喷射钢纤维混凝土性能试验研究.pdf

2 0 1 1年第 6期 煤炭工程 喷射钢纤维混凝土性 能试验研究 赵春孝 ，王兴国 ，程朝霞 ，王一新 ，徐 ( 1 平煤建工集团，河南 平顶山4 6 7 0 0 0 ；2 河南理工大学 土木工程学院， 平 河南 焦作4 5 4 0 0 3 ) 摘要 ：通过不同的配合比和掺入不同体积率的钢纤维混凝土来进行对比，利用抗压、劈裂抗 拉和抗折试验分析钢纤维混凝土的性能。结果表明，水灰比为 0 5的钢纤维混凝土抗压、抗折、抗 拉强度分别比未加钢纤维混凝土提高了 1 0 3 、9 6 和 3 3 5 ，水灰比为 O 6的钢纤维分别提 高 了3 3 8 、1 0 8 和 8 4 ；而对于不同掺量的比较 中，掺量较高的混凝土强度提 高要 高一些。由 此可见 ，在不同的水灰比和不同的掺量下对混凝土的性能会产生不同的影响，但 总体看来钢纤维能 够提高喷射混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度等性能，能够为地下工程提供更好的支护作用。 关键词 ：钢纤维混凝土；喷射混凝土；抗压强度 ；抗折强度 中图分类号 ：T U 5 2 8 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 6 7 1 0 9 5 9 ( 2 0 1 1 ) 0 6 - 0 0 9 1 -03 在煤矿巷道建设中，锚喷支护是一种成本较低而施工 效率较高的支护方式 ，一直被应用于工程中。喷射混凝土 的性能对隧道和巷道的施工质量和安全有很大影响，干喷 和潮喷的水灰比随意性大，导致喷射混凝土的质量离散性 大、抗渗性能差等问题。随着材料科技 的发展，钢纤维等 外掺材料逐渐被应用于混凝土 中来提高混凝土的性能。钢 纤维混凝土具有抗拉、抗弯、抗剪、阻裂、增韧等优良性 能 “ ，文章通过不同的配合比和外掺不同体积率的钢纤 维对喷射混凝土的性能进行研究，为工程应用提供参考。 1 试验材料 水泥 ：采用的是4 2 5普通硅酸盐水泥，细度、凝结时 间和体积安定性等 常规测定均合格。砂、石集料：石子 ， 最大粒径为 1 5 ram；砂子，细度模数为2 6 ，中砂，含泥量 0 0 5 ，含水率 1 。速凝剂：采用的是粉状速凝剂 ，初凝 和终凝时间均合格。钢纤维 ：采用的是 S F B剪切型波形钢 纤维 ，长径 比为 3 6 。 2试验方案 考虑现场的水灰 比不易控制 ，室内进行试验时，水灰 比分别选择了0 5 、0 6 ，而对于钢纤维的掺量 ，理论上讲， 钢纤维越多，长径比越大 ，增强的效果越好。但是，这样 可能会影响混凝土拌合 的和易性和振捣 的密实性 ，反而降 低混凝土的性能 ，因此试验选用体积率分别为 0 6 3 7 和 1 2 7 4 两种掺量利用外掺的方法进行对 比。速凝剂对于水 泥的最佳掺量一般选择 2 5 一 4 ，所以试验采用水泥质 量的4 作为试验掺量；对于粗细骨料的选择本试验根据现 场材料的级配( 见表 1 ) 进行了级配筛选。最后 ，参照标准 钢纤维混凝土 ( J G T 3 0 6 41 9 9 9) 和 钢纤维混凝土 试验方法 ( C E C S 1 3 ：8 9 ) E 6 进行试验。 表 1 材料的级 配 试验所用的配合比见表 2 。 表 2 混凝土 配合 比 3 试验结果对 比分析 3 1 不 同水灰 比钢 纤 维混凝 土试件 钢纤维混凝土在不同的配合 比条件下，由于不同的水 灰比，可能会影响钢纤维在混凝土中的分布，进而对钢纤 收稿 日期 ：2 0 1 0 0 6 2 3 基金项目：平煤建工集团科技项 目( H 0 9 2 4 2 ) 作者简介：赵春孝( 1 9 6 5一) ，男 ，河南郾城人 ，高级工程师，主要从事矿井建设技术与管理工作。 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1年第 6期 维的抗压、抗拉等强度值产生影响，有关试验结果见表 3 。 