喷射混凝土的室内检测方法及性能试验研究.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 2年 3月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o fY a n g t z eRi v e r S c i e n t i fi cR e s e a r c hI n s t i t u t e V 0 1 2 9 No 3 Ma T 2 0 1 2 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 90 3 喷射混凝土的室内检测方法及性能试验研究 汪在芹 ， 石妍 ， 李家正 ， 闰小虎 ( 长江科学院 水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心， 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 采用自行设计的室内湿喷混凝土性能检测方法， 开展喷射混凝土的力学、 抗裂及施工性能试验研究。试验结 果表明： 复掺复合外加剂与粗纤维可提高喷射混凝土的抗压强度、 弯曲韧性和抗裂性能； 单掺复合3 b n 剂和复掺外 加剂与粗纤维的喷射混凝土， 与围岩的轴拉粘结强度均在1 0 MP a 以上， 且复掺的强度较高； 2组配合比的喷射混凝 土回弹率分别为 2 3 和2 0 ， 一次喷层厚度为2 2 c m和 2 5 c m， 复掺可增加混凝土的黏聚性， 降低回弹率。由于场 地及喷射仪器的限制 ， 室内模拟试验的混凝土回弹率较现场高。 关键词： 喷射混凝土； 合成粗纤维； 力学性能 ； 与围岩粘结强度； 回弹率 中图分类号： T U 5 2 8 文献标志码： A 近年来 ， 喷射混凝土技术以它简便的工艺 、 独特 的效应、 经济 的造价 ， 广泛应用于矿山井巷、 水利水 电、 铁路隧道等工程建设中。喷射混凝土是借助喷射 机械 ， 利用压缩空气或其他动力 ， 将按一定 比例配合 的拌合料 ， 通过管道输送并以高速喷射到受喷面上凝 结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土的性能一直 备受关注， 因其关系到工程质量、 施工效率及工程造 价等。新型材料的应用 ， 可以改善 喷射混凝土 的性 能 ， 促进喷射混凝土的技术发展， 其研究和应用成为 焦点。本文采用 自设计的室 内湿喷混凝土性能检测 方法 ， 开展复合Y l- n 剂及合成粗纤维喷射混凝土的性 能试验研究 ， 包括力学性能 、 抗裂性 、 与 围岩粘结强 度、 回弹率及一次喷层厚度 ， 试验方法及测试结果可 为喷射混凝土的室内研究及检测提供技术参考。 1 原 材料及配合 比 结果见表 1 ； 细骨料 ： 大理岩人工砂 ， 细度模数2 3； 粗骨料 ： 51 0 mm的人工米石； 复合外加剂 ： 主要 由 纳米 S i O 和减水剂组成 ， 体积平均粒径 D 4 ， 3 为 1 5 0 a m， 减水 率3 0 7 ； 速凝剂 ： 初凝时间 5 mi n ， 终 凝时间 9 rai n ； 增韧型聚丙烯合成粗纤维 ( 简称粗纤 维) ： 当量直径 1 4 6 m， 公称长度3 6 8 6 m m。 通过前期试验研究优选出的喷射混凝土配合 比 及拌和物性能见表 2 。可见 ， 掺人复合外加剂 的两 组混凝土含气量均稍高。 2 试验方 法 采用室内湿法喷射混凝土 ， 喷射方法参照 G B T 5 0 0 8 6 -2 0 0 1相关规定 ， 喷射方 向与受 喷面垂直 ， 喷射距离控制在0 8 m左右。在喷射过程 中， 液态 速凝剂 由喷枪出口处的导管定量泵送。喷射顺序为 从左至右 、 自下而上。 水泥 ： 乃托4 2 5 普通硅酸盐水泥 ， 物理性能检测 关于室内喷射混凝土的性能检测方法 ， 我国还 表 1 水泥物理性能检测结果 T a b l e 1 P h y s i c a l p r o p e r t i e s o f c e m e n t 序 号 J 1 J 2 ! 望 2 ! ! 