钢纤维喷射混凝土配合比试验优化研究(图文)

1、第 钢纤维喷射混凝土配合比试验优化研究(图文)论文导读：提出相应的临时性和永久性支护的钢纤维喷射混凝土的强度等级。对实验室的钢纤维喷射混凝土各种力学性能和耐久性能测试。钢纤维喷射混凝土配合比设计钢纤维喷射混凝土是在普通喷射混凝土基础上加入钢纤维混合而成。此即为水泥裹砂和水泥裹石法。并提出了水泥裹砂、水泥裹石新工艺技术。关键词：钢纤维喷射混凝土，配合比设计，耐久性能，水泥裹砂，水泥裹石 1论文的目的和意义1.1本论文的研究目的： 1.1.1根据对各类围岩调查与分级，提出相应的临时性和永久性支护的钢纤维喷射混凝土的强度等级。 1.1.2通过一系列的室内试验和现场试喷试验来确定钢纤维的加入量和钢纤维

2、混凝土的配合比。使其既能满足设计的各项指标要求，又能满足易于喷射施工的要求。 1.1.3对实验室的钢纤维喷射混凝土各种力学性能和耐久性能测试，为现场锚喷支护工艺的安全性和耐久性做出评价。 1.2本论文的研究意义: 钢纤维喷射混凝土是通过管道输送装置在高压作用下将掺入钢纤维的混凝土拌合物高速喷射到施工作业面的一项技术。钢纤维喷射混凝土首次于1973年在美国爱达州得到应用，其后，将其成功应用于隧道衬垫、斜坡稳定、涵洞、水库等其他结构工程。70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射混凝土施工。70年代末，瑞

3、典曾对钢纤维喷射混凝土的加固作用进行了大规模的试验研究,包括钢纤维喷射混凝土加固与钢筋网喷混凝土加固效果的比较。70年代后期和80年代初期，加拿大广泛开展了钢纤维喷射混凝土工艺的应用和研究，并将干拌法钢纤维喷射混凝土工艺成功应用于岩石加固措施中。钢纤维混凝土是用一定量乱向分布的钢纤维增强的以水泥为粘结料的混凝土，属于一种新型的复合材料。由于其抗裂性特强、韧性很大、抗冲击与耐疲劳强度高、抗拉与抗弯强度高，广泛应用于道路、机场、桥梁、水工、港口、铁路、矿山、隧道、军事及工民建等工程领域。如佳密克丝钢纤维混凝土在国外的应用1及在大朝山水电站的应用2，及在江口水电站地下洞室支护中的应用3，1978年,

4、上海市政工程研究所等单位对钢纤维混凝土进行了研究,并把它运用于城市的铺装路面工程取得了一定成果4。1982年9月,铁道部专业设计院和原武汉局共同协作,在襄渝线青徽铺隧道病害整治中,用钢纤维喷射混凝土加固隧道裂损拱圈的试验,初步取得成功4。1984年梅山铁矿在采用素喷射混凝土失败后改用钢纤维喷射混凝土加固巷道,也取得了成功4。 2钢纤维喷射混凝土原材料、检测方法及结果2.1、混凝土的标号及原材料的选择2.1.1、混凝土的标号混凝土的设计标号为250号和300号,即C25和C30。 2.1.2、原材料的选择钢纤维喷射混凝土的原材料包括钢纤维和其他原材料：水泥、水、骨料、外加剂以及混合材料。 （1）

5、水泥:选用产量大、质量稳定、早期强度较高的天宇水泥厂生产的P.O42.5级水泥。 （2）硅灰：选用挪威埃肯硅灰公司生产的比表面积为645m2/g。减少混凝土干缩和徐变，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。 （3）钢纤维:钢纤维的类型对加固效果有着很大的影响,为达到较好的加固效果,通过钢纤维喷射混凝土试验，采用武汉新途工程纤维制造有限公司生产的CW03-05/30-600和CW-05/30-1000型钢纤维，两端弯曲。长度在30mm，直径在0.50mm，长径比为60。抗拉强度为600和1000MPa。所用钢纤维符合美国标准ASTMA820的要求。 （4）骨料:用于喷射混凝土的