表 3不同水灰 比试 件试 验结果 注 ：抗 压 试 件 和 劈 裂 抗 拉 试 件 尺 寸 为 l O O m m l O O mm l O 0 m m，抗压试件尺寸为 l O O m m l O O m m 4 0 0 ra m， 结果分别乘以 折算系数。 3 1 1 抗压强度 当混凝土中掺人一定比例的钢纤维后，通过搅拌钢纤 维均匀分 布于混凝 土 中，抗压 试验 结果 显示 ：水灰 比分 别 为 0 5和 0 6两种配比在掺入钢纤维与未加钢纤维的素混 凝土 2 8 d抗压强度相比较能够分别提高 1 0 3 和 3 3 8 。 抗压试验中，不同水灰 比的配比产生了不同的增强效 果 ，水灰 比为 0 6的钢纤 维 混凝 土增 强 的效 果更 加 明显 ， 这是 因为混凝 土在加入 钢纤 维和速 凝剂 后 ，由于速凝剂 中 的熟料与水泥中的熟料进行 了水化反应消耗 了一部分水 分 ，并且放出水化热，使得混凝土变得干燥而不易搅拌 和振捣 ，可能 出现钢纤 维分布 不均匀 及混 凝土振 捣不 密实 等问题，从而影响混凝土的抗压强度。因此 ，水灰比为0 5 的钢纤维 混凝 土的增强效果 不太显著 。 一 般 认为 ，钢纤维混 凝土所 受力是 钢纤 维和 混凝 土基 体受力的总和，但是通过微观分析，混凝土的破坏是因为 混凝土中细微裂缝在受力状态下，裂缝端部出现应力集中， 使得裂缝进一步扩展，而掺人钢纤维后 ，钢纤维能够缓和 应力集中起到阻裂的效果 ；而且 ，通过空间模型分析 钢纤维混凝土的受力强度还受到钢纤维的方向系数和粘结 系数等因素的影响，当钢纤维方 向与混凝土受力一致时， 能够增强混凝土的受力强度，但当钢纤维与混凝土受力方 向垂直时，则不能起到增强效果。但是在进行喷射混凝土 时，钢纤维的分布将近似二维分布，所以通过空间模型受 力分析钢纤维的受力状态是能够提高混凝土的强度的，并 且其方向与硐室的环向主应力方 向一致，对控制裂缝的发 展更加有利。其次钢纤维与混凝土集料之间的粘结也是影 响钢纤维混凝土增 强性能 的一 个重要 原 因，混 凝土 在受力 状态下，由于钢纤维的增强特性是通过粘结力来进行传递 的，一旦钢纤维拔出混凝土或受拉断裂将不能继续正常工 作，从而使得增强效果失效。这些增强的因素也影响着钢 纤维混凝土的阻裂和增韧性能 ，在抗折和劈裂抗拉试验结 果中也有体现。 3 1 2 抗折强度 从混凝土的抗折强度 ( 见表 4 ) 可以看出，当混凝土在 掺入钢纤维后 ，水灰 比为 0 5的钢纤维混凝土相 比较于未 加钢纤维的混凝土提高了9 6 ，水灰比为0 6的钢纤维相 92 比较于其未加钢纤维的混凝土抗折强度提高了 1 0 8 。在 试验过程中，未掺人钢纤维的试件在抗折破坏时，会瞬间 破坏断裂成两段；而掺入钢纤维试件，在抗折破坏时，并 未出现瞬间破坏，而只是出现裂缝使得不能继续加载受力。 通过试验结果和试验破坏状态，可以很好的得H l 掺入钢纤 维后，钢纤维通过其与混凝土之间的粘结力，能够通过其 自身强度 ，阻止裂缝 的发 展 。 。 J 。故通过试 验可 以得 出掺 人钢纤维能很好的增强混凝土的韧性，延缓混凝土的破坏。 钢纤维在掺人混凝土中与混凝土形成一个整体 ，共同受力 从而起到增强的效果 。 3 I 3 劈 裂抗拉强 度 劈裂抗拉试验过程中，也出现了抗折试验过程的现象 ， 在掺人钢纤维后 ，并没有出现断裂的现象能够延缓混凝土 的破坏，而素混凝土则出现 了断裂。而且试验结果中也显 示 出，水灰 比为 0 5的钢纤维 混凝 土相 比较于未 加钢 纤维 的混凝土抗拉强度提高了3 3 5 ，水灰比为 0 6的钢纤维 相比较于其未加钢纤维的混凝土抗拉强度提高了8 4 。虽 然提高的强度不同，但是总体上都是对混凝土的抗拉强度 有所提高的 。 通过不同水灰比对比，在掺人相同体积率的钢纤维的条 件下 ，钢纤维能很好 的增强混凝 土的性能 ，但是随着水灰 比 的减小 ，钢纤维 的掺入会影 响混凝土 的和易性 ，从而影 响钢 纤维在混凝土中的分布，进而影响钢纤维的增强性能。 