噴射混凝土試驗(yàn)方法述評(píng)
2006-08-31 00:00
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關(guān)鍵詞： 噴射混凝土； 抗壓強(qiáng)度；混凝土試件
0 引言
噴射混凝土的歷史可以追溯到20世紀(jì)90年代，美國(guó)史密森學(xué)會(huì)的Carl Akeley申請(qǐng)了一種把砂漿噴射在網(wǎng)格骨架模型上以便附著動(dòng)物外皮的專利， 1910年美國(guó)的Allentown Cement Gun 公司購(gòu)買了CarlAkeley的專利，開創(chuàng)了噴射混凝土的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的歷史。 早期的噴射混凝土主要以砂漿為主，僅僅用作防止土石風(fēng)化的一種封閉措施。 經(jīng)過(guò)整整一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，如今噴射混凝土因施工迅捷方便、成本優(yōu)勢(shì)明顯、結(jié)構(gòu)性能具有顯著的優(yōu)越性等，已成為公認(rèn)的加固方法之一，廣泛應(yīng)用于隧道、地下硐室、邊坡等的支護(hù)，以及建筑結(jié)構(gòu)的加固、抗裂防滲工程等輔助結(jié)構(gòu)措施。
值得注意的是，噴射混凝土工作性能的評(píng)價(jià)仍然局限于傳統(tǒng)的材料強(qiáng)度觀念。 文獻(xiàn)檢索表明，當(dāng)前評(píng)價(jià)噴射混凝土工作性能的試驗(yàn)測(cè)試方法大致可分為： ① 抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法； ② 梁試件彎折測(cè)試方法； ③ 板試件彎曲測(cè)試方法。 本文比較全面地評(píng)價(jià)各測(cè)試方法的差異，以作為進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)。 分析表明，國(guó)外的測(cè)試方法已經(jīng)超越單純的材料強(qiáng)度和材料性質(zhì)測(cè)試，而以具備構(gòu)件特征的試件性能作為測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法的變化反映了素噴射混凝土向噴射混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。
1 強(qiáng)度型測(cè)試方法
用于評(píng)價(jià)噴射混凝土工作性能的強(qiáng)度型試驗(yàn)方法，主要包括各種尺寸規(guī)格試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、噴射混凝土與受噴面的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)、類似于針入度試驗(yàn)的抗刺入強(qiáng)度試驗(yàn)等。
另外，包括國(guó)內(nèi)工程界常用的“噴大板試驗(yàn)”，也就是《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》（ GB 50086 -2001）推薦的試驗(yàn)方法其實(shí)也是一種強(qiáng)度型試驗(yàn)方法。 但是，這些試驗(yàn)方法不能合理地反映噴射混凝土實(shí)際工作性能，尤其是不能反映如鋼筋網(wǎng)等增強(qiáng)/增韌材料的作用。
2 梁試件彎折試驗(yàn)方法
梁試件彎折試驗(yàn)（BEAM BEND TESTS）通常用來(lái)測(cè)定混凝土的開裂強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、極限應(yīng)變以及評(píng)價(jià)混凝土的彎曲性能。 該試驗(yàn)方法能一定程度上反映噴射混凝土的工作性能，包括抗裂、抗折及其延性和塑性的性能，是一種比較常用的混凝土材料性能試驗(yàn)方法，國(guó)內(nèi)外也用作噴射混凝土性能測(cè)試的參考方法。 該方法相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)范有美國(guó)ASTM （American Society of TestingMaterials） C1018韌度指數(shù)法，日本JC I（Japan Concrete Institute） SFRC委員會(huì)的JSCE - SF4彎曲韌度系數(shù)法以及EFNARC （ European Federa2tion of Producers and App licators of Specialist Products for Structures） 的“European Specification for Sp rayedConcrete”的抗彎強(qiáng)度方法。 這三種規(guī)范試驗(yàn)方法基本相同，只是整理結(jié)果的方法不同，ASTM C1018 得出的彎曲韌性是一個(gè)相對(duì)值， JSCE - SF4得到的是絕對(duì)彎曲韌性值， EFNARC的“European Specification forSp rayed Concrete”得到的是初裂抗彎強(qiáng)度和殘余抗彎強(qiáng)度。
