隧道補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張 峰

淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽 淮北 235000

隧道補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

張 峰

淮北職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽 淮北 235000

目前隧道支護(hù)主要采用錨噴支護(hù)，在噴射混凝土施工中，由于混凝土的干縮常常導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象。在混凝土中加入膨脹劑和鋼纖維制成補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土，通過膨脹劑的膨脹和鋼纖維的均勻約束作用在混凝土中產(chǎn)生均勻的預(yù)壓應(yīng)力，來補(bǔ)償混凝土硬化過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而有效地控制混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生。本文闡述了噴射混凝土和補(bǔ)償收縮混凝土的研究現(xiàn)狀，分析了噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土的作用機(jī)理和材料特性，綜述了該種材料的研究價(jià)值和存在問題。

隧道；補(bǔ)償收縮混凝土；材料特性；研究現(xiàn)狀

前言

混凝土結(jié)構(gòu)的使用與鋼、木和砌體結(jié)構(gòu)相比，由于它在物理力學(xué)性能及材料來源等方面有許多優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展速度很快[1]。但由于普通混凝土是一種多孔性的脆性材料，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度且在凝結(jié)硬化過程中由于混凝土的收縮（干縮或冷縮）常導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，在防水部位由于裂紋的存在使水的滲入成為可能。在噴射混凝土施工中，裂縫和滲水時有發(fā)生，這不僅增加了成本，也延長了工期，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益都受到很大的影響。補(bǔ)償收縮混凝土是近年來抗?jié)B防裂工程中用的比較多的一種材料，考慮在噴射混凝土中同時加入膨脹劑和鋼纖維，配制出凝結(jié)時間可以控制、工作性能較好、長期性能穩(wěn)定的具有防水和抗裂功能的噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土，用于解決隧道與煤礦巷道工程、邊坡與基坑工程、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固工程以及耐火工程中混凝土材料的關(guān)鍵技術(shù)問題，著重要的意義，其應(yīng)用前景非常廣闊。

1 補(bǔ)償收縮混凝土作用機(jī)理及其特點(diǎn)

補(bǔ)償收縮混凝土的脹縮特征曲線如圖1所示。在養(yǎng)護(hù)期間，膨脹劑依靠自身的化學(xué)反應(yīng)或與水泥中的其他成分反應(yīng)，產(chǎn)生一定的限制膨脹來補(bǔ)償混凝土的收縮，達(dá)到抗?jié)B防裂的目的。但它在干空中同樣會產(chǎn)生干縮，收縮落差比普通混凝土要低30%左右，一般小于極限拉應(yīng)變而不會開裂。由于補(bǔ)償收縮混凝土干縮開始時間比較滯后，而在此期間混凝土已經(jīng)具備了一定的抗拉強(qiáng)度，能夠抵抗由混凝土干縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，因而可有效減免有害裂縫的產(chǎn)生。這就是補(bǔ)償收縮混凝土的抗裂原理。

1.1 補(bǔ)償收縮混凝土作用機(jī)理

圖1 補(bǔ)償收縮混凝土脹縮特征曲線

1.2 補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀

為了解決工程中經(jīng)常遇到的裂縫及滲漏問題，人們在不斷探索新型材料的過程中，研究得到了膨脹水泥和混凝土膨脹劑。

混凝土膨脹劑是在膨脹水泥的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種混凝土外加劑，它是指與水泥、水拌和后經(jīng)水化反應(yīng)生成鈣礬石、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣，使混凝土產(chǎn)生體積膨脹的外加劑，簡稱膨脹劑[2]。在現(xiàn)場將膨脹劑摻入硅酸鹽水泥中可拌制成膨脹混凝土，膨脹混凝土分為補(bǔ)償收縮混凝土和自應(yīng)力混凝土兩種類型。其中補(bǔ)償收縮混凝土是指由膨脹劑或膨脹水泥配制的自應(yīng)力為0.2～1.0MPa的混凝土，它具有補(bǔ)償混凝土干縮和密實(shí)混凝土、提高混凝土抗?jié)B性的作用。在土木工程中用于防水和抗裂兩個方面，與普通混凝土的主要區(qū)別在于：

（1）補(bǔ)償收縮混凝土在限制條件下，在混凝土中建立一定的預(yù)應(yīng)力，改善了混凝土的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，抑制或減少了裂縫的出現(xiàn)，吳中偉院士稱之為“少裂或不裂混凝土”；

（2）補(bǔ)償收縮混凝土在硬化過程中生成的膨脹結(jié)晶體（如鈣礬石）具有填充、切斷和堵塞毛細(xì)孔縫的作用，使大孔變小孔，總孔隙率降低，從而改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，提高了它們的抗?jié)B透性和力學(xué)性能。

