌 和浆 砌块 石护 堤 ，但连续 性 差 。 3 工程防渗方案的确定 鉴于地质 条 件及 该 工 程 目前 所 存在 的安全 隐 患 ，考虑 到工程 造价 、大量 土石方 的弃置 等 问题 ， 最终确定 的设计方案是 ，宜 因地制宜 ，充分利用现 有材料进行加固处理 ，对原 有堤防迎水面的主体没 有进行大 的动作 ，堤 身防渗体 采用喷钢纤维混凝土 的结构具 体方 案是 ：( 1 ) 渠底 清 除原有 砌石 护底 ， 对空洞进行开挖 回填处理 ，基底岩基埋深较浅 的在 浆砌石挡墙处渠 底浇筑 3 I I 1 宽 的钢筋混凝 土底板 ， 并在岩基上开挖入岩不小 于 1 m 的截渗槽 ，与底板 一 起浇筑混凝土防渗墙 。而对于基岩埋深大于 1 5 m 的，则 选 用 两排 帷幕 灌 浆 进 行 渠 底 的垂 直 防渗 。 ( 2 ) 迎水面浆砌 石 ，通过清 除砌 石表面 ，喷射钢 纤 维混凝土进行墙 面防渗。 ( 3 ) 伸缩缝 则通过 沥青 砂 浆进行处理 。从而 由基岩、帷幕 混凝土截渗墙 、钢 筋混凝土底板 、钢纤维混凝土护面形成渠道的防渗体 系 4 湿喷钢纤维混凝土配合比设计 经过充分分析论证 ，并通过实际施工中的优化调 整 ，工程最后采用以下参数指标。 4 1 材料选定 ( 1 ) 钢纤维材料 。对 钢纤 维 ，经过 厂 家质 量对 比，参考已建工程的实践 ，并根据专家建议 ，选定 了上海生产 的哈瑞 克斯 Z P 3 0 0 5型钢纤 维。其 长 度为 3 0 m m，直径为 0 5 m m，长径 比为 6 0 ，单根抗 拉强度 I 1 0 0 MP a ，由机器铣削钢锭而成 。 ( 2 ) 骨料。粗骨料 最大粒 径 为 1 5 m m，级配 良 好 ；细骨料采用细度模数 3 0的天然河砂。 ( 3 ) 硅粉。湿喷钢纤维混凝土中掺加硅粉 的主要 目的是改善喷混凝土的可泵性和喷射性能。硅粉 由极 微细的颗粒组成 ，其微粒 比表面积在 2 0 m g以内， 而普通硅酸盐水泥的表面积为 0 2 0 5 m g 。掺加 硅粉后 ，增强 了混凝土的粘性 ，有效阻止了混凝土的 离析 ，减少了喷射过程中堵管的可能性 。喷混凝土粘 性的增强，需要增加减水剂的用量， 但可降低混凝土 回弹量和速凝剂的用量。硅粉的掺加量应通过试验控 制 ，掺加量太大容易造成 喷混凝土面塑性干缩开裂。 试验后确定硅粉掺加量为 3 4 k g m 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 祝江裕喷射钢纤维混凝土在渠道工程的应用研究 ( 4 ) 水泥。选用 R 4 2 5级普通硅 酸盐水泥，经检 验，标准稠度 、凝结时间、安全性等符合要求。 ( 5 ) 减水剂。选用天津外加剂厂生产的 MF一 2型 减水剂 ，拌制混凝土时添加 ，添加量为 0 4 ，减水 效果明显 ，每立方米混凝土减少用水 3 5 。 ( 6 ) 速凝剂。选用天津外加剂厂生产 的 L D一 9 9 1 型液体速凝剂 ，由湿式喷射机添加 ，添加量为胶凝材 料的 4 5 。 4 2配合 比试 验 与普通喷混凝土相 比，湿喷钢纤维混凝土的配合 比除了需要考虑到普通喷混凝土配合 比设计 因素外， 必须考虑到喷混凝土的可泵性及混凝土在喷射面上的 附着性。试验人员首先在试验室进行配合比筛选 ，然 后进行实地喷射试验。实地喷射试验的主要 目的是 ： ( 1 ) 观察喷混凝土对喷射面的附着性 ，即喷射面上的 新鲜混凝土是否会塌落 ；( 2 ) 现场喷射混 凝土大板 ， 以便试验取心样检测试件强度 ；( 3 ) 观察喷混凝土中 钢纤维分布的均匀性 ；( 4 ) 测试湿喷钢纤维混凝土的 回弹率；( 5 ) 测试湿喷钢纤维混凝土的可泵性。最初 湿喷钢纤维混凝土配合比没有采用减水剂 ，配合比见 表 1 。后根据 2 8 d强度分析及回弹测试 ，试验人员对 配合 比中的水灰比及砂率做了调整，调整后的配合比 见表 2 。 5 施工质量控制 5 1 湿喷机的选用 根据性能及价格对比，最终选定郑州生产的康达 牌湿喷机，湿喷机 自配流量泵和仪表以控制液体速凝 剂的用量 ，湿喷机出料能力为 6 m h 。 