钢纤维和聚丙烯粗纤维对喷射混凝土性能的影响.pdf

第4 0卷第 7期 2 0 1 4年 7月 水 力 发 电 钢歼维和聚两烯租纤维对喷射混凝土 性 能 的 韵 响 李 林 ，郭文康 ，一 ，兰道银 2 ,3 ( 1 华能澜沧江水 电有 限公 司 黄登 大华桥水 电工程筹建处 ，云南兰坪 6 7 1 4 0 0； 2 长江水利委 员会长江科学 院，湖北武汉 4 3 0 0 1 0 ； 3 国家大坝安全工程技术研究 中心 ，湖北武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ：采用室 内试验和现场湿喷工艺性能试验相结 合的手段 ，对 比研究了钢纤 维和聚丙烯粗纤维对喷射混凝 土的 力学性能、耐久性能和现场工艺性能的影响。研究结果表明，聚丙烯粗纤维喷射混凝土在掺量和工作性能方面具有 较 为明显的优势 ，且力学性能和耐久性均能达到与钢纤维喷射混凝土相 当的水平 ，可考虑选用 聚丙烯粗纤 维替代钢 纤维使用 。 关键词 ：钢纤维 ；聚丙烯粗纤维 ；喷射混凝土；力学性能 ；耐久性 Co mpa r a t i v e S t u d y o n t h e I n fl u e n c e s o f S t e e l Fi b e r s a n d Cr u d e Po l y p r o p y l e n e Fi b e r s o n S h o t c r e t e Pe r f o r ma n c e L I L i n ， GUO We n k a n g ，L AN Da o y i n ( 1 ， Hu a n g d e n g& Da h u a q i a o Hy d r o p o w e r E n g i n e e r i n g P r e p a r a t o r y O f f i c e ， Hu a n e n g L a n e a n g Ri v e r Hy d r o p o we r Co ， L t d ， L a n p i n g 6 7 1 4 0 0 ， Y u n n a n ， C h i n a ； 2 C h a n g j i a n g R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， Hu b e i ， C h i n a ； 3 R e s e a r c h C e n t e r o f Na t i o n a l Da m S a f e t y E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 01 0 ， Hu b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t T h e i n fl u e n c e s o f s t e e l fi b e r s a n d c r u d e p o l y p r o p y l e n e fi b e r s o n t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s ， d u r a b i l i t y a n d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s p e rf o r ma n c e o f s h o t c r e t e a r e c o mp a r a t i v e l y s t u d i e d r e s p e c t i v e l y b y l a b o r a t o r y t e s t s a n d o n - s i t e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s t e s t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e me