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1、钢纤维喷射混凝土技术在地下工程中的应用刘欣(上海贝卡尔特-二钢有限公司 200131)作者简介:刘欣,中国土木工程学会纤维混凝土委员会委员，上海贝卡尔特二钢有限公司销售经理,邮编:200131,电话:021-50460610-107, 13801943598)摘要 本文全面介绍了钢纤维的作用机理和在地下工程中的应用。并引入国外钢纤维喷射混凝土规范中对弯拉韧度的规定，提出在地下工程中对钢纤维喷射混凝土进行弯拉韧度设计。关键词: 钢纤维喷射混凝土，弯拉韧度，Q系统，设计，施工1. 钢纤维的作用机理混凝土的抗拉强度较低，一旦开裂后会发生脆性破坏。利用钢纤维进行增强处理后，钢纤维能够控制裂缝的开展，并
2、且传递拉应力，产生应力重分布，从而提高混凝土的裂后强度，使混凝土具有相当的弯曲韧度。和素混凝土相比，钢纤维混凝土在发生变形后仍能承担荷载。22. 钢纤维混凝土的性能钢纤维混凝土的极限抗弯拉强度和加入钢纤维之前基本相同，但是钢纤维混凝土的弯曲韧度有大幅度提高。钢纤维有各种不同的原材料，形状和抗拉强度，弯曲韧度各不相同。钢纤维根据生产工艺分为剪切型，铣削型，和冷拉型。前两种纤维本身的抗拉强度在400-700MPa之间，长径比在40-50，掺量较高，一般在80-120kg/m3；3冷拉型纤维通过对母材(盘条)的高速拉丝，大幅提高了抗拉强度，通常在1000MPa以上，长径比在60以上，掺量一般在35-
3、65 kg/m3。 对不同的钢纤维应进行实验，得到达到保证钢纤维混凝土弯曲韧度的钢纤维纤掺量。钢纤维混凝土的韧度可以用位移控制的梁的三分加载实验进行。4图1.1 钢纤维混凝土梁三分加载弯拉韧度实验 荷载-位移曲线 根据荷载-位移曲线，通过下式计算钢纤维混凝土的弯曲韧度：Re, 3 = 100 fftm, eq150 /fftm其中 fftm,eq150：挠度达到l/150时等效抗弯拉强度平均值(N/mm2) fftm： 试验极限抗弯拉强度值(N/mm2) Re,3 ： 弯曲韧度系数3. 钢纤维喷射混凝土的性能混凝土中加入钢纤维后可提高混凝土的弯拉韧度，能量吸收能力，抗冲击能力和对裂缝的控制。均
4、匀分布的钢纤维使喷射混凝土任意截面都能够承受拉应力，同时和围岩有极佳的粘结力，因此可以通过应力重分布，充分发挥围岩的自承能力,是理想的支护材料。欧洲喷射混凝土规范用大板实验比较钢纤维喷射混凝土和挂网喷射混凝土的性能,实验结果发现钢纤维喷射混凝土有更高的承载能力和吸收变形能力1.图3.1 EFNARC 喷射混凝土大板韧度实验钢纤维混凝土既能作为初期支护、也可作为永久衬砌；和挂网相比有技术和经济上的优势:钢筋挂网施工工艺复杂；在凹凸不平的岩面难以沿岩石表面布置在拉应力区；在喷射混凝土时回弹大；混凝土容易集结在挂网的表面，在挂网的背后形成空洞;当围岩条件较差时,不能形成及时支护。钢纤维喷射混凝土可以
5、顺着围岩表面形成快速有效的支护，和岩石有更好的粘结,而且提高施工安全性简化施工工序，加快了施工进度。从经济角度出发，钢纤维混凝土衬砌厚度比挂网混凝土节约30%，回弹量减少30%，工期节约20-30%。4. 钢纤维喷射混凝土的应用钢纤维喷射混凝土从70年代起在世界范围内得到广泛的应用，在挪威地质学院提出的Q系统中，全面采用钢纤维喷射混凝土取代挂网作为隧道永久支护。我国很早就开始研究钢纤维混凝土的应用，但是由于当时钢纤维本身抗拉强度低，搅拌时易结团变形，喷射时易堵管，在施工上很难保证质量，使该项技术没有得到有效的推广。90年代起，国内引进了欧洲粘结成排的冷拉型钢纤维生产技术，冷拉型纤维掺量在35-
6、65 kg/m3，用快速水溶性胶水粘结成排后，钢纤维在随骨料一起搅拌的过程中，胶水遇水自动溶解，成排的钢纤维会分散成单根，在混凝土中均匀地分布，从而解决了钢纤维结团堵管的问题。钢纤维喷射混凝土在克服了施工中的弱点后，已经逐步在国内的一些工程中得到应用。65. 钢纤维混凝土的韧度设计弯曲韧度是钢纤维喷射混凝土最为主要的性能，在设计中必须有明确的规定目前国内隧道设计规范中对钢纤维喷射混凝土的韧度暂无规定，日本，韩国，及欧洲的纤维喷射混凝土规范中，对用于地下工程中的钢纤维喷射混凝土的弯曲韧度系数(Re,3)值大多规定在68% 以上。我国目前在隧道工程中的钢纤维喷射混凝土设计中应用的弯曲韧度系数值多在