6、骨料应有良好颗粒级配。 （5）速凝剂:选用湖北大冶JS-2型高效速凝剂,减少回弹防止砼脱落。 （6）抗渗剂和高效减水剂：选用蒙城生产的UEA低碱型高效减水剂（聚羧酸系），减少收缩和回弹,降低水灰比。 3钢纤维喷射混凝土速凝剂掺量的选择喷射混凝土为浇筑和振捣合一的施工工艺，不需要模板，能在临空或狭小工作面上制成薄壁结构，是地下工程和岩石支护工程中的一项重要措施。论文大全。由于使用湿喷工艺和速凝剂时作业环境好、混凝土裂缝少、表面质量好、混凝土性能可以同不掺速凝剂混凝土一样正常发展，因而掺速凝剂湿喷工艺的应用越来越多，成为喷射混凝土的发展方向。 3.1、速凝剂的实验方法我国行业标准喷射混凝土用速凝剂

7、（JC477-2022）提出的速凝剂试验方法为：先将400g水泥与计算加水160ml搅拌到均匀后，再按推荐掺量加入速凝剂，迅速搅拌2530s，立即装入圆模，人工振动数次，削去多余水泥浆，并用洁净的刀修平表面。从加入液体速凝剂算起操作时间不应超过50s。用此方法测得的速凝剂初凝时间不大于5分钟，终凝时间不大于12分钟。 3.2、速凝剂对水泥砂浆凝结时间的影响按照锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2022），JS-2型高效速凝剂掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%，分别测试水泥净浆的初凝时间、终凝时间和28天抗压强度和砂浆抗裂性，表7为JS-2型高效速凝剂的掺量与水泥凝结时间的关系。

8、表1、速凝剂的掺量与水泥凝结时间 速凝剂的掺量初凝时间终凝时间水泥安定性02小时40分钟3小时35分钟合格1%11分钟26分钟合格2%8分钟18分钟合格3%5分钟9分钟合格4%4分钟8分钟合格5%4分钟7分钟合格 从表1可以看出，随着速凝剂掺量的增加，水泥净浆初凝时间和终凝时间缩短，当速凝剂的掺量为3%、4%、5%时，初凝时间和终凝时间都满足国家标准要求，故可作为钢纤维喷射混凝土所用外加剂。 3.3、速凝剂掺量对水泥胶砂抗压强度的影响采用P.O42.5万年青普通硅酸盐水泥,减水剂的掺量为0.6%，胶砂强度试验水灰比为0.52、胶砂比为1：2.5(ISO标准砂)。将水泥砂浆在胶砂搅拌机中搅拌3m

9、in后加入速凝剂（按1%、2%、3%、4%、5%掺量）再搅拌30s成型试件。速凝剂的掺量对水泥抗压强度的影响如表8所示。 表2、速凝剂掺量对水泥胶砂抗压强度的影响 速凝剂的掺量抗压强度(MPa)抗压强度比(%)1d28d90d28d90d0-44.0 100 1%4.643.6 0.99 2%7.043.1 0.98 3%8.542.7 0.97 4%8.041.2 0.94 5%7.939.1 0.88 从表2的结果可以看出来，随着速凝剂掺量的增加，水泥胶砂早期（1d）抗压强度有所提高，而后期（28d）龄期抗压强度随掺量的增加而逐渐下降。 3.4、速凝剂对砂浆抗裂性的影响掺速凝剂砂浆抗裂性试

