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钢纤维喷射混凝土的试验研究与应用 摘要 钢纤维喷射混凝土是一种性能优良的新型复合材料，应用领域十分广泛。本文通过 对掺加新型外加剂x p m 的钢纤维喷射混凝土试验研究分析，选择原材料，找出粉煤灰掺 量、钢纤维种类和掺量、不同外加剂组合等对钢纤维喷射混凝土拌和物性能及物理力学 性能的影响，并通过试喷试验分析，确定有关施工参数，改进和优化施工工艺，选定符 合设计要求、性能优良、经济合理的配合比。另外，文中还介绍了利用该试验成果加固 佛子岭大坝的施工方法和质量控制措施。 关键词：x p m 外加剂；钢纤维喷射混凝土；试验研究；配合比；大坝加固 o nt h et e s to fs t e e lf i b e rs p r a y e dc o n c r e t ea n d i t sa p p l i c a t i o n a a b s t r a c t a san e w t y p ec o m p o u n dm a t e r i a l ，s t e e lf i b e rs p r a y e dc o n c r e t ee x h i b i t s e x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l l e de x t e n s i v e l y i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h e t e s to fs t e e lf i b e rs p r a y e dc o n c r e t eb ya d d i n gx p ma d d i t i v e ，t h ei n f l u e n c eo f f l ya s hb l e n dq u a n t i t i e s ，k i n do fs t e e f i b e ra n dd i f f e r e n ta d d i t i v ec o m b i n a t i o n o nt h em i xa n dm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e df i r s t l y ，t h e nt h ec o n s t r u c t i o n p a 。a m e t e rl sd e e i d e d ，t h em e t h o dt oi m p r o v et h e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi s g i v e n ，e c o n o m i c a la n ds u i t a b l em i x t u r er a t et h a tm e e t st h er e q u i r e m e n to fd e s i g n a n de x h i b i t se x c e l l e n ti sp r o v i d e d ，t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o da n dq u a l i t vc o n t r o l m e a s u r e so fr e i n f o r c i n gf u z i1i n gd a r n a r ea l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：x p ma d d i t i v e ；s t e e lf i b e rs p r a y e dc o n c r e t e ；s t u d yb yt r i a l ；m i x t u r e r a t i o ；r e i n f o r c i n gd a m 插图清单 图4 - 1 湿式喷射工艺流程3 4 图5 1 喷射钢纤维混凝土接头部位示意图4 8 表格清单 砂子级配限度4 石子级配限度5 钢纤维品种6 水泥的主要物理力学指标1 5 水泥的化学成分1 5 砂子的主要技术指标1 6 石子的主要技术指标1 6 粉煤灰的主要技术指标1 7 钢纤维的主要技术指标1 7 x p m 外加剂的主要技术指标1 7 速凝剂的主要技术指标1 8 膨胀剂的主要技术指标1 9 高效减水剂的主要技术指标1 9 外加剂相容性试验结果2 0 不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的混凝土拌合物性能试验结果2 1 不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的混凝土力学性能试验结果2 1 不同水泥用量、不同粉煤灰掺量的混凝干缩性能试验结果2 1 不同x p m 掺量的混凝土拌合物性能试验结果2 2 不同x p m 掺量的混凝土力学性能试验结果2 3 