c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d d u r a b i l i t y o f c r u d e p o l y p r o p y l e n e fi b e r s h o t c r e t e i s e q u i v a l e n t t o s t e e l fi b e r s h o t c r e t e , b u t t h e mi x c o n t e n t o f c rud e p o l y p r o p y l e n e fi b e r s i s s i g n i fi c a n t l e s s t h a n t h a t o f s t e e l fi b e r s a n d t h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s p e rf o r ma n c e o f c rud e p o l y p mp y l e n e fi b e rs i s a l s o b e t t e r t h a n t h a t o f s t e e l fi b e rs T h e s t e e l fi b e r s c a n b e r e p l a c e d b y c rud e p o l y p r o p y l e n e fi b e rs i n s h o t c r e t e Ke y W o r d s ： s t e e l fi b e r ； c rud e p o l y p r o p y l e n e fi b e r ； s h o t c r e t e ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； d u r a b i l i t y 中图分类号 ： T V 4 2 4 文献标识码 ： A O 引言 在 混凝 土 中 加入 一 定 量 的纤 维 能 延 缓 混凝 土 内 部 微 裂 缝 的 扩 展 ，阻 止 宏 观 裂 缝 的 发 生 和 发 展 ，能 有 效 提 高 混 凝 土 的 力 学 性 能 、耐 久 性 能 和 变 形 性 能 ， 特别 是对 提高 混凝 土抗 拉强度 和 韧性 效果 尤 为 明显 ， 纤维 增强 混凝 土近年 来 得到 了广泛 的研 究 和应 用f 。 当前 ，我 国正处 于大 型水 利 工 程集 中建 设 时期 ，喷 射 混凝 土是 地下 洞 室 和 厂房 建 设 中重 要 的混凝 土 类 型 之一 。为 提高 喷 射 混凝 土 的性 能 以满 足 工程 设 计 要 求 关 键 部位 喷射 混凝 土 中会 加入 一 定 量 的纤 维 文章编号 ： o 5 3 4 z ( 2 o 1 4 ) 0 7 一 o o 9 7 0 3 ( 钢纤 维 或 聚丙 烯 粗 纤 维 ) 。如 澜 沧江 上 游 黄登 水 电 站 引水 发 电 系 统 工 程 需 用 到 掺 纤 维 喷 射 混 凝 土 约 1 00 0 0m 。 本 文 结合 黄 登 水 电站 引 水 发 电系统 工 程 纤 维 优 选 需 要 ，采 用 室 内 试 验 和 现 场 湿 喷 工 艺 性 能 试 验 相 结 合 的 手段 ，对 比研 究 了钢纤 维 和 聚丙 烯 粗 纤 维 对 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 2 2 8 基金项 目：国家 自然科学基金重点资助项 目( 5 1 1 3 9 0 0 1 ) 作者简 介 ：李林 ( 1 9 7 4 一 ) ，男 ，四川 I 仁寿人 ，工 程师 ，主要从 事水利工程建设质量管理工作 W a t e r P o w e r V o 1 4 D 7 团 喷 射 力 学 性 能( 抗 压 强 度 、劈 裂 强 度 和 围 岩 粘 结 力 ) 、耐 久性 能( 抗 冻性 和抗 渗性 )和现场 工 艺性 能 ( 回弹 量 、分 散性 ) ，为有 效指 导 工 程施 工 提供 可 靠 的数 据 。 