10、验是浆一定配合比的砂浆装入抗裂圆环中，将成型的圆环试件放置在水泥恒温养护箱中养护24h，脱模后移入干缩室（控制温度202、相对湿度60%5），观测其开始出现裂缝的时间、开裂后48小时的裂缝数量和最大裂缝宽度，用来相对比较各种速凝剂抗裂性能。水泥胶砂水灰比为0.5、胶砂比为1：2.0(ISO标准砂)，减水剂掺量为0.6%。分别掺入3%、5%速凝剂砂浆抗裂性能如表3所示。 表3、掺速凝剂水泥砂浆抗裂性试验结果 速凝剂掺量减水剂品种初始开裂时间/h开裂48小时后最大裂缝宽度/mm裂缝数量/条3%聚羧酸类1000.1515%聚羧酸类80.157 从表3可以看出，3%掺量速凝剂试件初始开裂时间长，达到1

11、20h，每个试件只有1条裂缝，而5%掺量速凝剂试件初始开裂时间短，只有8个小时，试件裂缝数量则多于3%掺量速凝剂试件，达到7条之多。两种速凝剂开裂后48h最大裂缝宽度虽然相当，但5%掺量速凝剂试件裂缝数量多，总裂缝宽度相应要大。 按照锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2022），初凝时间应不大于5分钟，终凝时间也不大于10分钟，JS-2型高效速凝剂掺量分别为1%、2%、3%、4%、5%，综合考虑初凝时间、终凝时间和28天抗压强度、抗裂性能，得出钢纤维喷射混凝土JS-2高效速凝剂的掺量为3%。 4钢纤维喷射混凝土配合比设计钢纤维喷射混凝土是在普通喷射混凝土基础上加入钢纤维混合而成，是一

12、种新型的复合衬砌材料。与普通的喷射混凝土相比，钢纤维喷射混凝土能够改善混凝土的力学性能和提高混凝土的韧性，但必须保证混凝土中有足够数量的钢纤维含量。因此，钢纤维的加入量的多少和钢纤维混凝土的配合比，必须通过一系列的室内试验和现场试喷试验来确定。使其既能满足设计的各项指标要求，又能满足易于喷射施工的要求。通过分析比较，C25C30钢纤维喷射混凝土决定采用湿喷法施工和双掺技术（掺减水剂和硅灰），其配合比设计通过：速凝剂和减水剂、粉煤灰、水泥相容性试验；基体混凝土（不含钢纤维）性能的室内试验；不同钢纤维品种、掺量的混凝土性能室内试验；现场喷射混凝土的试验等试验成果，综合分析确定钢纤维喷射混凝土施工配

13、合比。该优选配合比方案，虽室内试验工作量大，选择范围也大，现场试验工作量小，具有干扰施工小的特点。 4.1、原材料各参数的确定（1）粗集料最大粒径的选择 粗集料的最大粒径不得大于喷射系统输料管道最小截面直径的1/32/5，亦不宜超过一次喷射厚度的1/3。由于工地使用的喷射机输科管内径为Dmm（50mm），因此粗集料的最大粒径D/3(16mm)。一般喷射混凝土粗骨料连续级配，直径最好小于10mm。 （2）砂率的确定 （3）水泥用量的选择 1）水泥标号检验 表4、砂率和水泥标号 砂率35404550556065707580水泥标号42.50.440.430.420.4150.410.400.390

14、.380.370.34 2）水泥用量的计算 （4)速凝剂的用量的计算 （5)水灰比的计算 （6）用水量的计算 4.2、喷射混凝土的室内试验钢纤维在掺入前的混凝土称为基体混凝土，钢纤维混凝土要满足设计要求的强度，其基体混凝土的强度必须首先满足，方能保证作为支护材料强度的需要。为此，需要进行基体混凝土的配合比设计，再掺入不同掺量的钢纤维，并调整用水量和砂率，使混凝土的坍落度满足喷射施工的要求。然后选项用能满足强度要求的几个不同掺量的钢纤维配合比，用于现场试喷并同时取样进行各种力学指标的试验，选择能满足抗弯强度和抗拉强度要求的配合比，作为C25C30钢纤维喷射混凝土的施工配合比。 喷射混凝土的室内试

