聚丙烯纤维喷射混凝土在隧洞支护中的应用与探讨.pdf

工 程 | 聚丙烯 纤维喷 射混凝 土在 隧洞支护 中的 应 用与探 讨 黪宋荣礼 ( 中国水电老挝南欧江流域发电有限公司) 【 摘要】 结合工程实践，介绍了掺入聚丙烯纤维喷射混凝土施工方法，阐述了聚丙烯纤维在喷射混凝土混凝 土中的作用机理及使用效果。实际应用表明：掺入聚丙烯纤维能显著改善喷射混凝土回弹损失率高、抗渗性能 差、抗裂性能低等不足，并具有较显著的经济效益，更适合于隧洞喷射混凝土工程。 【 关键词】 喷射混凝土 聚丙烯纤维 隧洞支护 1 概述 九龙 河 一 期 电 站 工 程 沙 坪 电 站 引 水 隧 洞 全 长 4 7 0 6 3 9 6 m，偏 桥电站引水隧洞全长 7 4 0 2 m，一 道桥 电站 引水隧 洞 全 长 9 9 6 8 m。设 计 衬 砌 为 ：对 类 围岩 ，边 、 顶拱喷 l O c m厚混凝土支护，底板素混凝土厚 2 0 c m；对 类 围岩 ，边 、顶拱喷 1 5 c m厚混凝 土 ，挂 网+系统锚杆 支护，底板素混凝土厚 2 0 c m；对类围岩，挂双层钢筋 网+系统锚杆支护 ，边顶拱 喷 2 5 c m 厚混凝土 支护 ；对 V 类围岩，6 0 c m厚双层钢筋混凝土衬砌 ；V类围岩顶拱进 行回填灌浆，并对周边进行固结灌浆处理。 由于普通喷射混凝土存在喷射回弹损失率高、抗渗 性能差、抗裂性能低等不足，采用掺加钢纤维材料来改 变喷射混凝土的性能存在成本高，对喷射机具要求高， 喷射施工过程中拌和困难、易堵管、施工机具磨损严重、 工效 降低 等缺 陷。用 聚丙 烯纤 维作 为喷 射混 凝 土的微 加 强筋 系统 ，可克服 钢纤 维材 料 的诸多 缺 陷 。聚丙 烯纤 维 喷射混凝土方案经过在沙坪 电站引水隧洞试验论证后 ， 在九龙河 一期 电站 工 程 三 个 电 站 引水 隧洞 得 到 较 好 的 应 用。 2 聚 丙烯纤维的作用机理和理化标 准 2 1 作 用 机理 聚丙烯纤维同水泥石结合力很强。当纤维以 0 9 k g r n加入混凝土后，纤维丝随着搅拌，受到水泥、砂石的 冲击后散开，1 0 0 0多万根短纤维均匀分布在混凝土中， 南于纤维与混凝土问握裹力很强，可有效地控制混凝土 晶体间的位移，因而可提高混凝土的断裂韧性和抗拉强 度。均匀分布在混凝土中的大量纤维起分流和筛滤的作 用，降低了混凝土表面析水，阻碍集料的离析，使其微 小的孔隙含量大大降低，提高了混凝土的抗渗能力。 在水泥 固化早期 ，聚丙纤 维混 凝 土 比普 通混 凝 土可 保持更多水分 ，水泥水化反应更彻底，骨料离析减少 ， 级配更加稳定，表面强度较普通混凝土更高。当聚丙烯 纤维混凝土受到拉 伸和冲击力作用时，均匀分布且数 量巨大的聚丙烯纤维起到吸收能量和分散托力的加 强 筋作用。冈此 聚丙烯 纤维 混凝 土具有 耐 冲击 及抗 震 作用 。 聚丙烯纤维是大分子结构，温度4 0 0 时，具有收 缩性 ，当温度 一4 O 时 ，玻 璃态 和结 晶 态大分 子具 有 抗收缩性，这种性能正好补偿混凝土的热胀冷缩性。 聚丙烯纤维改善混凝土 的综合 特性 主要是物 理作用 ， 不改变混凝土 中材料 的化 学性 能构 成 ，因此 不会 影 响其 耐久 性。同样 混凝土 对其 包裹 的 聚丙烯 纤维 也不 会改 变 其化学特性，冈此也不会影响纤维的耐久性。