泵送鋼纖維混凝土在地下工程施工中的應(yīng)用
2006-08-24 00:00
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摘 要：鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料，已成為混凝土科學(xué)發(fā)展的一個(gè)方向，并以其良好的抗裂性、彎曲韌性、抗托與抗彎強(qiáng)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(chǎng)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(wú)機(jī)纖維或增強(qiáng)材料組成的一種復(fù)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(fù)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(jī)體的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土在抗拉、抗剪、抗彎強(qiáng)度及抗爆、耐磨、抗、巾?yè)?、抗裂等性能方面都有較大提高，同時(shí)使結(jié)構(gòu)的剛度及承載力等各項(xiàng)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(duì)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(jià)
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(guò)2% ；
?。?）必須具有合適的尺寸范圍和長(zhǎng)徑比，一般尺寸范圍是20一60 mm，長(zhǎng)徑比為30一80，以攪拌時(shí)不結(jié)團(tuán)、不折斷，混凝土破壞時(shí)不被拔出為宜；
?。?）鋼纖維要具有較高的強(qiáng)度和韌性，一般強(qiáng)度≮380 MPa，韌性以彎折試驗(yàn)時(shí)，鋼纖維柱圍繞直徑3 mm的圓鋼桿彎折到900不折斷為宜；
（4）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(qiáng)度符合設(shè)計(jì)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(guò)程中不折斷、不結(jié)團(tuán)，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(qiáng)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(gè)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(guó)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(fù)雜，鋼筋稠密，襯砌厚度達(dá)250 cm，采用現(xiàn)場(chǎng)配制、運(yùn)輸、泵送工藝施工。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室多次試驗(yàn)，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(biāo)號(hào)的普通混凝土做了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)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(guò)大、過(guò)小或有表面缺陷，均會(huì)影響混凝土的和易性和力學(xué)性能。為滿足鋼纖維的增強(qiáng)效果與施 性能，通過(guò)鋼纖維混凝土試驗(yàn)，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(zhǎng)度25～40 mm，直徑0．53～0．57 mm，長(zhǎng)徑比64，抗拉強(qiáng)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(xì)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(jí)散裝水泥，強(qiáng)度富余系數(shù)γc =1．15，與外加劑適應(yīng)性良好。
（2）細(xì)骨料：選用當(dāng)?shù)靥烊粌?yōu)質(zhì)河砂，細(xì)度模數(shù)2．5，含泥量1．8%，級(jí)配良好。
?。?）粗骨料：鋼纖維用的粗骨料，應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬、級(jí)配良好的碎石。粒徑過(guò)大或過(guò)小，都會(huì)影響鋼纖維在混凝土中均勻分布及其增強(qiáng)的效果。選用當(dāng)?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(biāo)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(dòng)性會(huì)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(yùn)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(qiáng)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(shí)，混凝土減水率可達(dá)20%。
?。?）拌合水：可飲用自然水。
2．2．3 配合比設(shè)計(jì)中鋼纖維摻量的確定
在預(yù)先設(shè)計(jì)的C40泵送混凝土配合比（水泥：砂：碎石：水：粉煤灰： 外加劑=386：719：1036：164：80：19．2）基礎(chǔ)上調(diào)整鋼纖維摻量進(jìn)行摻量驗(yàn)證，選擇鋼纖維摻量70、95、110 kg／m3 進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，見(jiàn)表1。
 由表1可以看出，第2組試驗(yàn)通過(guò)調(diào)整砂率和水泥用量完全可以達(dá)到要求。為保證鋼纖維混凝土設(shè)計(jì)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
 鋼纖維混凝土配合比要考慮設(shè)計(jì)要求的抗壓、抗折等級(jí)，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(dāng)增加膠凝材料的總量，共試拌13個(gè)配合比。通過(guò)綜合比較試拌混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)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(jiàn)表3。
 2．2．5 泵送鋼纖維混凝土的優(yōu)良性能