ASTM C1018 方法利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標(biāo)準(zhǔn)，選用初裂點(diǎn)撓度δ的倍數(shù)作為終點(diǎn)撓度， 即3 倍（3δ） 、5。 5倍（ 5。 5δ） 、15。 5倍（ 15。 5δ） ， 如圖1所示。 韌度指數(shù)用I5、I10、I30等表示，即：
  該方法的優(yōu)點(diǎn)在于： ①參數(shù)指標(biāo)有明確的物理意義， 能比較確切地反映噴射混凝土的工作性能； ②韌度指數(shù)類似于工程常用的延性比，便于在工程中應(yīng)用； ③不受試件形狀、尺寸的影響； ④因制定撓度為初裂點(diǎn)撓度的倍數(shù)，故初裂點(diǎn)偏移、撓度點(diǎn)位置、支座變形對(duì)I5、I10、I30等影響不大。
但是，該試驗(yàn)方法采用的梁試件與實(shí)際噴射混凝土受載作用機(jī)理存在較大的差別，其試驗(yàn)結(jié)果只能表明噴射混凝土材料所具備的某些性能，不便于直接用于設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工。 另外，由于試件尺寸和試件形式的限制，梁試件彎折試驗(yàn)在用于評(píng)價(jià)鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)/增韌噴射混凝土工作性能時(shí)存在先天的不足，鋼筋網(wǎng)在梁試件中如何考慮是一個(gè)突出問(wèn)題，至今國(guó)內(nèi)鮮有鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)/增韌噴射混凝土工作性能研究的報(bào)道。
3 板試件彎曲試驗(yàn)方法
板彎曲試驗(yàn)（ SLAB BEND TESTS）是直接制作板試件來(lái)研究噴射混凝土的工作性能，因板試件比較符合噴射混凝土的實(shí)際工作形式，能更客觀、全面、確切地反映噴射混凝土的實(shí)際工作性能，便于直接設(shè)計(jì)和施工，盡管起步較晚，已取得了很多有價(jià)值得研究成果，該試驗(yàn)方式得應(yīng)用也正不斷擴(kuò)大和逐步規(guī)范化。
3。1 初期的板彎曲試驗(yàn)
初期研究噴射混凝土的板彎曲試驗(yàn)直接參照噴射混凝土實(shí)際工作方式的模型試驗(yàn)，其實(shí)是構(gòu)件性能試驗(yàn)。 一般是制作比實(shí)際的錨桿間距（通常為1 m）稍大（如1． 6 m）的方形噴射混凝土板試件，在板的中央1 m2的方格上用4個(gè)螺栓將試驗(yàn)板固定好，在試驗(yàn)板的上表面中央1 m2的方格上按要求分級(jí)施加均布荷載（堆載或水袋的方式） ，在板底測(cè)量試驗(yàn)板中心點(diǎn)的撓度，以測(cè)取板的荷載- 位移曲線為基礎(chǔ)來(lái)評(píng)價(jià)噴射混凝土的工作性能。
由于試驗(yàn)板過(guò)于龐大，施加均布荷載等都造成試驗(yàn)的難度較大，另外由于僅靠4個(gè)螺栓來(lái)固定試驗(yàn)板，造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，這種試驗(yàn)方式逐步的被后期發(fā)展起來(lái)的試驗(yàn)方式所取代，包括均布荷載或集中荷載作用下的方形板（簡(jiǎn)支和固支）試驗(yàn)、均布荷載或集中荷載作用下的圓板（簡(jiǎn)支和固支）試驗(yàn)，這些后期發(fā)展起來(lái)的試驗(yàn)方式經(jīng)過(guò)不斷的驗(yàn)證比較，一些較好的試驗(yàn)方式被列為噴射混凝土規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。
3。2 EFNARC方板彎曲試驗(yàn)
EFNARC的“European Specification for Sp rayed Concrete”方板彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用邊長(zhǎng)為600 mm ×600 mm，厚100 mm，在邊長(zhǎng)為500 mm ×500 mm的方形面積四周支撐的方板試件。 在板的中心100 mm ×100 mm的面積上按要求加載，量測(cè)板底中心點(diǎn)的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對(duì)荷載- 撓度曲線積分計(jì)算板底中心撓度達(dá)到25 mm （相當(dāng)于板的表面裂縫寬度達(dá)到5～10mm的情況）時(shí)試驗(yàn)板所消耗的功（焦耳） ，以此為指標(biāo)評(píng)價(jià)噴射混凝土的工作性能，該試驗(yàn)的過(guò)程如圖2所示。
 該試驗(yàn)?zāi)鼙容^合理地反映噴射混凝土的實(shí)際工作機(jī)理，而且比梁彎曲試驗(yàn)簡(jiǎn)便（盡管試件要重一些） ，試驗(yàn)結(jié)果的歸一性也比梁彎曲試驗(yàn)好。 但由于很難做到板試件四邊支撐條件的完全一致，試驗(yàn)結(jié)果依然存在較大的離散性。
3。3 ASTM C1550 - 03圓板彎曲試驗(yàn)
澳大利亞的Bernard最先提出三點(diǎn)對(duì)稱支撐圓板彎曲試驗(yàn)方法， ASTM已將其改進(jìn)為“Standard TestMethod for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete （Using Centrally Loaded Round Panel） ”（ASTMC1550 - 03），該試驗(yàn)方式有成為國(guó)際公認(rèn)的噴射混凝土板試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢(shì)。