3 2不 同掺 量钢 纤维试件 作为用于喷射混凝土的钢纤维混凝土，对于钢纤维的掺 量，需要一个较为合理的参数 ，不能单从理论 七增强性能的 角度出发 ，掺入越多越 好 ，它有一个度 ，而且掺人过 多时 ， 在施工中可能会造成堵管等影响施工的问题。在进行不同掺 量的试验过程中，考虑在室内做试验，混凝土的密实度可能 达不到现场的要求，所以利用水灰比为0 6的配合比进行 比 较，因为在进行水灰比为0 6的试件制作中，它的和易性 比 较好 ，而且振捣效果 比较好。有关实验结果见表 4 。 表 4 不同掺量试件试件结果 钢纤维体积率是钢纤维所 占钢纤维混凝土体积的百分 数。混凝土在掺人不同体积率的钢纤维后，与基准混凝土 试件相比，体积率分别为 0 6 3 7 和 1 2 7 4 的钢纤维混凝 土抗压强度分别提高3 3 8 和 5 5 8 ，抗折强度分别提高 了1 0 8 和2 5 7 ，抗拉强度分别提高了8 4 和 4 0 1 。 由此可见，随着钢纤维掺入量的增加混凝土的增强效果也 越显著 。 试验中，掺人体积率大的钢纤维混凝土就比掺人体积 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 6期 煤炭工程 率小的钢纤维混凝土增强效果好，正是钢纤维在混凝土的 间距变小 ，从而增加 了钢纤维混凝土的初裂应力，从而表 现出增强的效果。所以钢纤维 的间距的不同，其增强效率 是不同的。但是也不是钢纤维掺入量越多越好，当钢纤维 掺入一定量时，就会影响混凝土的和易性，从而影响混凝 土的密实性，进而影响混凝土的强度，可能降低混凝土的 强度。所以钢纤维掺入量在一定的范围内，掺入量越大其 增强效率越显著。 4结语 钢纤维掺入混凝土中，会对混凝土的性能产生一定的 影响。文章通过抗压、抗折、劈裂抗拉试验，得到了钢纤 维在掺入混凝土后 ，不 同的水灰 比将会影响钢纤维混凝土 的性能。通过试验表明，当水灰 比过小时会因速凝剂的影 响造成混凝土干燥而使得钢纤维分布不均匀，振捣不密实， 增强效果降低。而且通过不同掺量的对 比，在掺人体积率 为 1 2 7 4 和体积率为 0 6 3 7 的试件与基准试件相 比时增 强效果更加显著，所以在一定体积率范围内掺入钢纤维将 会影响钢纤维混凝土的性能。通过试验的比较研究可知， 钢纤维的增强效果最终还要取决于混凝土本身的基本性能 和钢纤维在混凝土中的分布。当然 ，钢纤维混凝土广泛应 用于巷道支护尚需考虑成本、纤维长度、操作工人劳动安 全防护等因素。 参考文献： 1 赵 国藩 ，等钢纤维混凝土结构 M 北京 ：中国建筑工 ( 上接第9 0页) 式 ( 1 9 ) 可简化为A S= = 二= = ， 同样 I 、 “ 2 ( l +u 2 ) ( c o t ) +1 及 O 为定值 ，运输平巷超前回风平巷距离仍取决于采煤工 作面长度布置。 5结论 1 )系统分析并给出工作面支架不下滑、不倾倒条件表 达式及支架对工作面条件的适应关系。 2 )考虑支架升架过程中重心动态变化对支架稳定性影 响，给出区段运输平巷超前回风平巷距离参数并给出计算 式( 1 3 ) 。 3 )从支架处于支撑状态分析其稳定条件，给出平巷超 前距离计算式( 1 5 ) 。 4 )为实现平行移架的措施，给出平巷超前距离计算式 ( 1 9 ) 。 5 )取上述区段运输平巷超前回风平巷距离表达式值中 较大者作为工作面伪斜布置参数 。 参考文献： 1 王泽磊，曹连民，刘有芳大倾角液压支架防倒防滑研究 1 0 1 1 1 2 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 业出版社 ，1 9 9 9 陈秀云 ，费建刚 ，孟会 英钢纤维混 凝土配 合 比设计试 验 研究 J 混凝 土，2 0 0 9，( 7 ) ：1 1 11 1 6 S i n g S P， Mo n a mma d i y， Ma d a n S K F l e x u r a l f a t i g u e s t r e n g t h o f s t e e l f i b e r c o n c r