墨 望 2 0 4 8 6 0 1 9 6 8 1 0 0 4 8 6 0 1 9 8 8 1 0 5 拌和物性 能 廑 竺 盒 量 1 8 O 6 0 1 6 o 5 9 收稿 日期： 2 0 1 1 0 4 0 8 基金项 目： 水利部公益性 行业科研 专项 资金项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ； 中央级公益性科研院所基本科研业务费( C K S F 2 0 1 1 0 1 8 C L ) ， 作 者简 介： 汪在芹( 1 9 6 1一) ， 男 ， 湖北 沔阳人 ， 教授 级高级工 程师 ， 博 士 ， 主要从 事水工材 料的开发 与研究 ， ( 电话 ) 0 2 7 8 2 8 2 9 7 3 0 ( 电子信 箱 ) w a n g z q m a i l c r s r i c n 。 长江科学院院报 2 0 1 2年 没有制定专门的标准 ， 本检测方法为 自行设计 。采 用喷大板切割的方法检测喷射混凝土的力学性能。 成型 的 大板 钢 模 尺 寸 为 1 0 0 0 m m x 5 0 0 mm x 1 0 0 1T i m， 切割 的抗 压试 件 为 1 0 0 m i D _ X 1 0 0 m m x 1 0 0 a i m， 抗弯试件为 4 0 0 fi l m x 1 0 0 mm x 1 0 0 m m， 力 学性能测试依据 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规 程 的规定。 采用平板法 i 贝 0 试 喷射混 凝 土 的抗 裂性 ， 参 照 C C E S 0 1 _ 一 2 0 0 5 昆 凝 土结 构耐久性设计 与施工指 南的规 定 ， 试 验 装 置 的试 模 尺 寸 为 6 0 0 mm x 6 0 0 m m x 6 3 fi lm， 由放置在周边的L形钢筋网提供 约束， 试模内部底面上铺一层塑料薄膜以减少对 昆 凝土的约束。试件喷射完成后， 抹平， 立即置人温度 2 5 4 - 2 C， 相对湿度 6 0 4 - 5 的环境 中， 用风扇 吹混凝土表面， 记录试件开裂情况。 喷射 昆凝土与 围岩轴拉粘结强度 的设计方法 是 ： 将现场取样 的岩石加工成 1 0 0 I n m x 1 0 0 l l l m x 5 0 mm的尺寸 ， 垂直横置在混凝土翼型轴拉试模的 正中间， 试模规格见 S L 3 5 2 -2 0 0 6 。喷射过程 中保 持石块固定， 待混凝土完全充满并覆盖试模， 停止喷 射 ， 立即平模 、 编号 ， 在养护室中养护至 2 4 h拆模 ， 按照 S L 3 5 2 -2 0 0 6的方法进行观测 。 喷射混凝土的回弹率的设计方法是 ： 首先模拟现 场围岩拱 顶 ， 搭 建高 约2 5 m的脚手架 ， 顶 部铺 设 1 m x 1 r I l 的钢筋 网， 钢筋网与地面呈 4 5 。 ， 且上方布 满 8 0 1 5 0 m n l 的大石。脚手架下方的地面上铺设防 水布， 以收集喷射过程中自 拱顶跌落的混凝土。持续 向拱顶喷射， 并观察混凝土与拱顶的粘结与跌落情 况 ， 当跌落的混凝土比例开始明显增多时 ， 停止喷射 ， 测量喷层厚度并计算 回弹率， 取 2次试验的平均值。 3 试 验结果与分析 3 1 力学性能 单掺复合外加剂的喷射混凝土 、 复掺复合外加 剂和粗纤维 的喷射混凝土力学性能试验结果 见表 3 ， 喷射混凝土的变形 一荷载曲线见图 1 。 试验结果表 明： 复掺复合外加剂与粗纤维 ， 可提 高 喷射混凝土的抗压强度 ； 复掺对喷射混凝土的抗 变形 mm 图 1 喷射混凝土的变形 一荷载 曲线 Fi g 1 Cu r v e o f d e f o r m a t i o n V S 1 o a d o f s h o t c r e t e 弯强度及初裂强度没有提高效果， 但可显著增加弯曲 韧度指数和等效抗弯强度。单掺复合外加剂的喷射 混凝土开裂即破坏， 初裂缝也就是贯穿裂缝 ， 荷载 一 变形曲线的下降段 比较陡， 下降很快 ； 而复合外加剂 与粗纤维复掺的喷射混凝土初裂后仍能承受冲击力， 荷载 一变形曲线的下降段变缓 ， 弯曲韧性较好。 复合外加剂主要由纳米硅粉组成 ， 随着颗粒的细 化， 其表面电子结构和晶体结构发生变化， 产生了宏 观物质材料所不具有的小尺寸效应 、 表面效应、 量子 效应和宏观量子隧道效应。而粗纤维兼顾钢纤维 和合成纤维的特点 ， 耐腐蚀 、 易分散、 易施工， 且表面 经特殊处理， 与混凝土粘结性强。因此， 复合外加剂 可细化喷射混凝土 的孔隙结构 ， 减少大孔 比例 ， 增加 小孔含量 ， 而合成粗纤维与混凝土之间有 良好的握裹 力 ， 对喷射混凝土基体裂缝有桥接能力， 两者复掺可 提高 昆 凝土的力学性能和弯曲韧性。同时， 喷射混凝 土的性能还受施工工艺和机械设备等因素影响。 3 2抗裂性能 喷射混凝土抗裂性能测试结果见表 4 。