泵送鋼纖維混凝土在地下工程施工中的應(yīng)用

摘要：鋼纖維混凝土作為一種新型復合材料，已成為混凝土科學發(fā)展的一個方向，并以其良好的抗裂性、彎曲韌性、抗托與抗彎強度等性能，正廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)領(lǐng)域。闡述了特定的現(xiàn)場拌制條件下，象送鋼纖維混凝土在地下上程施工中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鋼纖維混凝土；泵送混凝土；配合比；地下工程　　纖維混凝土是以水泥漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機纖維或增強材料組成的一種復合材料。鋼纖維混凝土就是在混凝土基體中摻入適量的鋼纖維和添加劑的一種混凝土基復合材料。在混凝土中摻人適量鋼纖維后，有效地改善了混凝土機體的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土在抗拉、抗剪、抗彎強度及抗爆、耐磨、抗、巾擊、抗裂等性能方面都有較大提高，同時使結(jié)構(gòu)的剛度及承載力等各項性能也有所改善。另外，鋼纖維的存在，減小了混凝土碳化收縮的不利影響，對混凝土的碳化起到了抑制作用。由于鋼纖維混凝土具有較多的優(yōu)良性能，并能成批生產(chǎn)，價格比較便宜，施工比較方便，故受到工程界的普遍關(guān)注。 1 泵送鋼纖維混凝土的配制 1．1 鋼纖維的技術(shù)要求及選用　　鋼纖維常用體積率為0．35% ～1．5%，最大不宜超過2% ；　　必須具有合適的尺寸范圍和長徑比，一般尺寸范圍是20一60 mm，長徑比為30一80，以攪拌時不結(jié)團、不折斷，混凝土破壞時不被拔出為宜；　　鋼纖維要具有較高的強度和韌性，一般強度≮380 MPa，韌性以彎折試驗時，鋼纖維柱圍繞直徑3 mm的圓鋼桿彎折到900不折斷為宜；　　纖維表面不應(yīng)有油污等影響粘接的雜質(zhì)，不應(yīng)有浮銹和妨礙與水泥基體粘結(jié)的有害涂層或金屬鍍膜。 1．2 配制原則及方法　　鋼纖維混凝土要求混凝土強度符合設(shè)計要求，具有較大的坍落度，較好的粘聚性，不泌水、不離析，鋼纖維在拌合過程中不折斷、不結(jié)團，易于泵送，且在破壞的硬化體中，鋼纖維不產(chǎn)生拔出現(xiàn)象。　　配制的基本方法是建立在鋼纖維混凝土拌合料的特性及其硬化后的強度基礎(chǔ)上的。其主要目的是根據(jù)使用要求，合理確定拌合料的水灰比、鋼纖維體積率、單位用水量和砂率等4個基本參數(shù)，由此，即可算出各組成材料的用量。 2 工程應(yīng)用 2．1 工程概況　　某國防工程位于埋深320 m的地下，其幾部通道采用C40鋼筋鋼纖維混凝土襯砌。由于受力復雜，鋼筋稠密，襯砌厚度達250 cm，采用現(xiàn)場配制、運輸、泵送工藝施工。經(jīng)過試驗室多次試驗，配制出了易于施工的鋼纖維泵送混凝士，并在此基礎(chǔ)上與同標號的普通混凝土做了對比試驗，驗證了鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能，在施工中取得了良好的效果。 2．2 泵送鋼纖維混凝土的材料選擇及配合比 2．2．1 鋼纖維的選擇　　鋼纖維尺寸過大、過小或有表面缺陷，均會影響混凝土的和易性和力學性能。為滿足鋼纖維的增強效果與施性能，通過鋼纖維混凝土試驗，選用嘉興經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的切削型鋼纖維，兩端彎曲，長度25～40 mm，直徑0．53～0．57 mm，長徑比64，抗拉強度1145～1545 MPa。 2．2．2 混凝土原材料選用　　混凝土原材料的選用包括水泥，粗、細骨料，摻合料及外加劑和水的選用。　　水泥：選用產(chǎn)量大、質(zhì)量穩(wěn)定的秦嶺水泥廠產(chǎn)P．042．5級散裝水泥，強度富余系數(shù)γc =1．15，與外加劑適應(yīng)性良好。　　細骨料：選用當?shù)靥烊粌?yōu)質(zhì)河砂，細度模數(shù)2．5，含泥量1．8%，級配良好。　　粗骨料：鋼纖維用的粗骨料，應(yīng)選用質(zhì)地堅硬、級配良好的碎石。