不同钢纤维掺量对混凝土强度的影响2 4 掺不同长径比钢纤维的混凝土拌合物性能试验结果2 5 掺不同长径比钢纤维的混凝土力学性能试验结果2 5 混凝土拌合物性能试验结果2 6 混凝土力学性能试验结果2 7 混凝土强度增长率2 7 加速凝剂的混凝土与不加速凝剂的混凝土的强度比2 8 掺x p mi + u e a + 8 6 0 4 的混凝土的坍落度和凝结时间3 0 掺不同外加剂的混凝土配合比3 1 掺不同外加剂的混凝土干缩率3 1 掺不同外加剂的混凝土千缩率比3 2 掺不同外加剂的混凝土水中限制膨胀率3 2 温度降低时混凝土的长度变化率3 3 ，0 0 ，0 0 4 0 0 7 0 9加u地坩m坫硌珀孤扎毖强强拈揖玎擒挎 h h猢抛螂州蝴螂批螂蛳螂邶蚴蚴姚蚴拟螂蚴蚴蚴蚴 静静静静静静静静黏黏静静静静静静耔黏社社黏静静静静耔耔静静静静黏 第一次喷射大板的钢纤维喷射混凝土配合比3 4 第二次喷射大板的钢纤维喷射混凝土配合比3 5 室内成型的钢纤维混凝土配合比3 5 第一次钢纤维喷射混凝土大板的力学性能试验结果3 6 第二次钢纤维喷射混凝土大板的力学性能试验结果3 6 室内成型钢纤维混凝土的力学性能试验结果3 6 混凝土各强度之间的比值3 7 混凝土的弯曲韧性试验结果3 9 混凝土大板韧度( 能量吸收) 试验结果4 0 推荐混凝土配合比4 1 推荐配合比室内成型混凝土的力学性能试验结果4 1 推荐配合比室内成型混凝土的弯曲韧性试验结果4 1 推荐配合比室内成型混凝土大板韧度( 能量吸收) 试验结果4 1 推荐配合比喷射大板混凝土的力学性能试验结果4 2 推荐配合比喷射大板混凝土的弯曲韧性试验结果4 2 推荐配合比喷射混凝土大板的韧度( 能量吸收) 试验结果4 2 配料允许误差4 8 欧洲喷射混凝士规范规定的检查频度4 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 书书书书书弋门书叫叫叫叫4刊1屯 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 奎4 瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤瓤栽鼢 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知， 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得金照至些塞堂 或其他教育机构的学位或证二b 而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乏t 苫 签字e t 期：扫年6 月，e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垒壁王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金目b 王些盔堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：e 砂扩 导师签名 签字日期：西叫6 年占月，r 日签字日期：。6 年6 月f 怕 工作单位p 窆数l ：匆l 出屯弘女芷冬。芋莲l 电话：口野，工j 了j 野占 通讯地址：售她f i 俄描k 毋美速( 白。埠) 邮编：上；。 友- 投 ：卿 电筘型却：字受 茧了 致谢 论文付梓之际，百感交集。首先感谢合肥工业大学和工作单位安徽水利水电职业技 术学院给予作者学习和深造的机会! 感谢导师蔡敏教授的悉心指导! 导师渊博的学识， 严谨求实的治学精神，高尚的品德，平易近人的态度，深深感染着作者，也将使作者终 生受益。同时感谢提供资料的安徽水科院、安徽水安总公司等单位和个人。另外，还要 感谢所有给予作者指导和帮助的友人，特别是给予作者充分理解和全力支持的亲人们! 作者：奚立平 2 0 0 6 年6 月2 日 第一章绪论 随着1 8 2 4 年波特兰水泥的诞生，在1 8 3 0 年前后出现了混凝土，作为当时 的一种新型建筑材料，就广泛地应用于土木和水利工程。尤其是在1 9 世纪中叶 以后，伴随着钢铁的发展，人们把钢筋和混凝土结合起来，诞生了钢筋混凝土 ( r e i n f o r c e dc o n c r e t e ，r c ) 这种新型的复合建筑材料，大大提高了结构的抗裂 性能、刚度、承载能力和耐久性。到2 0 世纪3 0 年代开始出现预应力混凝土 ( p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ，p c ) ，其结构的抗裂性能、刚度和承载能力，大大超 过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围，拓展了许多新的应 用领域，使土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝土占统治地位的历史时期。 混凝土给建筑物带来了新的经济而美观的工程结构形式，促使土木工程产生了 新的结构设计计算理论和新的施工工艺技术，在土木建筑工程技术发展史上完 成了一次新的飞跃。