ASTM C1550 - 03的標(biāo)準(zhǔn)圓板彎曲試驗(yàn)如圖3所示。 試驗(yàn)使用的是直徑為800mm，厚75mm，板底三點(diǎn)（三個(gè)支撐點(diǎn)在一個(gè)750mm的圓周上）對(duì)稱簡(jiǎn)支的圓板試件。 在板的中心按要求施加集中荷載，量測(cè)板底中心點(diǎn)的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對(duì)荷載- 撓度曲線積分計(jì)算板底中心撓度達(dá)到40mm （相當(dāng)于噴射混凝土產(chǎn)生較大變形的情況）時(shí)試驗(yàn)板所消耗的功（焦耳） ，以此為指標(biāo)評(píng)價(jià)噴射混凝土的工作性能。
 該試驗(yàn)方式的簡(jiǎn)便合理，而且試驗(yàn)結(jié)果的歸一性很好。 該試驗(yàn)方式的發(fā)明者Bernard 經(jīng)過(guò)細(xì)致的比較后認(rèn)為該方式是目前最合適、可靠的噴射混凝土工作性能評(píng)價(jià)方式。 Bernard 還在大量的試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上總結(jié)出圓板彎曲試驗(yàn)、方板彎曲試驗(yàn)、以及梁彎曲試驗(yàn)之間的關(guān)系：
1） EFNARC方板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為25 mm時(shí)）和圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為40 mm時(shí)）之間存在如式（4）的換算關(guān)系：
EFNARC25mm （J ） = 215 ×RDP40mm （ J ） （4）
式中， EFNARC25mm （ J ） —EFNARC方板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為25 mm時(shí)） ；RDP40mm （ J ） —圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為40 mm時(shí)） 。
2） JSCE SF4梁彎曲試驗(yàn)的Fe3 值和圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為10 mm時(shí)） 之間存在如式（5） 的換算關(guān)系：
Fe3 （MPa） = （RDP10mm （J ） /92） ×1。33 （5）
式中， Fe3 （MPa） —JSCE SF4梁彎曲試驗(yàn)的Fe3 值； RD P10mm （ J ） —圓板彎曲試驗(yàn)板試件消耗的能量（板底撓度為10 mm時(shí)） 。
4 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)噴射混凝土的工程應(yīng)用量很大，不僅用作開挖工程的臨時(shí)支護(hù)，很多工程結(jié)構(gòu)物還將其作為永久性結(jié)構(gòu)物的重要組成部分。 因此，研究恰當(dāng)?shù)膰娚浠炷列阅軠y(cè)試方法，不僅有利于保障工程結(jié)構(gòu)物的安全性，也有利于開展新型噴射混凝土增強(qiáng)/增韌材料的基礎(chǔ)性研究。 本文較全面地評(píng)述了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的測(cè)試方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)國(guó)外已經(jīng)從單純的強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)展為工作性能的多指標(biāo)測(cè)試，并且為新型噴射混凝土材料的應(yīng)用提供了重要方向。 作者建議加快噴射混凝土試驗(yàn)方法和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的研究，研制開發(fā)相關(guān)的測(cè)試設(shè)備，對(duì)于改進(jìn)國(guó)內(nèi)噴射混凝土性能評(píng)價(jià)體系、開展新材料和新技術(shù)研究、提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平都具有重要意義。 基于此作者根據(jù)ASTM C1550 - 03的相關(guān)要求設(shè)計(jì)了如圖4所示的試驗(yàn)系統(tǒng)，并在該試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了素噴射混凝土板、鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)噴射混凝土板、FRP網(wǎng)片加強(qiáng)噴射混凝土板的工作性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，限于篇幅，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果將另文評(píng)述。 |
| 原作者： 王勝輝 袁 勇 |
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