1 试验 1 1 试验 方法 ( 1 ) 室 内 试 验 。 根 据 黄 登 水 电 站 引 水 发 电 工 程 C 3 0 F 5 0 WI O喷射混 凝 土 配合 比 ，在 室 内分 别 进行 掺 钢 纤维 和 聚丙 烯 粗 纤维 对 喷 射 混凝 土 力 学性 能( 抗 压 强度 、劈裂 强 度和 围岩粘 结力 ) 、耐久性 能( 抗 冻 性 和抗 渗性 )试验 。 ( 2)现场 湿 喷 工艺 性 能 试 验 。选 用 与 室 内试 验 相 同 的 配 合 比 参 数 ，采 用 上 海 麦 斯 特 公 司 生 产 的 ME CRO型 湿 喷 机 进 行 试 验 。混 凝 土 由 拌 和 站 强 制 搅 拌机 搅 拌 后 ，通 过 搅拌 车 运 输 至湿 喷 现 场 。现 场 喷 射 大板 ，脱模 后 放 置混 凝 土 养 护 室 养 护 至规 定 龄 期后 ，检 测强 度 结 果 ；采 取 湿 喷 现场 铺 垫 彩 条布 的方 式收 集 混凝 土 回弹量 ，用 水 清洗 筛 选 纤 维 的方 式 计算 纤 维 分散 性 ；现场 喷 射 抗 冻 和抗 渗 试模 ，脱 模 后放 置 混 凝土 养 护 室 ，养 护 至 规定 龄 期 后 。检 测 抗 冻和 抗渗 等级 。 1 2原 材料 和配 合 比 1 2 1 原 材料 采 用云南 祥 云县建材 有 限公 司的生产 的 P 0 4 2 5 普 通 硅酸 盐 水 泥 ；巩 义 市豫 源 建 筑 工程 材 料 有 限 责 任 公 司 生 产 的 YYS I V 型 无 碱 液 体 速 凝 剂 ，掺 量 为 8 ；昆 明泥 康 建 筑材 料 有 限公 司生 产 的 F DN MT G 高效减 水 剂 ，掺量 为 0 8 ；砂石 骨 料选 用 黄登 水 电 站大 格拉 砂 石 料生 产 系 统 生产 的灰 岩 骨料 。选 用 深 圳 市 维 特 耐 工 程 材 料 有 限 公 司 生 产 的 W K一 8聚 丙 烯 粗纤 维 和 重庆 富 祥金 属 纤 维 有 限公 司的 T DC W一 0 3 2 5 1 0 0 0钢 纤 维 ，检 验 结果分 别见 表 1 、2。 表 1 聚丙烯粗 纤维 品质检测结果 1 2 - 2 配合 比 选 用 C3 0 F 5 0 W8喷射 混 凝 土 配合 比 设 计 坍 落 度 为 1 4 0 1 8 0 mm，水灰 比为 0 4。每 m。 混凝 土水 泥 霍 疆w f ti e r ， c r V o 1 4 0 N J 7 质 量 为 5 2 5 k g 。人 工 砂 为 9 5 1 k g ，5 1 5 mm 人 工 碎 石 为 6 3 4 k g 。速凝 剂 的掺量 为 8 ，减 水 剂 为 0 8 ， 钢纤 维为 4 0 k g m。 聚 丙烯粗 纤 维为 7 k g m 。 2 试验结果分析 2 1 对 喷射 混凝 土力 学性 能的 影响 通 过 室 内试 验 和 现场 喷 射 混凝 土湿 喷试 验 比较 了 钢 纤 维 和 聚 丙 烯 粗 纤 维 对 喷 射 混 凝 土 力 学 性 能 的 影 响 ，试 验结 果见 表 3 。 表 3对喷射 混凝土力学性能 的影 响结果 MP a 从 表 3可 知 2组 掺 纤 维 喷 射 混 凝 土 各 龄 期 抗 压强 度 室 内试 验 结 果和 现 场 喷 大板 强 度 结 果 与基 准 混 凝 土相 差 不 大 ，均能 满 足 设计 要 求 。然 而 ，纤 维 的加 入 在 较 大 程 度 上 影 响 了 喷 射 混 凝 土 劈 拉 强度 ， 掺 钢纤 维 和粗 纤 维 喷射 混凝 土 2 8 d龄 期劈 拉 强 度 分 为基 准 混凝 土 的 1 3 9 和 1 4 4 。因 此 ，纤 维 的 掺 入 对 喷射 混凝 土抗 压 强度 的增 加 作用 不 明显 ，但 能 有 效 提高 喷 射混凝 土 的抗拉 强 度 。 钢 纤 维 和 聚丙 烯 粗 纤 维对 各 龄 期 喷 射 混凝 土 抗 压强 度 和劈 拉强 度 的影 响程 度 基本 相 当 并 且 无 明 显 的规 律 性 。