15、验参考普通混凝土的试验方法，确定混凝土拌各物的坍落度按122cm控制，试拌时先将材料投入强制式拌各机干拌30s，再加入水减水剂搅拌120s卸出，待测定坍落度等指标后加入速凝剂人工快速翻拌30s，装入100立方体试模内，放在1m2振动台上振动60s成型。 4.3、钢纤维喷射混凝土配合比的正交实验设计根据参考文献和现场试喷工艺，初步确定了影响钢纤维喷射混凝土强度的主要因素为硅灰掺量、砂率、用水量和水泥用量，采用四因素四水平正交设计实验方法，按规定的试验条件进行试验，测出不同编号试验所得产品的试验指标。钢纤维喷射混凝土采用正交实验设计（四因素四水平44），各因素水平表如表5、表6和表7所示。 表5、

16、正交实验设计安排 硅灰kg/m3砂率kg/m3用水量kg/m3水泥kg/m300.50180405100.52190410200.54202215300.56210420 表6、正交设计实验编号 序号硅灰砂率水泥用量用水量P11111P21222P31333P41444P52123P62214P72341P82432P93132P103244P113313P123421P134142P144231P154324P164413 表7、钢纤维喷射混凝土配合比正交设计(kg/m3) 序号硅灰砂率水泥用量用水量减水剂速凝剂P100.504051801%3%P200.524101901%3%P300.5

17、44152022%3%P400.564202201%3%P5100.504102022%3%P6100.524052101%3%P7100.544202201%3%P8100.564151901%3%P9200.504151901%3%P10200.524202201%3%P11200.544052022%3%P12200.564101801%3%P13300.504202201%3%P14300.524151801%3%P15300.544102101%3%P16300.564052022%3% 正交设计实验安排从12月2号开始，每天一组，测试项目有测试参数：凝结时间、坍落度、扩展度、泌水率

18、、含气量；抗压强度（1d、28d）、劈裂抗拉强度（1d、28d）、抗折强度（1d、28d）、混凝土收缩（1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d）、混凝土抗渗（28d）、抗裂性能，目前钢纤维喷射混凝土的力学性能都已齐全。 4.4、钢纤维喷射混凝土正交实验结果分析依正交实验设计，喷射钢纤维混凝土的正交实验结果如下表所示。 表8、正交实验钢纤维喷射混凝土28天抗压强度实验结果 序号硅灰砂率水泥用量用水量抗压强度(MPa)28dP100.5040518027.0P200.5241019026.7P300.5441520226.1P400.5642022025.2P5100.504102022

19、8.3P6100.5240521027.8P7100.5442022031.6P8100.5641519029.7P9200.5041519032.4P10200.5242022028.5P11200.5440520229.1P12200.5641018033.1P13300.5042022034.2P14300.5241518035.5P15300.5441021028.9P16300.5640520220.8 4.4.1、各因素极差的计算(第j列)=第j列中数字i对应的指标之和； (第j列)=； （第j列）=第j列中的、中最大的减去最小的差 根据表8试验结果，计算,和见表9。 表9、,和计

20、算结果 序号ABCD28天抗压强度（MPa）1111127.02122226.73133326.14144425.25212328.36221427.87234131.68243229.79313232.410324428.511331329.112342133.113414234.214423135.515432428.916441330.8K1105121.9114.7127.2 K2117.4118.5117123K3123.1115.7123.7114.3K4129.4118.8119.5110.4k126.2530.4828.6831.8k229.3529.6329.2530.75k

21、330.7828.9330.9328.58k432.3529.7029.8827.6极差R 1.552.254.2 ADCB 优水平 优组合A4B1C3D1 由正交实验结果可知，根据极差大小，判断因素的主次影响顺序。R越大，表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。由以上分析可见，因素影响主次顺序为A-D-C-B，A因素影响最大，为主要因素，B因素为不重要因素。故对钢纤维喷射混凝土而言，硅灰掺量是主要因素，其次是用水量，再者为水泥用量，最后为砂率。根据各因素各水平的平均值确定优水平，进而选出优组合。本次正交实验钢纤维喷射混凝土配合比确定的最优组合为A4B1C3D1，即硅灰的掺量30