试 验结 果表明： 单掺复合外加剂 的喷射混凝土 的开裂 时间 早 ， 平均开裂面积大 ， 单位面积 的裂缝数 目大 ， 单位 面积的开裂面积大 ， 最大裂缝宽度大， 平板抗裂性等 级评价为级 ； 复掺复合外加剂和粗纤维 的喷射混 凝土 ， 平板抗裂性等级评价为 级 ， 复掺对喷射混凝 土的抗裂性有利。 3 3 与围岩轴拉粘结强度 喷射混凝土施工性能的试验结果见表 5 。试验 结果 表明 ： 2组配合 比拌 和物性能相 当的情况 下 ， 喷射混凝土与 围岩2 8 d 龄期轴拉粘结强度均在 表 3粗纤维喷射混凝土的力学性 能试验结果 ( 2 8 d ) T a b l e 3 T e s t r e s u l t s o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c r u d e fi b e r s h o t c r e t e ( 2 8 d) 3 2 l 0 9 8 7 6 5 4 3 2 l 为【， 耀销 第3期 汪在芹 等 喷射混凝土的室内检测方法及性能试验研究 6 1 表5 喷射混凝土施工性能试验结果 Ta b l e 5 Te s t r e s u l t s o f c o n s t r u c t i o n p e r f o r ma n c e s o f s h o t c r e t e 外加剂 粗纤维 霆 l 9 喷 射 拱 顶 试 验 c墨 J 1 1 0 1 3 8 1 6 0 2 3 2 2 J 2 1 0 8 1 8 6 2 01 2 0 2 5 1 0 M P a 以上， 达到 I 类岩石的技术要求 j ， 且复合 外加剂与粗纤维复掺后， 粘结强度值有所提高。 G B T 5 0 0 8 6 -2 0 0 1 锚杆喷射混凝土支护技 术 规范 与 D L T 5 1 8 1 -2 0 0 3 ( ( 水 电水利工程喷锚支护 施工规范， 都 在附录 中列 出了 3种喷射混凝土 与 围岩粘结强度检测方法 ， 即预 留试件拉拔法 、 现场钻 芯拉拔法、 喷大板室内劈拉法。 相比而言， 预留试件拉拔法有操作麻烦、 挖环形 槽难度大 、 埋拉杆难 以保证不偏心等问题 L 3 J 。现场 钻芯拉拔法的芯样损 伤大、 安装拉力架与膨胀螺栓 存在偏心 ， 且取芯成功率低 ， 得到的轴拉粘结强度偏 低。而喷大板室内劈拉法容易操作， 只要保证岩石 喷射面表面平整 、 加工厚度均匀 ， 但喷射混凝土与岩 石结合面不可能做到在劈拉试验时完全在同一垂直 面上 ， 多少存在剪切现象 ， 因此 ， 得到 的劈拉粘结强 度偏高 J 。本试验设计 的喷射混凝 土与 围岩轴 拉 粘结强度测试方法 ， 操作简单 、 成功率高 、 测试值可 信， 适合于室内湿喷混凝土的试验条件。 3 4 回弹率与一次喷层厚度 喷射拱顶的试验结果在表 5中， 落到地面混凝土 重量 占总喷射混凝土重量 的比例就是喷射混凝土 回 弹率 。试验结果表明： 2组配合 比的喷射混凝土回弹 率分别为 2 3 和 2 0 ， 一次喷层厚度分别 为 2 2 c m 和 2 5 c m； 回弹率和一次喷层厚度是2个对立指标 ， 前 者大则后者小 ， 前者小则后者大 ； 复合外加剂 与粗纤 维复掺的混凝土 回弹率低， 一次喷层厚度大； 喷射过 程 中混凝 土泵送顺畅无 堵管及流浆现象 ， 喷射效果 好， 表明混凝土配合比设计合理， 拌和物性能良好。 关于喷射混凝 土回弹率与一次喷层厚度的室 内 模拟试验 ， 国内外尚无相关的技术规范。本试验方法 模拟现场作业环境， 施工方便快速， 喷射质量高。通 过混凝土回弹率 、 一次喷层厚度及混凝土均匀性等指 标 ， 可综合 比较不 同配合 比的喷射混凝 土的施工性 能。但有资料显示 J ， 现场作业的湿法喷射混凝土回 弹率约2 0 ， 掺入复合外加剂后， 综合回弹率降低至 1 0 以下 ， 一次喷射厚度可达到 3 0 c m。因此 ， 室内试 验的模拟喷射试验 ， 混凝土的回弹率普遍较现场高 ， 这是由于室内场地及试验机械设备 的限制所致。 在试验条件一定 的情况下 ， 喷射混凝土的回弹 率与混凝土 自身 的黏聚性有关 。黏聚性是运动流体 的一种宏观属性， 指液体受外力作用移动时， 分子间 产生的内摩擦力的量度。按 照牛顿黏性定律分析 ， 新拌混凝土的黏聚性越好 ， 则黏性系数越高 ， 内摩擦 力越大 ， 喷射至拱顶后 ， 在其 自身黏聚力和速凝剂的 共同作用下 ， 能够抵抗重力作用而不跌落 ， 则回弹率 就越低 ， 喷层越厚 ， 喷射效果越好。