钢纤维喷射混凝土技术在地下工程中应用

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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。

2、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。[2]2.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、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35-65kg/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]6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=100fftm,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

4、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].6图3.1EFNARC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

5、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

6、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35-65kg/m36，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

7、些工程中得到应用。[6]5.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

8、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)<<钢纤维喷射混凝土施工管理方法>>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