22、kg/m3、砂率为0.5、水泥用量为415kg/m3、用水量为180kg/m3。 5、钢纤维喷射混凝土的耐久性能试验51、抗渗性能实验 抗渗性是指混凝土抵抗水、油等液体在压力作用下渗透的性能。混凝土的抗渗性主要与其密实度及内部孔隙的大小和构造有关。抗渗性能测试主要测定钢纤维喷射混凝土的抗渗标号，抗渗试件以6个为一组。试模为175mm（底面直径）185mm（底面直径）150mm（高度），一般以每组6个试件中有4个试件未渗水时的最大水压力计算，表10是钢纤维喷射混凝土正交实验的抗渗性能及抗渗等级。 表10、钢纤维喷射混凝土的抗渗等级 序号28天抗压强度（MPa）抗渗等级127.0P6226.7P6

23、326.1P6425.2P6528.3P6627.8P6731.6P8829.7P8932.4P81028.5P61129.1P81233.1P81334.2P81435.5P81528.9P81630.8P8 52、收缩实验 主要测试钢纤维喷射混凝土试件在规定的温湿度条件下，不受外力所引起的长度变化。测试收缩时以100mm100mm515mm的棱柱体试件为标准化试件，试件在3d龄期从标准养护室取出并立即移入恒温恒室测定其初始长度，此后至少应按以下规定的时间间隔测量其变形读数；1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d。钢纤维喷射混凝土的收缩值如表11所示。 表11、钢纤维喷射混凝土的抗

24、渗等级 序号钢纤维喷射混凝土的收缩值（10*10-6mm）1d3d7d14d28d45d60d1527681161361651822425661251421601903429721181331701884730741191451721905934711121421771926337711241471721867334731251381681848628701231321641939524661151391711821042264114134165180115246911713315918512831741181411681931362866112135166195144246311112915

25、818415836761281451731961672467124139173188 6现场钢纤维喷射混凝土的施工喷射混凝土是以压缩空气作动力使混合料相互冲击而密实，与室内试验的振动密实情况有所不同，掺入钢纤维后也比普通混凝土难以喷射。所以，钢纤维喷射混凝土的配合比必须通过混合料的拌和工艺、喷射工艺，以及喷射成型的钢纤维混凝土的力学性能等试验结果来最终确定，这是现场试喷的意义。论文大全。拌和工艺试验的目的是要求拌和的混凝土外观均匀，钢纤维无结团现象；喷射工艺试验的目的是检验不同掺量的钢纤维喷射混凝土能否喷射，并能满足施工速度的要求。 6.1、喷射前的准备工作（1）喷射作业前，应认真清除作业面墙

26、脚或边坡底部的岩渣和回弹物料，以防止边墙或边坡混凝土喷层出现失脚现象。喷层失脚，对穿过遇水膨胀或易潮解岩层或土层中的工程，会产生严重的不良后果。有的则产生岩层膨胀和喷层脱落，使支护结构逐步破坏。因此，喷射作业前，必须将墙脚或边坡底部的浮石、岩渣和其他堆积物清除干净，以确保全部作业面均被喷射混凝土覆盖。 （2）对于光滑岩面，必要时进行凿毛，以保证喷射混凝土与岩面的粘结强度；对于特别突出的、应力集中的岩面，应进行凿除，以保证受力均衡。 （3）工作台架应塔设牢固，并配有安全栏杆，其宽度为2.0m左右，距作业面的距离应为0.51.0m左右，以保证喷射作业方便灵活和安全。 （4）喷射作业前，应用高压风水