e t e c o n t a i n i n g m i x e d s t e e l f i b e r s J Z h e j i a n g U n i v S C I E N C E A，2 0 0 6 ，7 ( 8 ) ：1 3 2 91 3 3 5 J e n g F S ，L i n M L ，Y u a n S C P e rf o r ma n c e o f t o u g t n e s s i n d i c e s f o r s t e e l fi b e r r e i n f o r c e d s h o t c r e t e J T u n n e l l i n g a n d U n d e r g r o u n d S p a c e T e c h n o l o g y ，2 0 0 2，1 7 ( 9 ) ：6 9 8 2 J G T 3 0 6 4 1 9 9 9 ，钢纤维混凝土 s C E C S 1 3 ：8 9，钢纤维混凝土试验方法 s 何廷 树 昆凝 土外 加 剂 M 陕 西 科技 出版社 ，2 0 0 3， ( 8 ) ：1 0 81 1 2 杜国平 ，刘新荣 ，祝云华 ，等隧道 钢纤维 喷射 混凝土 性 能试验 研 究 及 其工 程应 用 J 岩 土力 学 与 工程 学 报 ， 2 0 0 8，2 7 ( 7) ：1 4 4 81 4 5 4 杨晓华 ，周朝阳 ，贺学 军 ，等钢纤 维对混凝 土裂纹尖 端 应力强度因子的影响 J 湖南科 技大 学学报 (自然科 学 版 ) 2 0 0 9 ，2 4 ( 3 ) ：4 8 5 1 A l a n F K P e rme a b i l i t y s t u d y o f c r a c k e d c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ，1 9 9 7 ，2 7 ( 3 ) ：3 8 13 9 3 袁敬钢纤维混凝土界面粘结机理及 细观力 学有 限元分 析 D 天津 ：河北工业大学 ，2 0 0 7 刘明高 ，高文学 ，张为 ，等钢纤 维喷射混凝 土及其在 隧 道工程 中的应用 J 铁道建筑 ，2 0 0 6，( 2 ) ：4 3 4 5 ( 责任编辑郭继圣) 、 J 煤矿机械 ，2 0 0 8 ，2 9 ( 3 ) ：3 43 6 王怀珍三软厚煤层大倾角综放工作 面防倒 防滑技术研 究 J 煤炭技术 ，2 0 0 3 ，2 2( 9 ) ：1 0 21 0 3 段子晔 ，马世 忠大 倾 角大 采 高综 采 防倒 防滑 技 术探 讨 J 矿山压力与顶 板管理 ，2 0 0 2 ，( 4 ) ：6 2 6 6 师贺庆倾斜厚煤层综放开采技术探讨 J 矿山压力与 顶板管理 ，2 0 0 1 ，( 1 ) ：4 4 4 6 林忠明，陈忠辉，谢俊文，等大倾角综放开采液压支架 稳定性 分 析与 控制 措施 J 煤 炭学 报 ，2 0 0 4，2 9( 3 ) ： 2 6 4 2 6 8 龚字 ，阎海琴大倾角工作面液压 支架 的稳 定性分析 及 防 倒防滑措施 J 煤矿机械 ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 1 O ) ： 8 6 8 8 何 富连 ，钱 呜高 大采 高 液压 支架 倾 倒特 征 与控 制 条件 J 中国矿业大学学报 ，1 9 9 7 ，2 6 ( 4 ) ：2 0 2 4 李向华大倾角厚煤层长壁综放工作面支护系统复杂性研 究 D 西安：西安科技大学， 2 0 0 6 郑维强急一倾斜煤层综放液压支架稳定性分析与防倒防 滑装置研究 D 西安：西安科技大学 ， 2 0 0 6 钱鸣高，刘听成矿山压力及其控制 M 北京：煤炭工 业 出版社 ，1 9 9 1 ( 责任编辑郭继圣) 9 3 J J 1 J 1 j 1 J 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m