复合外加剂和粗 纤维复掺 ， 可 以增加混凝土的黏聚性和内聚力 ， 所 以 配合 比 J 2的回弹率较低 。 4 结 论 采用 自设计的室内湿喷混凝土性能检测方法 ， 开展喷射混凝土的力学 、 抗裂及施工性能的试验研 究 。试验结果表明： ( 1 )拌和物性能相 当时 ， 复掺复合外加剂与粗 纤维可显著提高喷射混凝土的抗压 强度 、 弯 曲韧性 和抗裂性能。 ( 2 )单掺复合外加剂和复掺复合外加剂与粗纤 维 的 喷 射 混 凝 土， 与 围 岩 轴 拉 粘 结 强 度 均 在 1 0 MP a 以上 ， 且复掺的强度较高。 ( 3 ) 2组配合比的喷射混凝土回弹率分别为 2 3 和 2 0 ， 一次喷层厚度分别为 2 2 c m和 2 5 c m， 复合外加剂和粗纤维复掺 ， 可增加混凝 土的黏聚性 和 内聚力 ， 降低 回弹率。 参考文献 ： 1 王景贤， 王立久 纳米材料在混凝土中的应用研究进 展 J 混凝土， 2 0 0 4 ， ( 1 1 ) ： 1 8 2 1 ( WA N G J i n g x i a n ， WANG L i - j i u Ad v a n c e s i n t h e Ap p l i e d Re s e a r c h o f N a n o ma t e r i a l i n C o n c r e t e J C o n c r e t e ，2 0 0 4， ( 1 1 ) ： 1 82 1 ( i n C h i n e s e ) ) 2 G B 5 0 0 8 6 -2 0 0 1 ， 锚杆喷射混凝土支护技术规范 S ( G B 5 0 0 8 62 0 0 1 ，S p e c i fi c a t i o n f o r B o l t - S h o t c r e t e S u p - p o r t S ( i n C h i n e s e ) ) ( 下转第 7 1页) 第3期 陕 亮 等 丹江口大坝加高新老混凝土结合面工程措施数值分析 7 l Nume r i c a l An a l a nd Ha r d e n e d e a s u r e s f o r Bo n d i n g I n t e r f a c e Be t we e n Fr e s h i n He i g h t e n i n g P r o j e c t o f Da n j i a n g k o u Da m SHAN Li a n g -XU Yu e z h i ( 1 Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e ri n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n t h e h e i g h t e n i n g c o n s t r u c t i o n o f N o 2 d a m s e c t i o n o f D a n j i a n g k o u d a m， w e a n a l y z e t h e e f f e c t o f ke y g r o o v e s a n d a n c ho r b a r s o n t h e b o n d i n g i n t e r f a c e be t we e n f r e s h a nd h a r d e n e d c o n c r e t e t h r o u g h 3 D n o n l i n e a r 6- n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n T h e r e s u l t s s h o w t h a t s e t t i n g k e y gro o v e s o n t h e s u rf a c e b e t we e n f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e c a n t r a n s f e r f o r c e e f f e c t i v e l y a n d f a c i l i t a t e t h e c o o r d i n a t i o n o f d a m d e f o r ma t i o n An c h o r b a r c a n f u r t h e r s t r e n gth e n t h e l i