但是，混凝土作为建筑材料，存在的固有弱点一如构件 的自重大、易于塑性干缩开裂、抗疲劳能力低、韧性差、抗拉强度低( 一般仅为 抗压强度的7 一1 4 ) 、易产生裂纹、抗冲击碎裂性差等，限制了在工程中的使 用范围，并且这些弱点随着混凝土强度的提高显得尤为突出。因此，长期以来 许多专家和学者不断探索改善混凝土性能( 主要是提高抗拉性能，增强耐久性) 的各种方法和途径，于是提出了一种以传统素混凝土为基体的新型复合材料 一一纤维混凝土( f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，f r o 。它是纤维增强混凝土的 简称，是一种水泥基复合材料，通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体， 将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的金属纤 维、无机纤维或有机纤维均匀分散在混凝土基体中形成的种新型建筑材料。 纤维在混凝土中限制混凝土早期裂缝的产生及在外力作用下裂缝的进一步扩 展。在纤维混凝土受力初期，纤维与混凝土共同受力，此时混凝土是外力的主 要承担者，随着外力的不断增加或者外力持续一定时间，当裂缝扩展到一定程 度之后，混凝土退出工作，纤维成为外力的主要承担者，横跨裂缝的纤维极大 的限制了混凝土裂缝的进一步扩展。由此可见，纤维有效地克服了混凝土抗拉 强度低、易开裂、抗疲劳性能差等固有缺陷，与普通混凝土相比，纤维混凝土 具有较高的抗拉、抗弯拉、抗冲击、抗阻裂、抗爆和韧性、延性等性能，同时 对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋性等方面也有很大的贡献叫。 鉴于纤维混凝土具有素混凝土不具有的优点，纤维混凝土尤其是钢纤维混 凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) 在实际工程中日益得到学术界和工 程界的关注。1 9 0 7 年原苏联专家b h e k p o c a b 开始用金属纤维增强混凝土。 1 9 1 0 年，美国h f p o r t e r 发表了有关短纤维增强混凝土的研究报告，建议把短 钢纤维均匀地分散在混凝土中用以强化基体材料。1 9 1 1 年，美国g r a h a m 曾把钢 纤维掺入普通混凝土中得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果。到2 0 世纪 4 0 年代，美、英、法、德、目等国先后做了许多关于用钢纤维来提高混凝土的 耐磨性和抗裂性、钢纤维混凝土制造工艺、改进钢纤维形状以提高纤维与混凝 土基体的粘结强度等方面的研究。钢纤维混凝土力学特性的研究开始于2 0 世纪 6 0 年代，j p r o m u a l d i 等首先通过系列研究讨论了钢纤维约束混凝土裂缝开 展的机理，提出了基于断裂分析的纤维间距理论，为钢纤维混凝土的实用化开 辟了道路。r n s w a m y 和a ，e ，n a a m a n 等则对钢纤维混凝土的增强机理提出了 复合材料强化法则。此后，随着钢纤维混凝土的推广应用，美国混凝土学会根 据需要增设了专门的纤维混凝土委员会( a c l 5 4 4 ) ，国际标准化协会也增设了纤 维水泥制品技术标准委员会( i s ot c ? 7 ) ，许多专家学者对钢纤维混凝土的基本 强度特性和基本变形特性进行了大量试验研究，对钢纤维混凝土的断裂性能和 疲劳特性也开展了部分试验研究。钢纤维混凝土抗弯和抗剪构件、框架结构节 点、桥面板和建筑楼板等构件的结构性能研究也取得了许多有益于理论分析和 实际设计的成果，并且这些成果大多已反映在有关的钢纤维混凝土设计和施工 规程中。我国对钢纤维混凝土基本理论的研究开始于2 0 世纪7 0 年代，进入2 0 世 纪8 0 年代后，这一领域的试验研究有了迅速的开展。大连理工大学赵国藩教授 首先从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混 凝土抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。空军工程 学院章文纲、程铁生进行了单调轴压荷载下钢纤维混凝土应力一应变全过程以 及钢纤维框架节点抗震性能和钢纤维混凝土梁抗剪性能的试验研究。铁道部科 学研究院在应用推广钢纤维混凝土于铁路轨枕、桥面铺装和工程加固修复的同 时，开展了材料基本强度和抗冲击、抗磨等性能的试验研究。由于国内钢纤维 的制作技术在过去相当长一段时间里未完全过关，性能优良的钢纤维大多依赖 国外进口，致使钢纤维的价格居高不下，严重影响了钢纤维混凝土在我国的大 规模推广应用。近年由于国内钢纤维的生产技术迅速提高，钢纤维的价格大幅 下降，钢纤维混凝土的一次投资与普通混凝土相差已经不大( 譬如路面设计中， 使用钢纤维可大幅度减小混凝土厚度) ，如果再把工程正常服役时间的长短以及 其他方方面面的影响因子折合成具体的经济指标，即从综合经济效益的角度对 钢纤维混凝土的工程造价进行评估，可以发现钢纤维混凝土的优越性是非常明 显的，其应用也愈来愈广。