故聚丙烯 纤维 混凝 土有较强的耐久性 。 2 2 聚丙烯纤维的理化标准 堆积密度 9 0 0 1 0 0 0 k g m3 ；熔点 1 5 5 1 6 5 ；燃 点5 5 0 ；导热系数0 5 w ( K m) ；单位体积电阻 系数 6 1 0 2 1 2c r n ；抗 酸碱 腐 蚀能 力 高 ；抗 拉强 度 5 0 0 MP a ；弹性模 量 3 5 0 0 MP a ；断 裂伸 拉率 1 O 2 O ；分散性好 ，均匀不成 团 ；不 吸水 ，无毒性 。 4 3 j i 甏 囊 誊 ； 。 i | 7 K 水 电沲5 2 2 0 1 4 、 强 、 强 3 回弹 、抗渗性 能及力学性能对 比试验 3 1 对 比试 验 条件 在沙坪电站引水 隧洞 2号支洞上游隧洞进行厚度 l 5 c m ( 钢筋 网间距 2 0 c rux 2 0 c m)的挂网喷护 ，现场施工 采州湿喷法。进行 不掺纤维混凝土 与存原配比 加入 0 9 k g m 。的聚丙 烯纤 维 ，并刚大 板对 两 种混 凝 士成 型 ， 同时对 同弹损失率进行柃测 。 试验组喷射面符合喷射混凝土作业面要求。喷射时 作面具有 本相 同的表面平整度和岩体状态，将塑料 布铺在受喷面F方收集 回弹物。喷射完毕后收集回弹物 斤称重。 3 2 施 工方 法 ( 1 )施T顺序 ：将砂 、石 、纤维 、水泥一起十拌 ，然 后 冉加水湿拌 。 ( 2 )拌制时 问：普通混凝 土拌 制时 间为 2 3 mi n ，聚 丙烯纤 维混凝土 的拌制 强度 比普通 混 凝土 的略 大 ，拌制 时问 4 5 mi n 。延长混凝土的拌制时间不会影响纤维的 分布和混凝土的强度 。做到拌和均匀 ，随拌随用 。 ( 3 )岩 面处碑 ：厢高压水将基岩表 面松 动岩块 、彳 T 粉 冲洗干净 。喷射前 ，1L f j 喷射 机在 工作 面 上消 适量 水 ，保 持一 一 定湿度 ，提高 岩面 黏 附力 。有 渗水 处预 先采取 打孔 使 水源集中措施处理 。 ( 4 )喷射作业 ：先边墙后顶拱，先喷低 凹处，再找 平。喷嘴至【作 面的距离一般为 0 8 1 _ 0 17 l ；喷射角度 控制在 8 O 。 9 () 。 左 右 ；喷嘴 处 的风 压 一般 控 制在 0 3 0 5 MP a ；喷嘴按螺旋形轨迹移动 。 停机顺序 为：先关 主 电动机 、振 动 电动机 一 关速 凝 剂计量泵一火 主风 阀，速 凝剂辅 助 风阀 暂 关闭一 清 洗 速凝剂管路一清洗主机。 ( 5 )喷射作 业过程 中，上 料速 度尽 町能 均匀 连续 适 中，始终保持进料斗 I l 有一定 的 存 量 。一旦 发生堵 管 ， 要立 即停 _丰电动机和振动器 ，然后关风 。 ( 6 ) 弹量调 整 ：开 始 时 同弹量 较 大 ，形 成 塑性 层 后 。粗骨料嵌入 ，回弹 量减 少 ，一 次性 喷 射 混凝 土 厚度 小小于 6 c m，拱 顶为 6 8 c m，边墙 为 7 l O c m。 ( 7 )养护 ：臆在混凝 土终凝 2 h后 ，喷水 养护 ，养 护 时问不低 于 1 4 d 。 喷射施 T _ 12 岂流程见冈 1 。 图 l 喷射施 工工 艺流程 图 3 3 原材 料 ( 1 )聚丙烯纤维采用 四川 I 华神化学建材有限公州 产 的 “ 好 亦特”聚丙烯纤维 ，纤维 长度 1 9 mm。 ( 2 )水泥 ：为 四川 都江 堰托 法 基水 泥厂 牛 的 I ( ) 3 2 5普通硅酸盐水泥 。2 8 d 文测强度 1 2 6 MP a ( 3 )细骨料 ：几龙河 一期 电站 当地 人然河砂 ，绌度模 数 2 7 3 ，属中砂 。筛分骨料 表 1 。 表 1 砂 颗 粒 级配 筛孔尺寸 ( mm) 5 0 2 5 1 2 5 () 6 3 O l 5 O 1 6 () 1 F 分级筛余率 ( ) 5 3 4 l 3 5 2 1 4 4 6 2 5 6 6 1 6 1 ： 2 2 7 2 1 8 5 累计筛余率 ( ) 5 ： 4 l 8 8 6 3 3 3 2 5 8 9 8 7 5 1 1 9 8 1 ： l ( )( ) ( 4 )粗 骨 科 ：为 人 碎 ，连 续 级 配 ，最 大 粒 1 ,5 F II I I 1 。筛分骨料 表 2 。 表 2 骨料颗粒级配 筛 L 尺寸( F l lq 1 ) 】 5 1 0 2 5 分级筛余率 ( ) 8 2 5 3 9 1 4 9 6 8 5 9 累计筛余率 ( ) 8 2 5 4 7 4 9 1 4 ( ) l ( ) () ( 5 ) 外 加剂 ：HY 速凝 剂 ( 液 体 ) ， ： 地 为 四川 。掺 量为水泥用量 的 2 4 。 3 4 喷射混凝土回弹率对比试验 ： 沙坪 电站 2号支洞 游 引 2 +1 O O | j l 2 +l 6 ( ) 边 墙投 顶拱锚喷 ，钢筋 网 2 0 c m2 0 c m 问距 布置 ，按 表 3 、丧 4 配合 比配料进 行喷射 混凝 施 工。边墙 对 比试聆 结 果 比 较 见表 3 。 表 3 边墙 喷射 混凝土配合 比试验表 混凝土试验配合比 喷射 同弹 叫弹 试验次数 水泥 砂 由 水 水灰比 速凝剂 聚阿烯纤维 料重 料 率 ( k g m 0 ) ( k g m 0 ) ( k g m0 ) ( k g m： ) ( k g m0 ) ( k g r n 0 ) ( k g m一 ) ( k g m ) ( ) 1 ) ( ) 1 7 5 1 6 4 4 5 0 4 5 2 4 O 4 8 6 4 9 8 2 2 ( ) 2 2 l 【) ( ) l 7 5 1 6 4 4 5 0 4 5 2 0 1 8 6 4 I 】 7 2 2 2 4 1 3 l O 0 l 7 5 1 6 4 4 5 ( ) 4 5 2 4 O 4 8 6 4 1 2 ( 1 6 7 2 4 8 l 4 1 O 0 1 7 5 1 6 4 4 5 O 4 5 2 4 0 1 9 4 8 6 5 9 0 7 6 8 9 8 5 1 O 0 l 7 5 l 6 4 4 5 0 4 5 2 4 ( ) 1 【 4 8 6 5 9 1 5 2 5 【j _ 3 6 1 O 0 1 7 5 1 6 4 4 5 【 ) 4 5 2 4 0 1 9 d 8 6 5 9 5 9 8 5 l 2 4 4 未掺 聚丙烯纤 维平 均 回弹率为 2 3 ，掺 聚丙 烯纤 维 平均 回弹率为 1 0 5 。 成本分析 ：未掺 聚丙烯 纤维喷射混凝 土成本 5 0 4 元 m。 ，掺聚丙烯 纤维 后成 本为 5 4 1元 m。 ，成本 增 加 3 7元 m。 ；未掺 聚丙烯纤 维喷射 混凝 土 回弹料 损 地下工程 失 1 1 6元 m。 ，掺进聚丙烯纤维后 回弹料损失 5 7元 m 。 ，节 约 成 本 5 9元 m。 ；掺 人 聚丙 烯 纤 维 后 喷 射 混 凝土不仅 综合成 本可节 约 2 2元 m。 ，且大 幅度降低 了喷射混凝 土 的回弹量 。顶拱对 比试 验结果 比较见 表 4 。 表 4 顶拱喷射混凝土 配合 比试验表 混凝土试验配合比 喷射 回弹 回弹率 试验次数 水泥 砂 佃 水 水灰 比 速凝剂 聚丙烯纤维 料重 料重 ( ) ( k g m0 ) ( k g m 3 ) ( k g m0 ) ( k g m0 ) ( k g m0 ) ( k g m3 ) ( k g m0 ) ( k g m。 ) 1 1 O O l 7 6 1 6 3 4 5 O 4 5 2 4 O 4 8 6 4 1 4 1 5 4 2 9 1 2 1 O O l 7 6 l 6 3 4 5 0 4 5 2 4 O 4 8 6 4 1 5 7 】 0 3 2 3 3 1 0 0 1 7 6 1 6 3 4 5 0 4 5 2 4 O 4 8 6 4 1 4 4 4 6 2 9 7 4 1 O O 1 7 6 1 6 3 4 5 O 4 5 2 4 0 1 9 4 8 6 5 9 6 9 O 9 1 4 2 5 1 0 0 1 7 6 1 6 3 4 5 0 4 5 2 4 0 1 9 4 8 6 5 9 6 4 7 1 1 3 3 6 1 O 0 1 7 6 1 6 3 4 5 O 4 5 2 4 O 1 9 4 8 6 5 9 5 4 4 9 1 】 2 未掺聚丙烯纤维平均 回弹率为 3 0 4 ，掺聚丙烯纤 维平均 回弹率 为 1 2 9 。 成本分析 ：未掺聚丙烯纤维喷射混凝土成本 5 0 4元 ， 掺聚丙烯纤维后成本 为 5 4 1 元 ，成本增加 3 7 元 ；未 掺聚丙烯纤维喷射混凝土回弹料损失 1 5 3 元 m。 ，掺进 聚丙 烯纤维后 同弹料 损失 7 O元 ，节 约成 本 8 3元 m3 ；掺 人聚丙烯纤维后 喷射 混凝 土不 仅综 合成 本 可节 约 4 6元 ，且大幅度降低了喷射混凝土回弹量。 3 5 喷射混凝土抗渗、抗压、抗拉性能试验对比 3 5 1 喷射 混凝土抗渗试验对 比 在相同的试验条件下 ，对未掺和掺入聚丙烯纤维的 喷射混凝土做抗渗 试验对 比试验 ，对 比试验见表 5 。 表 5 喷射 混凝 土抗渗 试验 对比表 试验编号 纤维掺量 ( k g ) 渗透压 ( MP a ) 渗透高度 ( ra m) O 1 O O 6 2 5 4 0 2 O O 5 l 6 1 O 3 O O 6 5 5 1 O 1 掺 0 9 O 7 6 1 9 O 2 掺 O 9 0 8 2 1 6 o 3掺 O 9 O 7 3 2 2 0 4 0 O 5 6 6 2 0 5 O O 6 1 5 5 0 6 O 0 6 4 5 O () 4掺 O 9 O 7 5 2 0 O 5掺 0 9 O 8 1 1 8 O 6掺 0 9 0 7 2 2 4 分析上述试验对比数据可得出 ( 1 )掺聚丙烯纤维喷射混凝土 的渗水 高度 比未掺 聚丙烯纤维 喷射混凝 土减少 约 3 2 ，抗 渗效果 显著 提 高 。 ( 2 )将抗渗试件劈 开观察 内部 结构，可看 出掺纤 维 混凝 土胶 结 紧密 ，气孔 分 布 均 匀 ，未 掺 纤 维 混 凝 土 内部胶结疏松，表明掺聚丙烯纤维显著提高 了混凝土 抗 渗性 。 ( 3 )聚丙烯纤维混凝土的抗渗性好，能有效防止和延 缓渗水、潮湿气体和氯化物等有害介质对混凝土的侵蚀， 可对受力钢筋的防锈蚀起到 良好的作用 ，可延长建筑物 的使用寿命。 3 5 2 喷射混凝抗压、抗拉性能试验对 比 在相同的试验条件下，对未掺和掺入聚丙烯纤维的 喷射混凝土做抗拉、抗压对 比试验，对比试验见表 6 。 从上述在相同的试验条件混凝土抗拉、抗压对 比试 验结果分析可得 出 ： ( 1 )未掺聚丙烯微纤维的喷射混凝土各龄期的抗压强 度与掺入微纤维的喷射混凝土的抗压强度差异不大，表 明聚丙烯微纤维混凝土抗压强度几乎无影响，但不能作 为喷射混凝土的增强材料。掺聚丙烯微纤维的喷射混凝 土各龄期的抗拉强度要高于未掺入微纤维的喷射混凝土 抗拉强度，这些数据表明喷射聚丙烯微纤维混凝土的韧 性均得到增强 。 ( 2 )从拉压 比指标可看出 ，掺入聚丙烯纤维时 ，各龄 期喷射混凝土的拉压 比均大于未掺聚丙烯纤维喷射混凝 土的拉压比，说明掺入聚丙烯纤维后 ，对提高喷射混凝 土各 龄期的抗裂 性能 是十 分有 利 的。掺 加 聚丙烯 纤 维在 混凝土中的阻裂作用是由于低弹模的纤维掺加在相对高 弹模的混凝土中，从而解决了南于混凝土先天带来的某 些不足方面的问题如冈脆性引起 的容易开裂等，对改善 混凝土内部结构起到了重要作用。 ( 下转第 5 1页) 45 强度后，再进行扫孔灌浆。间断灌浆是针对特大空隙地 层的特殊施工方法，一般工程不宜盲目采用。 2 3 模袋灌浆 模袋灌浆是将特定形状、尺寸的土工模袋下人灌浆 部位 ，向模袋内进行充填灌浆，在灌浆压力作用下模袋 膨胀 ，模袋内水泥浆中的水分由模析出，而水泥颗粒保 留在模袋中形成结石体。这样可以降低水灰比，提高 固 结强度 ，缩短 固结时 间 。水 泥浆 液 在模 袋 中凝 固 ，在 水 下不具有分散性 ，当水流较大时不会被冲失；模袋在灌 浆压力作用下能产生变形，以适应不 同形状 的大裂隙、 洞穴 。模袋灌浆的关键是压力和灌浆速率的控制。 土工模袋种类很多，适用于灌浆工程的土工模袋材 料通常为尼龙、聚酯、聚丙烯或丙纶等织物。模袋应满 足轻薄、高强、柔软、析水的特点。模袋灌浆通常应注 意以下几点 ： ( 1 )模袋灌浆过程中，受压力作用最易导致损坏的是 模袋的缝合处，针 口容易胀裂。因此，不论是在厂家缝 制还是在现场缝制，都要进行缝制试验，选择合适的针 脚 ，并进行拉伸试验；选用的线材也要强度高、直径小。 地基 与基础工程 ( 2 )模袋通常是经过钻孔放入地层中，模袋捆扎方 式非常重要 ，否则模袋在空隙内不能打开，浆液无法灌 人，达不到充填效果。因此，一定要进行现场捆扎试验， 以适 应不同规格模袋 、不同大小钻孔的施工要求 。 ( 3 )模袋灌 浆 的关 键是 压力 和灌浆 速率 的控 制 ， 为了确保模袋能顺利打开，又不会把模袋压坏 ，制作 好的模袋一定要进行现场压浆试验 ，以确定合理 的灌 浆压 力 。 3 结束语 综上所述，为了避免浆液在灌浆过程 中的过量流失 而采取的控制性灌浆技术是多种多样 的，当然也不仅限 于上述几种方法 。 鉴于控制性灌浆技术的多样性，在对某一种控制性 灌浆技术命名时 ，最好让他人能通过工艺名称大致分辨 出是一种什么样的工艺。