5 2工艺流 程 按设计配合 比将骨料、水泥 、钢纤维 、硅粉等加 入搅拌机中搅拌 2 m i n后，加入水和外加剂再搅拌 5 m i n ，然后打人混凝土搅拌罐车中。 5 3施工方 法 ( 1 ) 喷射前 岩面处理。在喷射钢纤维混凝 土前 ， 用机具凿除浆砌石勾缝和岩面表层风化层，用喷头高 压风加水吹洗掉岩石表面附着的粉尘及其他杂物 ，使 岩面处于饱和状态 ，以增加钢纤维混凝土与岩面的粘 结力。( 2 ) 喷射过程控制。喷射距离及喷射角度。喷 头与受喷岩面的垂直距离控制在 0 8一 一 1 0 r n ，喷头 与受喷面的夹角应控制在 7 5 。 9 0 。 。 工作风压 。根据湿喷机与作业面的距离，工作风 压一般控制在 0 3 0 4 MP a 。 一 次喷射厚度及速凝剂掺量。一次喷射厚度主要 取决于钢纤维混凝土的粘聚力和它与岩面的粘聚力。 设计厚度为 8 c m，一次喷射厚度控制在 4 e m，边墙 部位控制在 5 6( 3 1 1 1 。 喷射顺序及方法。喷射 时应按照分段、分部位 、 自下而上的顺序进行。喷射时喷头应作顺时针方向旋 转。 5 4施工质量管理 材料管理 ：材料质量直接影响喷混凝土的各项性 能，因此每次喷混凝土作业前 ，需对骨料进行检测 ， 不合格骨料严禁使用 ；水泥、硅粉及外加剂需定期试 验。 人员管理 ：喷射手的操作水平直接关系到喷混凝 土的效果。因此施工单位对操作手进行 了考试选拔和 实地喷射 ，最后优选 出最佳喷射手担任操作手。 回弹量控制 ：喷混凝土的回弹率在一定程度上反 映了配合比是否合理 ，骨料是否超径 ，喷射手是否操 作熟练等 ，同时也是控制成本的重要依据。试验人员 对回弹率进行 了跟踪测定 ，并对配合 比作 了相应调 整 ，对施工工艺也进行了改进和控制，最终回弹率控 制在 5 7 左右。 强度质量控制 ：要求每次喷射作业都进行了试件 取样 ，每组 3个试件，试件来 自现场喷射 的试验大 板。在配合 比设计 阶段 ，进行了 3 、7 、2 8 d强度试 验 。 钢纤维混凝土厚度控制 ：钢纤维混凝土的厚度控 表 1 湿喷钢 纤维混凝土配合比 用水量 水泥 硅粉 砂率 速凝剂 钢纤维 容重 2 8 d 设计要求 水灰 比 陷度 cm k g m一 k g m一 k g m一 k g k g k N m一 抗压强度 CF 2 5 0 5 5 79 2 3 5 3 9 5 3 4 6 8 4 O 5 0 2 1 8 5 5 3 5 表 2调整后的湿 喷钢纤维混凝土配合 比 用水量 水泥 硅粉 砂率 速凝剂 钢纤维 容重 2 8 d 设计要求 水灰 比 陷度 cm k g m一 k gm一 k g m一 k g k g k N m一 抗压强度 CF 2 5 O 5 2 7 9 2 1 5 3 9 5 3 4 6 5 4 5 5 0 21 8 9 5 3 5 6 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0 年第 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 制 ，一方面要满足设计要求 ，另一方面因其混凝土成 本较高 ，施工时应尽量减少超喷。因此采用在施喷前 受喷面埋设标志物的方法 ，间距 1 m，埋设数量基本 能反映喷层厚度。一般情况下，喷混凝土厚度采用钻 取芯样检查 ，在喷混凝土完成后。 冬季施工质 量控制 ：( 1 ) 钢 纤维混凝 土采用 温 水拌制 ；( 2 ) 粗 细骨料 采用 暖风预 热 ；( 3 ) 对现 场 添加的液体速凝 剂预热 ，温度 不应低 于 5 o C；( 4) 喷射前作业面用高压风 吹干净 ，尽量避免用水 清洗 岩面 ；( 5 ) 混凝 土搅 拌运输 车在作业现 场等待 的时 间不宜过长 ；( 6) 为防止 已喷混凝土 由于气温低 而 上冻 ，拌制钢纤 维混凝 土时应加 入适 量 的抗 冻剂 ； ( 7 ) 作业面喷射完成后 ，加盖保 温被或 聚氯 乙烯 卷 材 。 