为了更好地推动钢纤维混凝土的发展，在中国土木 工程学会下专门设立了纤维混凝士委员会，积极组织开展国内外学术交流，组 织召开了多届全国性纤维水泥与纤维混凝土学术会议，编制并颁布了钢纤维 混凝土结构设计与施工规程( c e c s3 8 ：9 3 ) 和钢纤维混凝土试验方法( c e c s 1 3 ：8 9 ) ，极大地推动了钢纤维混凝土在我国的应用与发展“卜“3 。 钢纤维喷射混凝土( s t e e lf i b e rr e i n f o r e e ds h o t c r e t eo rs t e e lf i b e r r e i n f o r e ds p r a y e dc o n c r e t e ) 是借助喷射机械，利用高压，将按一定比例配 合的拌和料，通过管道输送并以高速喷射到需要加固的表面上凝结硬化而成的 一种钢纤维混凝土。钢纤维喷射混凝土与现浇钢纤维混凝土相比，施工简便易 行，省去支模、浇筑和拆模工序，使混凝土输送、浇筑和捣实合为一道工序， 节省了人力、缩短了工期；钢纤维喷射混凝土密度高，强度和抗渗性较好，节 约混凝士；还可以通过输料软管在高室或狭小工作区间的薄壁结构施工，工作 简单、机动灵活，有较广的适应性；此外其经济效益亦较好。2 0 世纪7 0 年代， 钢纤维作为一种新工艺是为了加固喷混凝土衬砌，它最显著的特点是大大降低 了过去那种繁重耗时的钢筋网制作，而代之以机械化的连续的喷混凝土施工， 首次于1 9 7 3 年在美国爱达荷州得到应用。2 0 世纪7 0 年代末，瑞典曾对钢纤维喷 混凝土的加固作用进行了大规模的试验研究，包括钢纤维喷混凝加固与钢筋网 喷混凝加固效果的比较。2 0 世纪7 0 年代后期至8 0 年代初期，加拿大广泛开展了 钢纤维喷混凝土工艺的应用和研究。此后，钢纤维喷射混凝土在北欧、西欧各 国及美国、日本、澳大利亚等国家已广泛应用于矿山、隧道、水利、建筑等工 程支护，并制订了多项标准与规范( 美国混凝土协会( a c i ) 与美国试验和材料协 会( a s t m ) 的标准广泛应用在北美洲；日本混凝土协会( j c l ) 、欧洲以及澳大利亚 等国家和地区也都有自己的标准。加拿大在i t a 报告和第5 届美国工程地基会议 的一篇论文中详细描述了钢纤维喷混凝土加固设计( m o r g e n ，1 9 9 1 ) ，且被广泛 采用) ，为钢纤维喷射混凝土推广应用奠定了基础。与国外相比，我国在钢纤 维喷射混凝土的研究和开发应用上有一定差距，尤其在水利工程加固上，仍需 要大量的试验研究。本文就是通过钢纤维喷射混凝土的试验研究，找出不同组 成材料对钢纤维混凝土拌和物性能及物理力学性能的影响，初步摸索钢纤维喷 射混凝土加固大坝的施工工艺及有关参数，也为类似工程的加固提供参考“。“h 8 第二章钢纤维喷射混凝土的原材料 2 1 水泥”“ 水泥品种和标号的选择应满足工程使用要求，当加入速凝剂时，还应考虑 水泥与速凝剂的相容性。钢纤维喷射混凝士应优先选用不低于4 2 5 号的硅酸盐 水泥或普通硅酸盐水泥，因为这两种水泥中的c 。s 和c 。a 的含量较高，同速凝剂 的相容性好，能速凝、快硬，后期强度也较高。矿渣硅酸盐水泥凝结硬化较慢， 但对抗硫酸盐、海水腐蚀的性能比普通硅酸盐水泥好。当喷射混凝土遇到含有 较高可溶性硫酸盐的地层或地下水的地方时，应使用抗硫酸盐类水泥。当结构 物要求喷射混凝土早强时，可使用硫铝酸盐水泥或其他早强水泥。当骨料与水 泥中的碱可能发生碱一骨料反应时，应使用低碱水泥。当喷射混凝土用于耐火 结构时，应使用高铝水泥，它同时对于酸性介质也有较大的抵抗能力。高铝水 泥由于早期水化作用，水化热高，使用时需采用一定的预防措施。 2 2 骨料”1 2 2 1 砂 钢纤维喷射混凝上宜选用中粗砂，砂的细度模数应大于2 5 。砂予颗粒级配 应满足表2 一l 的要求。砂予过细，会使喷射混凝土干缩增大；砂子过粗，则会增 加回弹。砂子中粒径小于0 0 7 5 m m 的颗粒不应超过2 0 ，否则，由于骨料周围粘 有灰尘，会妨碍骨料与水泥的良好粘结。 表2 1砂子级配限度 筛孔尺寸通过百分数筛孔尺寸通过百分数 ( m m ) ( 以重量计)( m m ) ( 以重量计) 1 01 0 0o 6 2 5 6 0 59 5 1 0 00 3 1 0 3 0 2 58 0 1 0 00 1 52 1 0 1 25 0 8 5 2 2 2 石子 钢纤维喷射混凝土用卵石或碎石皆可，以卵石为好。因卵石对设备及管路 磨蚀小，不会像碎石那样因针片状含量多而引起管路堵塞。目前，国内生产的 喷射机虽然能使用最大粒径为2 5r a m 的骨料，但为了减少回弹，骨料的最大粒径 不宜大于2 0 m m 。 骨料的级配对钢纤维喷射混凝土拌合料的可泵性、通过管道时的流动性、 在喷嘴处的水化、对受喷面的粘附以及最终产品的表观密度和经济性都有重要 作用。为取得最大的表观密度，应避免使用间断级配的骨料，并将所有超过尺 4 寸的粗骨料经过筛选后除掉。因为这些大粒粗骨料会引起管路堵塞。