早在1936年法國人Lossier就研制了一種硫鋁酸鈣膨脹水泥，但由于其在施工中操作難度較大而沒有推廣。到了1943年，前蘇聯(lián)米哈依洛夫把研制成功的不透水膨脹水泥成功用于二次世界大戰(zhàn)中被破壞的鋼筋混凝土構(gòu)筑物和地下工程防潮層，以及堵漏和修復(fù)工程。到了70年代，這種技術(shù)在機(jī)場、公路、大跨度薄殼以及大面積無接縫的樓板、屋面板等工程中得到了廣泛的應(yīng)用，這些實(shí)際上都是早期補(bǔ)償收縮混凝土的雛形。

1958 年，美國A. K lein研制成功了硫鋁酸鈣膨脹水泥，取名K型水泥，隨后，A. Klein及其同事合作對補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行了大量的研究，并在多種工程中得到成功應(yīng)用。1972年美國混凝土協(xié)會在佛羅里達(dá)州召開了以Klein冠名的國際膨脹混凝土學(xué)術(shù)會議，隨后，美國ACI223委員會提出《使用補(bǔ)償收縮混凝土的推薦方法》(ACI223-77），這是世界上第一部關(guān)于補(bǔ)償收縮混凝土性能研究、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的指南。在此基礎(chǔ)上，日本建筑學(xué)會也于1982年頒布了《摻膨脹劑混凝土的配合比設(shè)計(jì)和施工指南》。

中國建筑材料科學(xué)研究院從1960年就開始研究補(bǔ)償收縮混凝土，他們先后研究成功了硅酸鹽膨脹水泥、明礬石膨脹水泥、硫鋁酸鹽膨脹水泥等，并對這些膨脹水泥配置的補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行了大量的研究。

趙順增、游寶坤等[3]系統(tǒng)研究了補(bǔ)償收縮混凝土在硬化前后的基本性能。無論摻何種膨脹劑，都會使混凝土的凝結(jié)時間提前，膨脹劑摻量越大，凝結(jié)時間越快，摻與不摻減水劑都有相同的結(jié)果。另外，補(bǔ)償收縮混凝土的抗折強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、披裂強(qiáng)度以及有關(guān)比值，都與普通混凝土的強(qiáng)度性質(zhì)基本相同。

宋春香[4]研究了補(bǔ)償收縮混凝土的渠道防滲工程中的應(yīng)用，結(jié)果表明，粉煤灰摻量對混凝土膨脹率的影響比較顯著，通過分析粉煤灰對混凝土膨脹率和力學(xué)性能的影響，得出了粉煤灰摻量取40%為宜的結(jié)論。

這些成果對我國膨脹水泥的研制和工藝控制起到重要的指導(dǎo)作用。在此基礎(chǔ)上，我國于2009年頒布了《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JGJ/T178-2009），進(jìn)一步完善了補(bǔ)償收縮混凝土的配合比設(shè)計(jì)、構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工注意事項(xiàng)，使我國補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用提高到一個新的水平。

1.3 補(bǔ)償收縮混凝土存在問題

目前補(bǔ)償收縮混凝土存在的主要問題如下：

（1）由于膨脹速率慢，補(bǔ)償收縮混凝土需要較長時間的水養(yǎng)護(hù)才能充分發(fā)揮膨脹效果，造成了施工的不便。

（2）補(bǔ)償收縮凝土硬化過程中產(chǎn)生膨脹變形，必須對對混凝土變形進(jìn)行約束才能發(fā)揮其良性效應(yīng)， 且約束條件在整個混凝土中越均勻越好。

（3）在膨脹劑材料與水泥、外加劑等適應(yīng)性不好時，易導(dǎo)致水泥中加入膨脹劑后膨脹性能較好、但與減水劑不相適應(yīng)等缺點(diǎn)。

（4）膨脹劑的使用需要設(shè)計(jì)和施工的密切配合，這在一定程度上決定了補(bǔ)償收縮混凝土的質(zhì)量。

2 噴射混凝土發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 噴射混凝土的發(fā)展

噴射混凝土是指借助噴射機(jī)械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的水泥、砂、石等拌合料，通過管道以高速噴射到受噴面（巖石、土層、建筑結(jié)構(gòu)物或模板）上凝結(jié)硬化而成的一種混凝土[5]。

噴射混凝土是由噴射水泥砂漿發(fā)展起來的。1914年美國在礦山和土木建筑中首先使用了噴射水泥砂漿[6]。經(jīng)過近100年的發(fā)展，世界各國已成功將噴射混凝土應(yīng)用于礦山井巷與地下工程的支護(hù)襯砌、巖土邊坡與基坑工程的穩(wěn)定、建筑結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)加固、耐火結(jié)構(gòu)等工程領(lǐng)域。近年來，國內(nèi)外噴射混凝土新技術(shù)主要表現(xiàn)在以下幾個方面[7][8]：