6 湿喷钢纤维混凝土的效果评价 通过在富阳市渠道中的应用对渠道中如果应用该 种材料 ，如果针对渠道组成 ，选定钢纤维裹料 ，粉、 水泥 、减水剂 ，同时经过设计和施工实际试验 ，调整 了最佳的配合比，既节省了投资 ，特别是在施工设备 的选用上根据渠道工程 的特点选择 了相关 的施工设 备 ，在施工组织方面对机械 、人员的配备做 了十分有 利的尝试 ，使得施工进度大量提高，在施工方法和施 工质量方面 ，本工程通过大量的实际数据 ，使得在费 用最省的情况下，质量得到有效控制 ，确保 了施工的 质量和进度。 6 。 1 质量比较 渠壁如采用钢筋混凝土 ，由于钢筋 网不能紧贴岩 面 ，造成喷混凝土不能与岩面均匀粘结 ，影响加固效 果 ，同时将造成大量超喷。采用钢纤维喷混凝土可以 沿凸凹面均匀 喷射，与岩石 问粘结 良好 ，支护质量 高 ，节省喷混凝土量 。 6 2性能比较 根据钢纤维混凝土配合 比所做的强度试验成果表 明 ，钢纤维混凝 土的抗折性 能、抗裂性能 、抗 拉性 能、抗渗性能以及韧性 ，在 同等强度情况下均 比普通 网喷混凝土要好得多 ，说明了喷钢纤维混凝土代替网 喷混凝土 的可行性及优越性 。 6 3 经济效益比较 与普通混凝土相比，仅从材料费用考虑 ，钢纤维 混凝土费用较高 ，但钢纤维混凝土性能好 ，所需的厚 度较普通混凝土小得多 ，综合比较钢纤维喷混凝土更 为经济。 节省人工及工期 ：常规混凝 土作业 ，挂设 钢筋 水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第 7期 祝江裕 喷射钢纤维混凝土在渠道工栏的应用饼究 网及立模的时间为喷混 凝土总时 间的一半 ，而且挂 网时往往 要 占用 高 空作 业 车 ；采用 钢纤 维 喷混 凝 土 ，可节省挂网的人工 、设 备 、时间 ，经济效益可 观 。 总之 ，本工程在采用 了钢纤 维混凝 土后 ，施工 简单 、无需 编扎 、节省 时间，工序转换 更迅速 ，外 观美观 、耐用 ，提高变形能力 ，节省投 资 ，质量稳 定 。 7 结语 ( 1 ) 钢纤维混凝土解决 了钢筋混凝土难以解决的 裂缝 、耐久性等问题。 ( 2 ) 目前钢纤维 混凝土在 渠道 等农 田水 利工程 应用 中主要 的问题是钢纤维生产成本 较高 ，造成钢 纤维混凝 土初始造价较 高。为此 ，一方 面 ，相关 的 生产厂家应努力降低钢纤维生产成本从而降低钢纤 维混凝 土的总造价 ；另一方面 ，在应用时不应只计 一 次性投资 ，而应考 虑钢纤维混凝土 的优越使用性 能 、较低 的 维修 费 和使 用 寿命 延长 等综 合 经济 效 益 。 ( 3 ) 随着对钢纤维混凝土的理论研究 的深入和在 工程中的不断应用 ，积极探索和经验积累 ，在提倡低 碳经济的时代 ，钢纤维喷混凝土是渠道等中小型水利 的优先选择 。 ( 4 ) 本工程的经验为今后 中小型水利工程特别是 渠道工程的应用提供非常有价值的实际数据资料。 目 前 已有许多单位前来参观学习，并在本项 目的基础上 得到了有效的应用。 参考文献 ： 1 樊承谋 ，赵景海 ，程龙保 钢纤维 混凝 土应用技术 M 哈尔 滨 ：黑龙 江科技 出版社 ，1 9 8 6 2 赵国藩 ，黄承逵 纤维混凝 土的研 究与应用 M 大连 ：大连 理工 大学 出版社 1 9 9 2 3 高丹盈 ，刘建秀 钢纤维混凝土基 本理论 M 北 京 ：科学技 术文献 出版社 ，1 9 9 4 4 成宽 ，王炳军 湿喷混凝土施工技术 总结 J 西部探 矿工程， 2 0 0 3 ( 1 ) 5 罗章 ，李启 月 ，凌 同华 钢纤 维混凝 土的 程应用 研究 J 江西有色金属 ，2 0 0 3 ( 2) 6 王一飞 ，王海冰 钢纤维 混凝土施 工与泵送 技术 J 建筑技 术 ，2 0 0 3 ( 1 ) 7 G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ，混凝 土外加剂应用技术规范 s 8 C E C S 3 8 9 2 ，钢纤维混凝 土结构技术与施工规程 S ( 责任编辑聂建平) 6 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m