在喷射混 凝中掺入速凝剂时，应避免使用含有活性二氧化硅的石材作粗骨料，以免引起 碱一骨料反应使喷射混凝土开裂破坏。喷射混凝土的石子级配要求见表2 2 。 表2 2石子级配限度 筛孔尺寸通过每个筛子的重量百分数筛孔尺寸通过每个筛子的重量百分数 ( m m ) 级配l级配2 ( m m ) 级配1级配2 2 0 o1 0 05 01 0 3 00 1 5 1 5 01 0 09 0 1 0 02 5o 1 0 0 5 1 0 08 5 1 0 04 0 7 01 20 5 2 3 粉煤灰o “3 “川 粉煤灰是一种人工火山灰材料，颗粒多呈球型，表面光滑。高质量的粉煤 灰加入钢纤维混凝土中，具有形态效应、活性效应和微集料效应。粉煤灰的形 态效应使水泥浆体需水量降低并使粉煤灰填充到水泥浆体孔隙中。粉煤灰的活 性效应几乎都是在水泥浆体孔隙中进行，能大大降低钢纤维混凝土内部的孔隙 率，细化毛细孔，改善孔结构，减少有害孔并提高骨料与水泥浆体以及钢纤维 与混凝土基体之间的粘结作用。粉煤灰的微集料效应使细颗粒均匀分布在水泥 颗粒中，有利于水泥颗粒分散，促进水化，明显地降低孔隙率。因而钢纤维混 凝土中加入粉煤灰，能明显改善钢纤维混凝土的和易性，减少混凝土的于缩和 徐变，降低水化热，减少喷射混凝土的回弹，提高混凝土的后期强度。使钢纤 维的作用充分发挥，大大提高钢纤维混凝土的抗弯、抗拉、抗冲击以及韧性等 力学性能，显著提高钢纤维混凝土的耐久性。 2 4 钢纤维“。“” 钢纤维喷射混凝土被破坏时，往往是钢纤维被拉断。质地硬脆的钢纤维在 搅拌过程中易被折断，会降低强化效果，所以从强度方面看只要不是易脆断的 而又具有一定韧性和较高强度的钢纤维均可满足要求，其抗拉强度不应低干 3 8 0 m p a ，可按下式计算： f 厶= 挚 ( 2 - 1 ) ，。一一钢纤维抗拉强度； 凡广一一根钢纤维抗拉试验的最大拉伸荷载： a ，广一钢纤维截面公称面积。 钢纤维的尺寸主要由强化特性和施工难易性决定，钢纤维过于粗、短，则 钢纤维混凝土强化特性差；钢纤维过于长、细，则在搅拌时容易结团。较合适 的钢纤维尺寸是：长度为2 0 2 5 m m ，且不应大于输送管和喷枪内径的0 7 倍，直 径( 等效直径) 为0 3 0 5 m m ，长径比为4 0 6 0 ，长度偏差不应超过长度公称 值的5 ，按下式计算( 每3 t 产品随机取l o o 根) ： 1 0 0 y f 西= 生一f ， (2-2)100 j 占厂_ 一钢纤维长度偏差值； l ，一一每根受检钢纤维的实测长度； j 厂钢纤维长度公称值。 钢纤维重量偏差不应超过按尺寸公称值计算重量的1 5 ，按下式计算( 每 3 t 产品随机取l o o 根) ： 6 f 酽一铲( 2 3 、 万，一钢纤维重量偏差值； 矿一一1 0 0 根钢纤维实测重量； 一一按钢纤维形状尺寸公称值计算的1 0 0 根钢纤维理论重量。 钢纤维中不得含有妨碍钢纤维与基体粘结的粘在纤维表面的油污、有机质 粘液等有害成分：对于占有纤维重量而不起增强作用，甚至能破坏基体整体性 的杂质，如：多个纤维粘在一起的片体或块体、表面严重锈蚀的纤维、铁屑， 以及混入的杂草、木屑、泥土等，其含量不得超过1 。 钢纤维掺量是通过试验确定的，当每立方米混凝土中钢纤维掺量少于4 0 k g 时，混凝土的各种性能改善不大，但掺量超过1 5 0 k g 时，又不易旌工。因此，确 定钢纤维最佳掺量为每立方米8 0 1 2 0 k g ，相当于体积率为1 o 1 5 。 钢纤维的种类主要有：高强钢丝切断型钢纤维、剪断薄钢板制成剪切型钢 纤维、切削厚钢板制造铣削型钢纤维和熔钢抽丝制成熔抽型钢纤维四类。钢纤 维的品种见表2 3 所示。 表2 - 3 钢纤维品种 名称外形 制地方谊 长直形脚截面e = = = = o 冷拨一切断 变截面= ；= ；静0 传拨一压掰切断 波形两内蝴o 岭拄一压形一切断 艇特彤c = 一= o0 椅拔压形一切断 带弯荷( 单根) d 广飞。 抟接一压形一切断 带弯曲( 集柬状) 毋兰5 对。 冷拔粘龋一压形一切断 扁平形 二二= = 0剪切薄铜板 寰面凸凹状；。e 当0嬉妇拙取 击 卷曲状螂0铣削率铜扳或锕健 注：长直形圆截面直径为0 3 0 6 m m ；扁平形厚为o 1 5 0 4 m m ，宽度为 0 2 5 0 9 m m 。以上两种钢纤维长度一般为2 0 6 0 m m 。 钢纤维的长径比( 长度与直径之比) 通常为3 0 8 0 。 带弯钩集束状钢纤维系用水溶性胶将2 0 3 0 根粘结在一起，单根直径为 0 。3 0 ，5 m m ，长度为4 0 6 0 m m ，粘结后，其束的长径比为2 0 3 0 ，这种钢纤维 在搅拌时遇水后解离成单根，易于分布。 2 5 外加剂”1 3 “小m 3 2 5 1 速凝剂 钢纤维喷射混凝土中使用速凝剂的目的是达到速凝快硬，提高混凝土的早 期强度，减少回弹损失，防止因重力作用所引起的脱落，提高钢纤维喷射混凝 上在潮湿或含水岩层中使用的适应性，并可适当加大一次喷射厚度和缩短层间 的喷射间隔时间。由于速凝剂的加入一般均要降低混凝土的后期强度，故掺量 必须适中。 