n k s b e t w e e n f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e Du e t o a n n u a l v a ria t i o n o f a t mo s p h e ric t e mp e r a - t u r e a n d wa t e r t e mp e r a t ur e，t i g h t e r l i nk s b e t we e n f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e a r e d i s a d V a n t a g e o u s t o t h e t e ns i l e s t r e s s a t u p s t r e a m d a m h e e 1 Ke y wo r d s ： 3 D F EM；i n t e rf a c e b e t we e n f r e s h a n d h a r d e n e d c o n c r e t e ；k e y g r o o v e s 客 聋 客 套 客 套 客 叠 客 盎 盎 套 盒 套 套 盘 套 盎 客 客 盒 盍 客 客 套 客 客 套 盎 客 套 客 盎 客 盎 盒 盒 采 穴 客 客 客 棠 盎 盎 客 客 客 l 上接 第 6 1 页 ) 黄国兴， 刘燕波， 柳华英 ， 等 对预留试件拉拔法检测 粘结强度 的改进建 议 J 水力 发 电 ， 2 0 0 8 ， ( 2 ) ： 7 8 8 O ( HUANG Gu o x i n g ，L I U Ya h b o 。L I U Hu a y i n g，e t a 1 I mp r o v i n g S u g g e s t i o n f o r B e f o r e h a n d S a v i n g S a mp l e P u l l o u t Me t h o d C h e c k Me a s u r e m e n t B o n d S t r e n g t h J Wa t e r P o w e r ， 2 0 0 8 ， ( 2 ) ： 7 8 8 0 ( i n C h i n e s e ) ) 黄国兴， 陈文耀， 尹俊宏 喷射混凝土与围岩粘结强度 合理指标的探讨 J 水力发电， 2 0 0 7 ， 3 ( 2 ) ： 7 88 0 ( HU A N G G u o - x i n g ，C HE N We n y a o ，Y I N J u n h o n g Di s c us s i o n s o n t h e Ra t i o na l I n de x o f Bo n d S t r e ng t h o f S t u d y o n I n d o o r Te s t M e t h o d s S h o t c r e t e a n d A d j o i n i n g R o c k J Wa t e r P o w e r ， 2 0 0 7 ， 3 ( 2 ) ： 7 88 0 ( i n C h i n e s e ) ) 5 陈 东 纳米混凝土在不 良地质隧洞支护中的应用 J 人 民长江， 2 0 0 9 ， 4( 1 0 ) ： 3 23 3 ( C H E N D o n g Ap pl i c a t i o n o f Na n o - c o n c r e t e i n Su p po r t for Po o r Ge o l o g - i e a l T u n n e l J Y a n g t z e R i v e r ， 2 0 0 9 ， 4( 1 0 ) ： 3 23 3 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 姜小兰 ) a n d Pe r f o lr ma n c e o f S h o t c r e t e WAN G Z a i q i n，S HI Y a n，L I J i a z h e n g ，Y AN Xi a o h u ( R e s e a r c h C e n t e r o n Wa t e r E n g i n e e ri n g S a f e t y a n d D i s a s t e r P r e v e n t i o n o f MWR， Y a n gt z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ： B y u s i n g s e l f - d e s i g n e d i n d o o r t e s t me t h o d，t h e p e rfo r ma n c e o f s h o t c r e t e we r e s t u d i e d b y b l e n d i n g n a n o 。 