（1）噴射混凝土技術(shù)發(fā)展迅速。

噴射技術(shù)在過去干噴法和濕噴法的基礎(chǔ)上，通過不斷的工程實(shí)驗(yàn)研究。不斷完善和發(fā)展了新的噴射混凝土施工技術(shù)，如纖維噴射混凝土法、水泥裹砂法、雙裹并列法、潮摻漿法等。目前，在國內(nèi)外地下工程施工中，主要采用泵送型濕拌噴射混凝土機(jī)，管道內(nèi)充滿混凝土，為稠密流輸送，生產(chǎn)能力高，用機(jī)械手操作，噴射量大，回彈量及粉塵濃度低。

（2）外加劑和外摻料的開發(fā)利用，顯著改善了噴射混凝土的性能。

在噴射混凝土中應(yīng)用外加劑，具有投資少、見效快、技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著的特點(diǎn)。為了滿足工程的特殊要求和適應(yīng)機(jī)械化操作，用于噴射混凝土的外加劑在不斷的發(fā)展更新，目前已存在如速凝劑、早強(qiáng)劑、增粘劑、粘稠劑、降塵劑、增強(qiáng)劑、減水劑等多種外加劑。美國研制的新型非堿性速凝劑能達(dá)到噴射混凝土后期強(qiáng)度損失小的效果，而且還能大大減少回彈。在噴射混凝土中常用粉煤灰和硅粉兩種摻合料。加入粉煤灰，可以增大噴射混凝土的流動性、減少泌水、改善和易性、改善密實(shí)性從而使混凝土的耐久性得到提高，同時還可降低水化熱、抑制堿-骨料反應(yīng)。摻入硅粉，可以改善噴射混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和黏結(jié)性能、減少回彈，提高混凝土強(qiáng)度、增加一次噴層厚度以及提高噴射混凝土抗腐蝕性能。

（3）噴射纖維混凝土效果顯著。

在混合料中摻入纖維，能顯著改善噴射混凝土的性能，因而近年來發(fā)展迅速，應(yīng)用量也在不斷增加。工程中使用較多的是剛纖維和聚丙烯纖維。

噴射鋼纖維混凝土是指通過管道輸送裝置在高壓作用下將摻入鋼纖維的混凝土拌合物高速噴射到施工作業(yè)面的一項(xiàng)技術(shù)。早在70年代瑞典采用Ekebro纖維噴射混凝土技術(shù)應(yīng)用于巖石穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)加固工程，并用噴射鋼纖維混凝土加固被礦石沖擊損壞的溜井；日本在隧道中使用鋼纖維混凝土支護(hù)和修補(bǔ)不良地層和圍巖；安徽理工大學(xué)周仁站[9]進(jìn)行了噴射鋼纖維混凝土的力學(xué)性能研究，試驗(yàn)表明，同普通混凝土相比，當(dāng)摻入體積率為1.5%（約120kg/m3）的波紋型鋼纖維時，混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性指數(shù)分別提高了66%、63%、78%，破壞時有裂而不斷的特征?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，噴射鋼纖維混凝土支護(hù)，使用壽命比其他支護(hù)方式更長，節(jié)省了巷道維修所需要的時間和費(fèi)用。

此外，摻加聚丙烯纖維或聚丙烯腈等合成纖維的噴射混凝土在世界各國也得了較快的發(fā)展。合成纖維由于單根直徑很小，能夠提高混凝土材料的黏結(jié)性，在噴射混凝土中加入聚丙烯纖維，能夠大量降低噴射混凝土的回彈率，節(jié)約成本。

2.2 噴射混凝土的缺點(diǎn)

（1）噴射混凝土水泥用量大，一般摻加速凝劑。因此其收縮比普通混凝土大，硬化過程中容易開裂。

（2）噴射混凝土的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件低。這是因?yàn)閲娚浠炷林幸话愣紦接兴倌齽炷聊Y(jié)快造成水化產(chǎn)物比較粗大，以至于混凝土的強(qiáng)度有所降低。

（3）速凝劑是使水泥混凝土快速凝結(jié)硬化的外加劑，只是起到速凝、快硬、早強(qiáng)的效果，往往存在與水泥、減水劑以及其他外加劑的相容性差，有時候甚至發(fā)生性能不能匹配的現(xiàn)象，達(dá)不到應(yīng)有的效果。

（4）鋼纖維從基體中拔出破壞表明鋼纖維和基體間的黏結(jié)強(qiáng)度偏低，而鋼纖維自身的高強(qiáng)度并未充分發(fā)揮，使得普通鋼纖維混凝土仍具有一定的脆性，所以改善鋼纖維與基體界面的黏結(jié)強(qiáng)度是非常必要的