但 是 ，2种 纤 维对 喷射 混 凝 土 的 围 岩 粘结 强 度 的 影 响存 在 较 大差 异 ，掺 钢纤 维 喷 射 混 凝 土 的 围岩 粘 结 力 为 掺 粗纤 维 的 1 7倍 。 因此 ，钢 纤 维 的 加 入 有 利 于 提 高 喷 射 混 凝 土 的 围岩 粘 结 强 度 对 围 岩 稳 定 有 利 。 掺纤 维 混 凝 土抗 压 强 度 增强 不 明显 的原 因主 要 是 ： 混 凝 土的抗 压强 度 主要 取决混 凝 土 的密 实性 ， 而决 定 喷 射 混凝 土密 实 度 的 主要 因素 在 于水 灰 比 以 及 浇 筑 过 程 中 的 人 为 控 制 和 养 护 效 果 ， 受 纤 维 增 强 作 用 的影 响 较 小 。 纤 维 可 以阻 止 混 凝 土 内部 微 裂 缝 甚 至 部 分 宏 观 裂 缝 的 发 展 ，但 纤 维 的 加 入 会 降 低 混 凝 土 的密 实 性 ，使 混 凝 土 内部 缺 陷 增 多 ，从 而 削 弱 了纤 维 的增强作 用 。 2 2对 喷射 混凝 土现 场工 艺性 能 的影 响 根 据 试 验 方 案 ，借 助 上 海 麦 斯 特 公 司 生 产 的 ME CRO型湿 喷 机 ，对掺 钢 纤维 和 聚丙 烯 粗 纤维 的 2 种 喷 射 昆凝 土 进 行 了 包 括 工 作 性 能 、混 凝 土 回 弹 量 和 纤 维 的 分 散 性 能 在 内 的 施 工 现 场 湿 喷 试 验 。 掺 纤 维 喷射 混凝 土现 场工 艺性 能试 验结 果见 表 4 。 于 11 、， 亍 ： 训 二扯呷 u葫宅卜 ， 帅 玎二比 呗 t 1 此 L。 f 工 日匕口 承，u f u J 表4 对喷射混凝土工艺性能的影响结 果 注 ：纤维 的分散 性是指喷射混凝 土室 内实 测纤维体积 率与施 工 现场湿喷实测体 积率 的比值 的百分数。 从 表 4可 知 相 比 钢 纤 维 喷 射 混 凝 土 ， 聚 丙 烯 粗 纤 维 喷 射 混 凝 土 的 可 喷 性 能 良好 ，且 湿 喷 过 程 流 畅 ，不 堵 管 ；比较 回弹量 可 知 ，钢 纤 维 喷射 混 凝 土 在顶 拱 和边 墙 部 分 的 回弹 量 均高 于 聚丙 烯 粗 纤 维混 凝 土 。从纤 维 的分 散性 看 ，聚丙 烯 粗纤 维 的分 散性 是钢 纤维 的 1 6 2倍 。 钢 纤 维 喷 射 混 凝 土 存 在 湿 喷 过 程 中 喷 射 管 道 堵 塞 的现 象 主要 有 2方 面 原 因 ： 相对 聚丙 烯 粗纤 维 。钢 纤维 属 于 刚 性材 料 ，其柔 韧 性 和 弹性 相 对 于 聚丙 烯 粗 纤维 低 ； 钢 纤 维 的分 散 性 能 较大 ，湿 喷 过程 中容 易形 成钢 纤维 富集 团聚 的现象 。 2 3对喷射 混 凝土 耐久性 能 的影 响 在 室 内试 验 和施 工 现 场 湿 喷试 验 中均 成 型 了 喷 射 混凝 土抗 冻 和抗 渗 的试 件 ，室 内养 护 至 2 8 d龄 期 试验 检 测 其抗 冻 和 抗渗 结 果 对 比研 究 钢纤 维 和 聚 丙烯 粗 纤 维 对喷 射 混凝 土耐 久 性 能 的影 响 差异 。掺 纤 维喷 射混凝 土 耐久性 能试 验结 果见 表 5 。 表 5 对 喷射混凝土耐久性能的影响结果 从 表 5可知 ，无 论 是掺 入 钢 纤维 还 是 聚 丙烯 粗 纤 维 喷射 混凝 土 的抗 冻等 级 和 抗渗 等 级 均 能满 足 甚 至 高 于设 计 等级 要 求 。现场 成 型 试件 和室 内成 型 试件 的试 验结 果 基 本一 致 ，其 原 因在 于 ，喷射 混凝 土配 合 比中掺 入 了 一定 量 的无 碱 速 凝剂 ，在 速凝 剂 的作 用下 混凝 土快 速凝结 硬化 f5 _ ，室 内成 型过程 中采 用人 工 和 振 动 台同 时进 行 振 捣 成 型 的方式 成 型 混凝 土试 件 。