a d d i t i v e a n d c rud e fi b e r T h e r e s u l t s s h o we d t h a t i n o r g a n i c n a n o a d d i t i v e a n d c r u d e fi b e r c o u l d i mp r o v e t h e c o n p r e s s i v e s t r e n gt h ， fl e x u r al t o u g h n e s s a n d c r a c k r e s i s t a n c e o f s h o t c r e t e A x i a l b o n d s t r e n g t h o f s h o t c r e t e w i t h a a j a c e n t r o c k wa s l a r g e r t ha n 1 0MP a e i t h e r b y d o p i n g n a n o a d d i t i v e o n l y o r bo t h n a n o a d d i t i v e a n d c r ud e fib e r Th e r e s i l i e n c e r a t e s o f s h o t c r e t e wi t h t wo mi x p r o p o r t i o ns we r e 2 3 a n d 2 0 ，a n d t h e s ho t c r e t i n g t h i c kn e s s we r e 2 2c m a n d 2 5 c mDo p i n g b o t h n a n o a d d i t i v e a n d c rud e fi b e r c a n i n c r e a s e t h e c o h e s i v e n e s s a n d l o w e r t h e r e s i l i e n c e r a t e o f s h o t c r e t e T he s e l f - d e s i g n e d me t h o d s c a n a l s o b e u s e d t o c o mpa r e t h e c o ns t r u c t i o n p e r f o rm a n c e o f d i f f e r e n t s h o t c r e t eHo we v e r ，d u e t o l i mi t a t i o ns o f s p a c e a n d t e s t e q u i p me n t ，t h e r e s i l i e nc e r a t e i n i n d o o r t e s t we r e h i g he r t h a n t h a t i n s i t e t e s t T h e a b o v e t e s t me t h o d s a n d r e s u l t s p r o v i d e d r e f e r e n c e f o r i n d o o r s t u d y o f s h o t c r e t e a n d t h e d e v e l o p me n t o f t e c h n i c a l s t a n da r d s Ke y w o r d s ： s h o t c r e t e ：c rud e s y n t h e s i s fi b e r ；m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ；b o n d s t r e n g t h w i t h a d j a c e n t r o c k ； r e s i l i e n c e l - 爿t P 1