当采用某一品种速凝剂掺加在某一品种水泥中时，应符合：初凝时间在 3 m i n 以内，终凝时间在1 2 m i n 以内，8 h 后的强度不小于0 3 m p a ，2 8 d 强度不应低于 不加速凝剂的试件强度的7 0 。 水泥品种、速凝剂掺量、水灰比、温度、水泥风化程度及速凝剂受潮程度 等对速凝剂使用效果均有影响。 2 5 2 减水剂 对于湿喷钢纤维混凝土为了获得必要的流动性和和易性，有时需要加入占 水泥重量0 5 1 o 的高效减水剂，其减水量一般可达2 0 s 以上。值得注意的是， 大多数减水剂有一定的缓凝作用，尤其是含有木质磺酸盐和糖蜜等成分，缓凝 作用十分明显。这与钢纤维喷射混凝土的速凝要求是相悖的。因此在应用时要 注意减水剂与速凝剂的相容性，通过必要的试验来确定适宜的品种和剂量。当 喷射混凝土用于有抗冻要求的环境时，混凝土中应掺引气剂或引气型减水剂， 以提高混凝土的抗冻融能力。 2 5 3 早强剂 当采用硅酸盐系列的水泥时，为增加钢纤维喷射混凝土的早期强度，往往 需要掺入一些早强剂。早强剂的选用也应通过试验，例如与速凝剂的相容性。 另外，如是钢筋混凝土则应选用对钢筋无锈蚀作用的早强剂。使用喷射水泥和 高铝水泥由于本身早期强度很高，不需掺早强剂。 2 5 4 膨胀剂 膨胀剂掺入钢纤维喷射混凝土中，通过发生化学反应、体积膨胀来补偿混 凝土的收缩，从而达到一定的抗裂效果。 2 5 5 增粘剂 在钢纤维喷射混凝土拌合料中，加入增粘剂，可以明显地减少施工粉尘和 回弹损失。增粘剂一般由对混凝土性能无有害影响的水溶性树脂组成，掺量可 通过试验确定。因增粘剂与水反应需要时间，所以采用骨料预湿润是很适宜的。 2 5 6 防水剂 钢纤维喷射混凝土中加入高效防水剂的作用是减少混凝士用水量，减少或 消除混凝士的收缩裂缝，增强混凝土的密实性，提高抗渗性能。特别是当要求 喷射混凝土具有较高的抗渗性时( 如有地下水渗漏的地下工程) 应在混凝土中掺 入一些防水剂，除使用u e a 这样的防水剂，还可以采用矾石膨胀剂、三乙醇胺和 减水剂进行配制。 2 5 7 引气剂 钢纤维喷射混凝土中加入引气剂，可大大改善混凝土的抗冻耐久性。此外， 引气剂对混凝土施工性能及其他综合耐久性也有显著的改善效果。 第三章钢纤维喷射混凝土的物理力学性能 评定钢纤维喷射混凝土质量的重要指标有：抗压强度、劈拉强度、抗折强 度、抗折弹模、弯曲韧性指标等。 3 1 抗压强度m 1 、1 3 钢纤维喷射混凝土施工时，拌合料以较高速度喷向受喷面，使水泥与骨料 受到连续冲击而得到压实，因而钢纤维喷射混凝土有良好的密实性和较高的强 度。 钢纤维喷射混凝土的抗压强度受多种因素影响。如拌合料的用水量、水泥 用量、砂率、速凝剂用量及施工工艺等都对抗压强度有一定影响。 钢纤维喷射混凝土中加入速凝剂后，可明显地提高其早期强度( 龄期3 d 内 的强度增长最为显著) ，但后期强度会有一定的下降。 钢纤维喷射混凝土抗压强度的测定，是用喷射法将混凝土拌合物喷射到 5 0 c m 5 0 c m 5 0 c m 的模型内，当混凝土达到定强度时，用切割机锯掉周边， 加工成1 5 c m 1 5 c m 1 5 c m 或1 0 c m x1 0 c m x1 0 c m 的立方体试件( 采用1 0 c m 1 0 c m xl o c m 试件时，立方体抗压强度可乘换算系数0 9 ，换算为标准尺寸试件的相应 强度) ，在标准条件下养护2 8 d 测定其抗压强度。试验时对试件连续、均匀加荷， 试件强度低于3 0 m p a 时，加荷速度取0 3 0 5 m p a s ；试件强度等于或高于3 0 m p a 时，取0 5 0 8 j 【i p a s 。当试件临近破坏、变形速度增快时，应停止调整试验机 油门，直至试件破坏。记录最大荷载，精确至o i m p a ，立方体抗压强度按下式 计算： 。= 等 ( 3 1 ) 丘。r 一钢纤维混凝土立方体抗压强度( m p a ) ； 只。，一一最大荷载( n ) ； 彳一一试件承压面积( m m 2 ) 。 以3 个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值，若其中的最大值 或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 ，则取中间值为该组试件的抗压强度 值；如果二者与中间值相差均大于中间值的15 ，则试验结果无效。 钢纤维喷射混凝士施工后，必须保证其抗压强度符合设计要求的强度等级。 3 2 劈拉强度1 ” 采用1 5 c m x l5 c mx 1 5 c m 或i o c m x l o c m l o c m 的立方体试件( 采用l o c m x l o c m xi o c m 试件时，立方体抗压强度可乘换算系数0 8 ，换算为标准尺寸试件的 相应强度) ，在标准条件下养护2 8 d 测定其劈拉强度。试验时对试件连续、均匀 9 加荷，试件抗压强度 氐t - 3 0 m p a 时，加荷速度取0 0 2 0 0 5 m p a s ；试件抗压强 度等于或高5 f 3 0 m p aa 寸，取o 0 5 o 0 8 m p a s 。当试件l 临近破坏、变形速度增快 时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏。记录最大荷载，精确至o 0 1 m p a ， 立方体劈拉强度按下式计算： 矗，= o 6 3 7 等 ( 3 2 ) 厶。，一一钢纤维混凝土劈拉强度( m p a ) ； 只。，一一最大荷载( n ) ； 卜一试件劈裂面面积( m m 2 ) 。 以3 个试件测值的算术平均值作为该组试件的劈拉强度值，若其中的最大值 或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 ，则取中间值为该组试件的劈拉强度 值；如果二者与中间值相差均大于中间值的1 5 ，则试验结果无效。 3 3 抗折强度“”、“”“1 采用1 5 c m x l 5 c mx6 0 c m ( 或5 5 c m ) 或1 0 c m x l o c m x 4 0 c m 的试件( 采用1 0 c m x1 0 c m x4 0 c m 试件时，立方体抗压强度可乘换算系数0 8 2 ，换算为标准尺寸试 件的相应强度) ，在标准条件下养护2 8 d 测定其抗折强度。试验时对试件连续、 均匀加荷，试件抗压强度低于3 0 m p a 时，加荷速度取0 0 2 0 0 5 m p a s ；试件抗 压强度等于或高于3 0 m p a 时，取0 0 5 0 0 8 m p a s 。当试件临近破坏、变形速度 增快时，应停止调整试验机油门，直至试件破坏。记录最大荷载，精确至0 0 1 m p a ， 抗折强度按下式计算： f， 厶m = 二茅 3 - 3 ) 如，钢纤维混凝土抗折强度( m p a ) ； 只。一一最大荷载( n ) ： 卜一一支座间距( m m ) ； 卜一试件截面宽度( m m ) ； 扣一试件截面高度( m m ) 。 以3 个试件测值的算术平均值作为该组试件的抗折强度值，若其中的最大值 或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 ，则取中间值为该组试件的抗折强度 值；如果二者与中间值相差均大于中间值的1 5 ，则试验结果无效。3 4 试件中 如有一个折断面位于两个集中荷载之外( 以受拉区为准) ，则该试件的试验结果 无效，抗折强度按另两个试件的试验结果计算，如有两个试件的折断面位于两 个集中荷载之外，则该组试件的试验结果无效。 1 0 3 4 抗折弹模“川 采用1 5 c m 1 5 c mx6 0 c m ( 或5 5 c m ) 或1o c m x1 0 c m 4 0 c m 的试件( 采用l o c m lo c m 4 0 c m 试件时，立方体抗压强度可乘换算系数0 8 2 ，换算为标准尺寸试 件的相应强度) ，每组6 个试件，在标准条件下养护2 8 d 进行测定，其中3 个测定 抗折强度，用以确定抗折弹模试验的加荷标准，另3 个测定抗折弹模。试验时以 1 5 0 2 5 0 n s 的速度从l k n j j i j 荷至抗折强度的5 0 的控制荷载，再以同样速度卸荷 至l k n 。如此反复加、卸荷载三次。以同样的速度进行第四次加荷，先加荷至3 k n 的初始荷载，停机持荷6 0 s ，记录挠度值，然后加荷至控制荷载，停机持荷6 0 s ， 记录挠度值，求得初始荷载至控制荷载的挠度增量。以同样速度卸荷至l k n ，停 机持荷6 0 s 后进行第五次加荷，持荷、读值并求得挠度增量，若前后两次跨中挠 度增量之差不大于0 5 1 0 - 3 m m ，则测值有效，否则应重复试验，直至相邻两次 加荷的挠度增量之差符合上述要求为止。当最后一次加荷完毕，检查各测值无 误后，立即卸除测量变形仪表，以同样速度继续加荷至试件断裂，记录断裂位 置并计算抗折强度值。若断裂面在三分点外侧，则该试件的试验结果无效；若 有两个试件的断裂面在三分点外侧，则该组试件的试验结果无效。抗折弹模按 下式计算： e 。一型! 盆生l ( 3 - 4 ) ”“1 2 9 6 i ( 一阡) 如，一钢纤维混凝土抗折弹性模量( m p a ) ； 只。一一最大应力为5 0 抗折强度时的控制荷载( n ) ； 只一一初始荷载( n ) ； 、既。厂一最后一次对应荷载f 。和f 0 0 0 测得的跨中挠度( m m ) ； 一一支座间距( m m ) ； 卜一试件截面惯性矩( m m 4 ) 以3 个试件计算结果的算术平均值作为该组试件的抗折弹性模量值。若其中 的最大值或最小值与中间值之差大于中间值的1 5 ，则取中间值为该组试件的抗 折弹性模量值；如果二者与中间值相差均大于中间值的1 5 ，则试验结果无效。 在3 个测量抗折弹性模量的试件中，若有一个试件的抗折强度，与用以确定控制 荷载的抗折强度值之差超过后者的2 0 ，则该试件测值无效，弹性模量按另两个 试件测值的算术平均值计算；若有两个试件超过上述规定，该组试件的试验结 果无效。 3 5 弯曲韧性“、”巾1 川 钢纤维喷射混凝土的韧性指的是基体开裂后继续维持一定抗力的变形能 力，通常用与荷载挠度曲线下的面积有关的参数来衡量。当钢纤维喷射混凝 土受拉和受弯时，受拉区基体开裂后，钢纤维将起到承担拉力并保持基体裂缝 缓慢扩展的作用，从而基体缝面间也保持着一定的残余应力。