一个好的工艺名称应使他人易 识别和记忆，易于传播，不致被混淆，不要为求新异而 造成 认知困难 。 ( 上接 第 4 5页) 表 6 混凝土抗拉及 抗压对 比试验表 抗压强度 ( MP a ) 抗拉强度 ( MP a ) 拉压 比 ( ) 试件编号 备注 3 d 7 d 2 8 d 7 d 2 8 d 7 d 2 8 d F 1 1 1 O 1 8 7 2 3 9 1 3 2 】 _ 7 2 7 1 7 2 未掺聚丙烯纤维 F 2 1 O 8 1 8 5 2 3 7 1 3 0 】 6 8 7 O 7 1 未掺聚丙烯纤维 F 3 1 O 9 1 8 6 2 4 2 1 3 4 】 _ 7 7 7 2 7 3 未掺聚丙烯纤维 F 4 1 0 3 1 8 0 2 3 8 1 5 8 2 1 4 8 8 9 0 掺聚丙烯纤维 F 5 9 9 1 7 8 2 3 6 1 5 3 2 1 O 8 6 8 9 掺聚丙烯纤维 F 6 1 0 1 1 7 1 2 3 5 1 5 6 2 1 1 9 1 9 O 掺聚丙烯纤维 ( 3 )从试件破坏形态可观察 出，未 掺聚丙烯纤 维混凝 土在受拉伸破坏时，一般为脆性断裂，在混凝土发生裂缝 后就基本不能再承受荷载，而聚丙烯纤维混凝土在初裂缝 发生后，仍有一定的承载能力，实质上是对外荷能量吸收 能力的提高及 昆 凝土变形性能的改善。未掺聚丙烯纤维普 通混凝土在受压破坏后 ，往往成断裂状 ，而 聚丙烯 纤维混 凝土在受压破坏后，仍能保持一定程度的整体性。这些表 明喷射聚丙烯 微纤 维能 大大 提高混 凝 土的抗 裂能 力和 韧 性，对克服高强混凝土的脆性有较理想的效果。 4 喷射聚丙烯纤维混凝土在九龙河一期 电 站工程的应用情况 九龙河一期工程沙坪电站引水隧洞工程于 2 0 0 7年 6 月完工 ，喷射聚丙 烯纤 维 混凝 土共 取 样 1 1 6组 ，抗 压 强 度 最 大 值3 2 5 MP a 、 最 小 值2 3 1 MP a 、 平 均 值 2 4 2 MP a ，2 8 d试验强度合格率为 1 0 0 。其他各项指标 均满足设计要求。偏桥电站和一道桥电站引水隧洞喷射 聚丙烯纤维混凝土已做试块均达到设计要求。混凝土的 光洁平整度较好 ，混凝土喷护表面极少有细小的裂纹和 点状渗水。四川省水电建设质量监督 中心站 2 0 0 7 年 7月 在九龙河一期 电站工 程质量 巡视 检查 时 ，对 聚丙 烯纤 维 喷射混凝土的应用给予了肯定。 九龙河一期电站工程引水隧洞聚丙烯纤维喷射混凝土实 践表明，在喷射混凝土中掺人丙烯纤维后，喷射面更光洁平 整，边墙回弹率在 1 O 以内，顶拱回弹率在 1 5 以内，回 弹率明显降低。加入聚丙烯纤维提高了喷射混凝土的整体 性、耐久性和使用寿命，增强了混凝土的强度和韧性，改善 了混凝土的防渗、抗冻、抗冲磨、抗老化等性能。加入聚丙 烯纤维喷射混凝土在施工时不用改变混凝土配合比和施工机 械，可操作性强，施工简单，方便、实用。在保证工程质量 的同时节约施工成本，经济效益显著。大量的喷射聚丙烯纤 维混凝土在九龙河一期电站工程中的成功应用，其施工技术 和施工工艺都已很成熟，对推广喷射聚丙烯纤维喷射混凝土 在地下工程中的应用起到积极作用，为聚丙烯混凝土应用于 地下工程支护提供了有效的借鉴作用。 5 1