27、清洗受喷面，是为了喷射混凝土与受喷面粘结牢固，保证喷射混凝土的地层良好的共同工作。 （5）喷层厚度，是评价喷射混凝土支护工程质量的主要因素之一。实际工程中，往往发生因喷层过薄而引起混凝土开裂、离鼓和剥落现象。因此，施工中必须控制好喷层厚度。一般可利用外露于洞壁的锚杆尾端，或埋设标桩等方法来控制喷射混凝土厚度，也可在施工中用插杆子的办法随时检查喷层厚度。 6.2、喷射作业（1）为避免喷射司机操作失误，以防止混合料在输料管内积聚而造成堵塞。 （2）喷射速度是影响喷射混凝土质量和回弹率的重要原因之一。当喷头处的工作风压为0.1MPa左右时，在其他影响因素符合规定的时候，喷射混凝土回弹率较小，强度较高

28、，粉尘浓度较低。当风压过小，即喷射速度太小时，则由于喷射冲击小，粗骨料不容易嵌入新鲜混凝土中，则回弹值高，也影响喷射混凝土的强度；当风压过大，即喷射冲击力大时，回弹率也高，也会使粉尘浓度增大。论文大全。 （3）喷射作业完毕，如果残留在喷射机中的混合料结块，就会影响以后喷射机的正常使用，喷射作业过程中的震动会使粘结在喷射机中的水泥块掉落，造成堵管。因此，要求在喷射作业结束后，将喷射机中的积料清除干净是十分必要的。 （4）喷射手应经常保持喷头具有良好的工作状态，主要是指水环出水眼的畅通和喷头各部件之间良好的密封，使之不漏水，从而保证干混合料在喷头处与水得到均匀地混合。 （5）当喷头与受喷面垂直，喷

29、头与受喷面的距离保持在0.61.00mm的情况下进行喷射作业时，粗骨料易嵌入塑性砂浆层中。喷射冲击力适宜，表现为一次喷射厚度大，回弹率低，粉尘浓度小。 6.3、水泥裹砂、水泥裹石喷射混凝土施工为提高喷射混凝土强度，改善混凝土质量，降低水泥用量，可采用水泥裹砂、水泥裹石新工艺，其工艺流程如下： 图23、水泥裹砂、水泥裹石新工艺流程 （1）水泥、砂子分别处理，去除杂质； （2）砂子、石子按比例混合后，用水浸湿表面，搅拌2min； （3）先加水泥搅拌12min，再加水搅拌均匀。由于砂子、石子表面湿润，先粘附了一层水泥，使砂子、石子变成了稠浆料壳体，此即为水泥裹砂和水泥裹石法。这种水泥包裹的砂子、石子

30、壳体，构成了混凝土的骨架，当进一步加水形成稀浆时，水的移动受到约束，可显著减少渗水，同时，稠浆料壳体增大了与岩壁的附着力，阻止了骨料回弹，离析现象在为减少，粉尘也随之减少。 （4）水泥裹砂法的造壳用水量是根据造壳水灰比确定的。在无试验资料论证的情况下，造壳水灰比可取0.25，用裹砂砂浆内的水泥重量乘以造壳水灰比即为造壳用水量。 6.4、影响喷射混凝土回弹率的因素（1）输料管距离 喷射混凝土时，干料从喷浆机进入输料管后通过风压的作用力，将混凝土干料输送到喷头与水充分混合喷敷在岩壁上。在输送混凝土干料过程中，风压在管内截面上的力是每点都相同的，而混凝土干料中水泥、砂、石的比重不同，因而水泥、砂、石在管道内活动的范围和状态就不一样。这样就会使原来搅拌均匀的混凝土干料又重新分离开，管路越长，风压对混凝土干料产生的作用力时间也就越长，混凝土干料分离现象也就越严重。为降低回弹率，减少管道效应就应根据巷道内坡度选择好输料管的距离。 （2）工作风压 工作风压是喷射混凝土施工中一个非常重要的工艺参数，对回弹率、粉尘浓度有很大的影响。为降低回弹率，减小粉尘浓度，我们在施工中就要把工作风压调整为最佳值。实践证明： 1）当喷头工作风压小于0.04MPa时，料束出喷头后呈平抛运动。使料束与岩壁斜交相遇产生料束反射现象。使混凝土产生大量的回弹物，喷敷在岩壁上的