随着裂缝开展， 基体缝间残余应力将逐步减小，雨钢纤维具有较大变形能力可继续承担截面上 的拉力，直到钢纤维被拉断或从基体中拔出，而且这个过程是逐步发生的，这 样纤维就起到了明显的增韧效果。钢纤维喷射混凝土韧性的改善在很多应用条 件下比强度改善更为重要，所以钢纤维喷射混凝土的韧性受到工程界广泛的关 注。在受弯、受拉和受压三种受力状态下，受弯的破坏过程更能反映出钢纤维 的增韧效果，同时由于试验过程容易实现和控制，所以目前广泛采用弯曲韧性 来评定钢纤维喷射混凝土的增韧效果。 试验测定钢纤维喷射混凝土韧性指标时，每组4 个试件( 在标准条件下养护 2 8 d ) ，当钢纤维长度不大于4 0 m m ，采用截面为1 0 0 m m 1 0 0 m m 的梁式试件；当钢 纤维长度大于4 0 m m ，采用截面为15 0 m m 15 0 m m 试件。试件跨度为截面边长的3 倍，试件长度应比试件跨度大1 0 0 m m 。按三分点连续、均匀加荷，初裂前的加荷 速度取0 。0 5 0 0 8 m p a s ，初裂后取每分钟1 3 0 0 0 ，使挠度增长速度相等。若试 件在受拉面跨度三分点以外断裂，则该试件试验结果无效。 以初裂挠度的3 倍，5 5 倍和1 5 5 倍前荷载挠度曲线下面积，对初裂荷载 挠度曲线下面积的比值为韧度系数叮。、目。、吼。 玑= 兰笪 ( 3 - 5 ) 。 k 确。2 等( 3 - 6 ) 7 7 3 0 = - 要笪 ( 3 - 7 ) 5 知 6 一一初裂时的挠度； 口s 一挠度为d 时的荷载挠度曲线下面积，其余类推。 美国材料试验学会标准a s t mc 1 0 1 8 对剩余强度系数尼。、届。一、儡。作了 定义。 尼一= 2 0 ( q 。一露s ) ( 3 - 8 ) 扁o ，：。= 1 0 ( 刁2 0 - - 刁。)( 3 - 9 ) 届o 3 0 = 5 ( 刁3 0 - - 目m )( 3 - 1 0 ) 另外，欧洲喷射混凝土规范( e f n a r c ) 的平板试验法也是研究和评价钢纤维 喷射混凝土韧性的有效方法。该方法规定试件尺寸为6 0 0 m m 6 0 0 m m 1 0 0 m m ，试 验时将大板四边筒支，钢支座中心与板边重合，内缘为5 0 0 m m 5 0 0 m m ，即支撑 边每边宽5 0 m m 。试件中心1 0 0 m m 1 0 0 m m 方形面积上作用一集中荷载，绘制荷载 挠度曲线，根据此曲线积分得能耗易计算中心点挠度达至1 2 5 m m 时的能量，并以 此能量值作为衡量钢纤维喷射混凝土韧性的指标。 e = f f ( a a ( 3 1 1 ) 3 6 抗渗性“”“2 ” 抗渗性能是水工及其他构筑物所用混凝土的重要性能。钢纤维喷射混凝上 的抗渗性主要取决于孔隙率和孔隙结构。由于钢纤维喷射混凝土的水泥用量多， 水灰比小，砂率大并采用较小尺寸的粗骨料，有利于在粗骨料周边形成足够数 量和良好质量的砂浆包裹层，阻隔沿粗骨料互相连通的渗水孔网：也可以减少 混凝土中多余水分蒸发后形成的毛细孔渗水通路。所以钢纤维喷射混凝土具有 较高的抗渗性。可以通过钻芯取样做抗渗试件，测定钢纤维喷射混凝土工程的 实际抗渗性。 试验采用顶面直径为1 7 5 m m ，底面直径为1 8 5 m m ，高度为1 5 0 m m 的圆台或直径 与高度均为1 5 0 m m 的圆柱体试件，每组6 个试件。第一次加0 1 m p a 水压，以后每 8 h 增加o 1 m p u ，随时观察试件端面渗水情况，当6 个试件中有3 个试件端面渗水 时，记录水压，停止试验。则抗渗等级为： 乒l o 矿1( 3 1 2 ) 5 一一抗渗等级； 矿一一6 个试件中有3 个试件渗水时的水压( m p a ) 。 在实际工程中由于岩面滴水，水灰比控制不好，施工不当等原因，都会对 钢纤维喷射混凝土抗渗性产生不利影响，施工中应尽量防止。 第四章钢纤维喷射混凝土试验研究 4 1 工程概况及设计要求 佛子岭水库于1 9 5 2 年1 9 5 4 年修建，拦河坝为钢筋混凝土连拱坝，由2 0 个 垛、2 1 个拱及两端重力坝段组成，经1 9 8 2 年加高1 5 m 后，现坝顶高程为1 2 9 9 6 m ， 最大坝高7 5 9 m ，坝顶长5 i o m 。拱、垛均为薄壁轻型结构，上部结构厚度0 5 0 6 m ，下部最大厚度不超过2 o m ，拱为内径1 3 5 m 的半园拱，垛由上下游面板， 左右垛墙及垛内纵向隔墙组成，外侧宽6 5 m ，垛墙施工时分块浇筑，每片垛墙 设为3 6 道锯齿状纵向施工缝。 大坝在施工期和运行初期拱、垛就产生了众多裂缝，在此后的运行中裂缝 继续发展并陆续有新的裂缝发生。坝面裂缝曾发生过严重漏水现象，自施工期 起先后多次进行了裂缝处理，上游坝面的裂缝多采用表面防渗处理，渗水现象 已大大减少，但大多数裂缝未进行结构强度上的加固处理，灌浆处理过的收缩 缝又普遍脱开。在此后的运行中，特别在冬季低温高水位或过低水位的情况下， 仍有裂缝继续发展和新的裂缝产生，目前上游坝面仍有裂缝渗水现象。1 9 9 4 年 1 9 9 6 年对佛子岭大坝进行了特种检查和首次安