通過(guò)表3可看出，C40泵送鋼纖維混凝土比同標(biāo)號(hào)泵送?昆凝土水泥用量多，砂率高，28 d抗壓強(qiáng)度稍大，抗折強(qiáng)度明顯提高；通過(guò)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(yàn)，選定最佳配合比后，必須從原材料進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)，混凝土攪拌站計(jì)量上料、拌合、出料坍落度檢測(cè)、混凝土試件留取、泵送混凝土運(yùn)輸、施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、以及混凝土養(yǎng)護(hù)等工序入手，嚴(yán)格控制各道工序，確保現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(tuán)從而影響混凝土性能，故在拌制過(guò)程中采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)，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(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)問(wèn)，使鋼纖維在混凝土中均勻分散（不結(jié)團(tuán)），達(dá)到預(yù)期的增強(qiáng)效果。
投料順序：向攪拌機(jī)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(jī)一次投料不宜大于額定攪拌量的80%，臺(tái)則攪拌機(jī)可能囚負(fù)倚大而使鋼纖維混凝十?dāng)嚢?勻。攪拌時(shí)間較普通混凝土規(guī)定攪拌時(shí)間延長(zhǎng)1～2 min，整個(gè)攪拌時(shí)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(shí)可采用搖篩分層加入。
2．3．1．2 鋼纖維混凝土的運(yùn)輸和泵送
鋼纖維混凝土拌合料的運(yùn)輸可采用與普通混凝相同的運(yùn)輸方法，即由攪拌運(yùn)輸車運(yùn)至泵送站。由于運(yùn)輸過(guò)程中坍落度和含氣量都會(huì)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(yùn)輸距離和時(shí)問(wèn)，否則會(huì)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(yùn)輸車將拌好的鋼纖維混凝土運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)后，先高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度方向由一端向另一端退著來(lái)回?cái)備仭?/DIV>
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(duì)澆筑的間斷、冷縫等更為敏感，當(dāng)因澆筑產(chǎn)生前后澆灌拌合料的界面時(shí)，纖維即被界面分割，界面上纖維的增強(qiáng)增韌效能消失，對(duì)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(gè)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(yán)禁采用人工插搗。插搗會(huì)將鋼纖維擊向下方，使之分布不勻。應(yīng)采用機(jī)械振搗，采用表面振動(dòng)器或附著式震動(dòng)器振搗密實(shí)，限制使用插入式振搗器。振動(dòng)時(shí)間較普通混凝土適當(dāng)延長(zhǎng)，以混凝土袁面呈現(xiàn)浮漿、混凝土不再下沉為準(zhǔn)，以免機(jī)械電機(jī)磁場(chǎng)影響鋼纖維的無(wú)序排列。稠度相同的鋼纖維混凝土看起來(lái)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(guò)振對(duì)鋼纖維混凝土的質(zhì)量都不利。漏振產(chǎn)生的不密實(shí)對(duì)于鋼纖維混凝土可能比普通混凝土還嚴(yán)重。過(guò)振則會(huì)引起鋼纖維下沉，這對(duì)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(yàn)
質(zhì)量檢驗(yàn)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(yàn)收規(guī)范的規(guī)定，嚴(yán)格檢驗(yàn)原材料、混凝土配制與澆筑施工的各個(gè)環(huán)節(jié)。
?。?）嚴(yán)格原材料檢驗(yàn)，包括：水、水泥、砂、粗粒骨料、鋼纖維、外加劑、摻合料等各項(xiàng)檢驗(yàn)，確保使用優(yōu)質(zhì)原材料。
?。?）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工計(jì)量，嚴(yán)格按照配比施工。
（3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)員按有關(guān)規(guī)程做好出機(jī)混凝土坍落度的檢驗(yàn)，確保新攪拌混凝土性能穩(wěn)定。
?。?）鋼纖維均勻性控制與檢驗(yàn)：拌合物中鋼纖維的均勻性十分重要，每個(gè)臺(tái)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(jī)取樣的鋼纖維混凝土拌合物用水沖洗干凈裝入，放在振動(dòng)臺(tái)上刮平，稱重。然后取出鋼纖維烘干稱其質(zhì)暈，計(jì)算鋼纖維的體積率。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，要求檢驗(yàn)的體積率與設(shè)計(jì)要求的差值波動(dòng)范圍不超過(guò)±10% 。
2．3．2．2 試件制作與養(yǎng)護(hù)
鋼纖維的配比對(duì)混凝土強(qiáng)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?、人工搗固、水平方向左右晃動(dòng)試模，待基本密實(shí)后，再放在振動(dòng)臺(tái)上，邊振動(dòng)邊分批投料，振動(dòng)密實(shí)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(duì)較高，因此在鋼纖維混凝土澆筑后應(yīng)及時(shí)采取保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施，用厚塑料薄膜密封，再用擰干的無(wú)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(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間≮10 d。
4 結(jié)語(yǔ)
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(wú)纖維的脆性斷裂向纖維含量較高時(shí)的延性破壞，初裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)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(chǎng)合下鋼纖維參與結(jié)構(gòu)受力，從而改善無(wú)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。
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| 原作者： 劉文慶 王鷙 |
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