7、此范围。为了能够方便地确定钢纤维喷射混凝土的韧度是否达到设计要求，有些规范中采用了模板法，在确定钢纤维混凝土的试件尺寸后，规定了韧度实验曲线，实际实验曲线若能够包络上述曲线，便认为钢纤维混凝土的韧度达到设计要求。规定的荷载-挠度曲线实际荷载-挠度曲线不得低于规定以下是日本高速公路局(JHC)中对钢纤维喷射混凝土采用的韧度模板曲线:5 图5.1 钢纤维喷射混凝土梁三分加载实验弯拉韧度要求将该模板曲线换算成弯曲韧度，Re,3=80%。由于弯曲韧度实验对实验设备要求较高，根据设计规定的弯曲韧度通过实验确定钢纤维的型号和掺量后，在施工中只要检验钢纤维喷射混凝土的厚度和钢纤维的型号,掺量就能达到质量控制
8、的目的。目前采用韧度设计的钢纤维喷射混凝土在国内的铁路和公路隧道及水电站地下工程中都已经有所应用，7并且逐步成为一种趋势，铁路隧道中，围岩条件较好的工程中钢纤维喷射混凝土作为永久支护已经积累了相当经验(秦岭铁路)，并且逐步推广到围岩条件较差的项目中去。其实，由于钢纤维喷射混凝土的韧度，使衬砌具有吸收围岩变形的能力。因此，在变形显著的软弱围岩中，钢纤维喷射混凝土更是一种理想的支护材料。在公路隧道中钢纤维喷射混凝土已经用于软弱围岩的初期支护(大保公路)，而在水电站项目中，钢纤维喷射混凝土已有在岩爆条件的地下硐室永久支护的成功经验(二滩电站)。表5.1佳密克丝钢纤维喷射混凝土工程部分应用实例工程用途
9、型号用量（吨）进展水电二滩水电站地下厂房永久支护ZP3052000完成万家寨水电站交通洞永久支护ZP305120完成LPG汕头地下储气室永久支护RC-65/35-BN120完成铁路西-康线秦岭超长隧道隧洞永久支护ZP305160完成公路元-墨公路隧洞初期支护RC-65/35-BN1700在建大保公路I II隧洞初期支护RC-65/35-BN1500在建6. 钢纤维喷射混凝土的施工从原则上而言，钢纤维喷射混凝土不需要改变任何工艺，喷射混凝土所使用的常规设备都适用于钢纤维喷射混凝土。钢纤维喷射混凝土既适用于干喷，也适用于湿喷，但是由于干喷的回弹大，对钢纤维喷射混凝土而言，很不经济，一般推荐采用湿喷
10、工艺。目前, 国内已经有自主生产的湿喷机，液态速凝剂和硅粉也得到了更多的使用,这些都有助于钢纤维湿喷工艺的推广。7. 结语钢纤维喷射混凝土作为一种新型的支护材料，施工简单，速经济，有相当的优势，目前在国内的地下工程中已经有成功的经验，相信随着工程人员的努力，钢纤维喷射混凝土技术会在我国的地下工程中得到更广泛的使用。参考资料1 European Specification of Sprayed Concrete - EFNARC,19962. Shrinkage Cracking of Fiber Reinforced Concrete- Miroslaw Graybowski and Sure
11、ndra P. Shah, ACI Materials Journal,Title No 87-M163. 钢纤维混凝土结构设计与施工规程CECS38：92， 中国工程建设标准化协会标准4. JSCE-SF4 钢纤维混凝土弯曲韧度实验方法 - 日本土木工程师学会, 19945. 钢纤维喷射混凝土施工管理方法 - 日本公路局,19996. Tunneling the world佳密克丝钢纤维混凝土在地下工程中的设计和应用 - Marc Vandewalle N.V.Bekaert S.A.,19967. 佳密克丝钢纤维喷射混凝土在大朝山水电站的应用 -国家电力公司北京勘察设计研究院 1998Ap
12、plication of Steel Fiber Reinforced Shotcreting in Underground IndustryLiu Xin(Shanghai Bekaert Ergang Co. Ltd, 200131)Composer: Liu Xin, sales technical support engineer, Shanghai Bekaert Ergang Co. Ltd, 200131. Contact number: 13801943598Abstract: This paper briefly introduces the advantage of Steel Fiber Reinforced Shotcreting in underground industry, and the toughness requirement in related specifications in other countries. And propose the toughness design in underground projects.Key Words: steel fiber reinforced shotcreting, flexural toughness, Q system, design, construction