3 隧道補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土發(fā)展及其材料特性

3.1 補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土發(fā)展

鋼纖維和膨脹劑都是在抗?jié)B防裂工程中使用較多的建筑材料，將兩者復(fù)合使用能否起到協(xié)同增強(qiáng)的作用？它們之間的作用機(jī)理如何？許多學(xué)者對此做了大量的研究。

李國新[10]等對膨脹劑與鋼纖維協(xié)同增強(qiáng)輕骨料混凝土進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明：摻入膨脹劑后，混凝土基體會產(chǎn)生一定量的膨脹，而帶模養(yǎng)護(hù)和鋼纖維的摻入約束了這種膨脹，致使混凝土更加密實(shí)，使水泥石與粗骨料界面、鋼纖維與基體界面的強(qiáng)度都可能得到增強(qiáng)，因此表現(xiàn)出明顯的協(xié)同增強(qiáng)效果。

文獻(xiàn)[11]表明，由于鋼纖維和膨脹劑的復(fù)合效應(yīng)，鋼纖維限制了膨脹和收縮，微膨脹又補(bǔ)償了收縮，因而微膨脹效應(yīng)增進(jìn)了混凝土的致密性，最終改善了孔結(jié)構(gòu)，使大孔變小，連通孔封閉，均使抗?jié)B性提高。

羅成立等[12]選取普通鋼筋混凝土、單摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土、單摻鋼纖維混凝土和膨脹劑與鋼纖維雙摻的補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土等4種類型進(jìn)行對比試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，雙摻法補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土較之普通鋼筋混凝土、單摻膨脹劑補(bǔ)償收縮混凝土、單摻鋼纖維混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗?jié)B、抗收縮能力有了顯著的提高，達(dá)到了1+1＞2的效果，并證實(shí)這是一種適用于地下防護(hù)工程結(jié)構(gòu)自防水的高性能混凝土。

3.2 隧道補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土材料特性

根據(jù)上述分析發(fā)現(xiàn)隧道噴射普通混凝土的缺點(diǎn)提出補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土這種新型隧道支護(hù)材料。隧道補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土是在噴射混凝土中添加鋼纖維和膨脹劑配制而成，這種新型支護(hù)材料不僅能夠提高混凝土的抗?jié)B抗裂等級，同時提高混凝土的力學(xué)特性。

（1）將混凝土膨脹劑和鋼纖維同時加入噴射混凝土中，充分利用開裂前膨脹劑的抗裂防滲作用和開裂后期鋼纖維的阻裂增強(qiáng)作用，體現(xiàn)了“層次抗裂、階段抗裂”的新概念。

（2）鋼纖維在混凝土中三維亂向分布，能夠給混凝土提供均勻的內(nèi)部約束，更好地發(fā)揮膨脹劑的性能；膨脹劑的反應(yīng)物能夠填充鋼纖維周圍的孔隙，增加了鋼纖維與混凝土的黏結(jié)力，有利于改善結(jié)構(gòu)的性能。鋼纖維和膨脹劑的復(fù)合使用，能夠相互取長補(bǔ)短，更好地發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

（3）將混凝土膨脹劑和鋼纖維同時加入噴射混凝土中，可以通過兩種材料的相互補(bǔ)充，達(dá)到與預(yù)應(yīng)力鋼筋對普通混凝土增強(qiáng)增韌效果相同的作用，而不需要外在機(jī)械手段，可以明顯減少工作量、降低成本、縮短工期。

3.3 存在問題

鋼纖維摻入后對噴射混凝土施工工藝有一定的要求，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況可知，主要存在以下幾點(diǎn)問題：

（1）鋼纖維摻入對現(xiàn)場攪拌要求較高，工人勞動量增大；

（2）鋼纖維體積摻量控制嚴(yán)格，鋼纖維過多容易造成噴射管堵管，過少達(dá)不到設(shè)計(jì)支護(hù)效果，且噴射時工人必須采用安全防護(hù)措施，防止鋼纖維傷人；

（3）補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土中膨脹劑對養(yǎng)護(hù)條件較高，前期要在濕養(yǎng)環(huán)境下才能達(dá)到預(yù)期效果，增加澆水工作量。

4 結(jié)語

噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土在隧道工程中的應(yīng)用是一種新技術(shù)的實(shí)施和新材料的應(yīng)用，可以在提高混凝土強(qiáng)度、加快施工進(jìn)度和降低成本的前提下達(dá)到抗?jié)B防裂的效果，國內(nèi)外目前研究較少，且不夠深入和系統(tǒng)。因此，深入開展噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土技術(shù)的研究，對提高隧道支護(hù)安全系數(shù)以及更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐有著重要的意義，但是該種新型支護(hù)材料的施工工藝、施工方案等有待于進(jìn)一步優(yōu)化。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.052

張峰，男，講師，主要從事巖土工程方面科研與教學(xué)工作。