粒徑過大或過小，都會影響鋼纖維在混凝土中均勻分布及其增強的效果。選用當?shù)罔F道碎石廠碎石，其粒徑規(guī)格為5～20 mm，針片狀含量5．8%、壓碎指標值6．8% 、含泥量0．5%。　　礦物摻合料：混凝土中加入鋼纖維之后，其流動性會變差，且為泵送施工，需利用礦物摻合料的疊加效應(yīng)，優(yōu)化攪拌、運輸和施工工藝。粉煤灰能減少混凝上干縮和徐變，降低水化熱，提高}昆凝土的后期強度。本工程摻用寶雞二電廠生產(chǎn)的臌散裝粉煤灰。　　外加劑：選用陜西天石產(chǎn)TSH—l型高效泵送劑，摻量5%時，混凝土減水率可達20%。　　拌合水：可飲用自然水。 2．2．3 配合比設(shè)計中鋼纖維摻量的確定　　在預(yù)先設(shè)計的C40泵送混凝土配合比基礎(chǔ)上調(diào)整鋼纖維摻量進行摻量驗證，選擇鋼纖維摻量70、95、110 kg／m3 進行試驗對比，見表1。　　　　由表1可以看出，第2組試驗通過調(diào)整砂率和水泥用量完全可以達到要求。為保證鋼纖維混凝土設(shè)計的優(yōu)良特性，采用摻量為95 kg／m3。 2．2．4 配合比的調(diào)整及確定由于在實際工程中，影響鋼纖維混凝土性能的因素很多，為了符合施工實際，還需要對鋼纖維混凝土配合比進行試驗調(diào)整。鋼纖維混凝土砂率支配著鋼纖維在混凝土中的分散度和鋼纖維混凝土的稠度，并對強度有影響。根據(jù)混凝土基體試配強度推算出水灰比為0．35，以W／C=0．35為中間值進行W／C為0．33、0．35、0．37的平行試驗，見表2。　　　　　　鋼纖維混凝土配合比要考慮設(shè)計要求的抗壓、抗折等級，還要顧及施工方便。在常用的C40泵送混凝土配合比基礎(chǔ)上，調(diào)整砂率，適當增加膠凝材料的總量，共試拌13個配合比。通過綜合比較試拌混凝土的抗壓、抗折強度、和易性、鋼纖維分布情況等，最終確定泵送鋼纖維混凝土配合比，見表3。 2．2．5 泵送鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能　　通過表3可看出，C40泵送鋼纖維混凝土比同標號泵送?昆凝土水泥用量多，砂率高，28 d抗壓強度稍大，抗折強度明顯提高；通過破壞情況可以看出，泵送鋼纖維混凝土具有較好的韌性和耐沖、抗裂、抗爆性能。 2．3 施工與質(zhì)量控制 2．3．1 施工工藝　　在完成室內(nèi)試驗，選定最佳配合比后，必須從原材料進場檢測，混凝土攪拌站計量上料、拌合、出料坍落度檢測、混凝土試件留取、泵送混凝土運輸、施工現(xiàn)場作業(yè)、以及混凝土養(yǎng)護等工序入手，嚴格控制各道工序，確保現(xiàn)場施工質(zhì)量。 2．3．1．1 鋼纖維混凝土的攪拌　　鋼纖維的攪拌方法對鋼纖維混凝土中鋼纖維的分散均勻十分重要。必須避免鋼纖維的結(jié)團從而影響混凝土性能，故在拌制過程中采用強制式攪拌機，采用干拌和濕拌二次攪拌工藝，采取合理的投料順序以及正確的拌制方法，同時適當延長攪拌時問，使鋼纖維在混凝土中均勻分散，達到預(yù)期的增強效果。　　投料順序：向攪拌機中先加入砂石，再加入鋼纖維，攪拌30 s后加入水泥；再攪拌30 s，加入水和外加劑，攪拌120 s后即可出鼓。由于鋼纖維混凝土粘聚性較普通混凝土大，攪拌機一次投料不宜大于額定攪拌量的80%，臺則攪拌機可能囚負倚大而使鋼纖維混凝十攪拌勻。攪拌時間較普通混凝土規(guī)定攪拌時間延長1～2 min，整個攪拌時間≮3 min。為使鋼纖維能均勻分散于混凝土中，把鋼纖維加入骨料中時可采用搖篩分層加入。 2．3．1．2 鋼纖維混凝土的運輸和泵送　　鋼纖維混凝土拌合料的運輸可采用與普通混凝相同的運輸方法，即由攪拌運輸車運至泵送站。由于運輸過程中坍落度和含氣量都會有損失，拌合料稠度下降，且鋼纖維混凝土更容易離析，所以應(yīng)盡量縮短運輸距離和時問，否則會造成卸料困難和影響澆筑質(zhì)量。　　為避免混凝土離析，攪拌運輸車將拌好的鋼纖維混凝土運到施工現(xiàn)場后，先高速轉(zhuǎn)動裝筒1min使筒內(nèi)拌合物均勻，再出料入泵。泵送至施工位置后，沿通道兩側(cè)長度方向由一端向另一端退著來回攤鋪。 2．3．1．