有利 于 提 高混 凝 土 的 密实 性 ，从 而提 高混 凝 土 的力 学性 能 和 耐 久性 ；现 场湿 喷 时 速凝 剂 是 在 湿 喷机 喷 头处 掺 人 ，虽然 现 场 成 型混 凝 土 试件 无 法 进 行人 工 和振 动 台直 接振 捣 ，但在 速 凝 剂 和 喷射 压 力的共 同作 用下 现 场 喷射 混 凝 土 成 型 的密 实性 也 较 高 可 以达 到与 室 内人 工 和振动 台成 型相 当 的效果 。 因此 室 内和 现场 成 型 的 喷射 混凝 土 的力 学性 能 和 耐 久 性 能 相 差 不 大 。 3 结语 通 过 对 比研 究 钢 纤 维 和 聚 丙 烯 粗 纤 维 对 喷 射 混 凝 土 力 学 性 能 、现 场 湿 喷 工 艺 性 能 和 耐 久 性 能 的 影 响 ，可 得 出 如 下 结 论 ： ( 1 )钢 纤 维 和 聚丙 烯粗 纤 维 喷 射混 凝 土 的力 学 和耐久 性 能均能 满 足混凝 土设 计要 求 。 ( 2 )钢纤维 和聚丙烯粗纤 维对喷射混凝 土抗压 强 度 的影 响不 明显 ，但 能有 效 提高混 凝 土 的抗 拉 强度 。 相 比之下 ，钢 纤维 喷射混凝 土 的围岩粘结强 度 明显 高 于聚丙烯粗 纤维混凝土 ，有利于提高围岩 的稳定性 。 ( 3 ) 聚丙烯 粗 纤 维 对 喷射 混 凝 土湿 喷 工 艺 的适 应 性 明显 高于 钢 纤 维 ，其 工 作性 能 、喷射 回 弹量 和 纤维 分散性 均 明显 优于 钢纤 维混凝 土 。 ( 4 )钢纤维 和聚丙烯粗纤 维喷射混 凝土室 内和现 场湿喷成型试件 2 8 d龄期 的抗冻等级 和抗渗等级 基本 相当 ，2种纤维均能满足设计要求且有一定 的富裕量 。 ( 5 )聚 丙 烯纤 维 喷 射 混凝 土 在 力学 性 能 、现 场 工 艺 性 能 和 耐 久 性 等 方 面 基 本 能 达 到 甚 至 超 过 钢 纤 维 喷射 混凝 土 ，且 具 有掺 量 低 、经济 合 理 、有 利 于 湿 喷 工 艺 施 工 等 优 点 ， 可 以 用 聚 丙 烯 粗 纤 维 代 替 钢 纤 维 用 于 工 程 实 践 。 参考文献 ： 1 张昀保 ， 徐贵荣 ，张心欣 ，等 纤维对水_T混凝土抗渗性能 的影 响研究 J 】 南水北调与水利科技 ， 2 o 1 3 ，1 l ( 2 ) ： 9 0 9 2 2 赵亮平 ，高丹营 ， 朱海堂 钢纤维对混凝 土强度 和韧性 的影响 J 】 华北水利水电学院学报 ， 2 o 1 2 ，3 3 ( 6 ) ： 2 9 3 2 3 郑捷 钢纤维和 聚丙 烯粗纤 维喷射混凝 土性能 研究 华 东公 路 ， 2 O l 1 1 9 o ( 4 ) ：2 4 2 6 4 曹小 霞， 郑居焕 钢纤维和聚丙烯纤维对 活性 粉末混凝 土强度和 延性的影n NJ 安徽建筑工业学院学报， 2 O l 1 ， 1 9 ( 2 ) ： 5 8 6 1 5 郭文康 ， 王述银 ，肖开涛 新型混凝土速凝剂的性能试验研究 J J 水力发 电， 2 o 1 3， 3 9 ( 1 ) ：8 5 8 8 ( 责任 编辑杨健 ) - 4 串 幸 牛 牛 寺 串 串- 串 一 年 一 年一 年 卡 ( 上 接 第 8 9页 ) 率研究 ，低压电器 ， 2 o 1 3 ( 5 ) ：3 8 4 3 8 蒋平 ，熊华川 ，混合储能 系统平抑风力 发电输 出功率波动 控制 方法设计 J 电力系统 自动化 ， 2 o 1 3 ， 3 7 ( 1 ) ：1 2 2 1 2 6 9 李文斌 ，卢继平 ， 徐兵 平抑风 电场功 率波 动的储 能容量选取 方法f J 华东 电力 ， 2 0 1 2， 4 0 ( 3 ) ： 3 9 4 3 1 0 丁明 ， 林 根德 ，陈 自年 一种适用 于混合储能 系统的控制 策略 J 1 中国电机工程学报 ， 2 0 1 2 ，3 2 ( 7 ) ：1 - 6 1 1 张浩 马爱军 ，李文斌 风 电场 F t 出力 曲线 和储 能容量关 系研 究 中国电力 ，2 o 1 2， 4 5 ( 6 ) ： 7 7 8 1 ( 责任编辑高 瑜) e r P o w e r V o 1 4 0 N o 7囫