3 鋼纖維混凝土的澆筑振搗　　鋼纖維混凝士的澆筑振搗，是控制施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。鋼纖維澆筑方法可采用與普通混凝土相同的澆筑方法，其特殊性是對澆筑的間斷、冷縫等更為敏感，當因澆筑產(chǎn)生前后澆灌拌合料的界面時，纖維即被界面分割，界面上纖維的增強增韌效能消失，對結(jié)構(gòu)抗力十分小利。所以澆筑方法一定要保證鋼纖維分布的均勻性和結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。在規(guī)定的一個必須連續(xù)澆灌的區(qū)域內(nèi)，澆注施工不得中斷。　　鋼纖維混凝土嚴禁采用人工插搗。插搗會將鋼纖維擊向下方，使之分布不勻。應(yīng)采用機械振搗，采用表面振動器或附著式震動器振搗密實，限制使用插入式振搗器。振動時間較普通混凝土適當延長，以混凝土袁面呈現(xiàn)浮漿、混凝土不再下沉為準，以免機械電機磁場影響鋼纖維的無序排列。稠度相同的鋼纖維混凝土看起來比普通混凝土略為干澀，但經(jīng)振搗后仍表現(xiàn)為較好的和易性，因此不得因拌合料十澀而加水。漏振和過振對鋼纖維混凝土的質(zhì)量都不利。漏振產(chǎn)生的不密實對于鋼纖維混凝土可能比普通混凝土還嚴重。過振則會引起鋼纖維下沉，這對結(jié)構(gòu)的抗力是不利的。 2．3．2 質(zhì)量控制 2．3．2．1 質(zhì)量檢驗　　質(zhì)量檢驗是控制施工質(zhì)量的重要組成部分。要按現(xiàn)行有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)工程施上與驗收規(guī)范的規(guī)定，嚴格檢驗原材料、混凝土配制與澆筑施工的各個環(huán)節(jié)。　　嚴格原材料檢驗，包括：水、水泥、砂、粗粒骨料、鋼纖維、外加劑、摻合料等各項檢驗，確保使用優(yōu)質(zhì)原材料。　　加強現(xiàn)場施工計量，嚴格按照配比施工。　　現(xiàn)場試驗員按有關(guān)規(guī)程做好出機混凝土坍落度的檢驗，確保新攪拌混凝土性能穩(wěn)定。　　鋼纖維均勻性控制與檢驗：拌合物中鋼纖維的均勻性十分重要，每個臺班應(yīng)做二次鋼纖維體積率榆查。通常采用水洗法檢查鋼纖維在拌合物中的均勻性，具體方法是用5 L的容積升將隨機取樣的鋼纖維混凝土拌合物用水沖洗干凈裝入，放在振動臺上刮平，稱重。然后取出鋼纖維烘干稱其質(zhì)暈，計算鋼纖維的體積率。在整個生產(chǎn)過程中，要求檢驗的體積率與設(shè)計要求的差值波動范圍不超過±10% 。 2．3．2．2 試件制作與養(yǎng)護　　鋼纖維的配比對混凝土強度影響較大，所以試件的制作也與普通混凝土有所不同?？箟涸嚰朔謱油读稀⑷斯v固、水平方向左右晃動試模，待基本密實后，再放在振動臺上，邊振動邊分批投料，振動密實后抹平，避免鋼纖維裸露在試件表面。由于鋼纖維混凝土配合比采用了比較大的砂率和膠結(jié)材料用量，澆筑后的混凝土水化熱峰值相對較高，因此在鋼纖維混凝土澆筑后應(yīng)及時采取保溫、保濕養(yǎng)護措施，用厚塑料薄膜密封，再用擰干的無游離水的濕麻袋覆蓋，隔一定間距向塑料布內(nèi)插入水管注水，用不間斷的保水養(yǎng)護，養(yǎng)護時間≮10 d。 4 結(jié)語　　在混凝土中摻入鋼纖維后，改變了混凝土的破壞形態(tài)，由無纖維的脆性斷裂向纖維含量較高時的延性破壞，初裂強度和極限強度明顯提高，并且鋼纖維用于混凝土結(jié)構(gòu)不僅僅是阻裂和增韌，在許多場合下鋼纖維參與結(jié)構(gòu)受力，從而改善無筋混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的性能。鋼纖維混凝土的抗沖擊、抗爆破、抗受拉破壞的能力較普通混凝土高，它有較好的塑性變形。在變形過程中能吸收大量變形能，岡而破壞不是突發(fā)性的，破壞時構(gòu)件不會發(fā)生驟然崩裂和碎塊飛散現(xiàn)象，因此，鋼纖維混凝土抗爆裂和防破碎有著獨特的優(yōu)越性。鋼纖維混凝土優(yōu)良的韌性還可以適應(yīng)圍巖變形荷載，保持圍巖的整體和穩(wěn)定性，所以鋼纖維混凝土在地下工程中有著廣泛的應(yīng)用。

原作者：劉文慶　王鷙