（道路与铁道工程专业论文）聚丙烯纤维网湿喷混凝土衬砌试验与计算研究.pdf

摘要 箍装 程我圈锻路矿山法修建的隧道中 目前大多采用整体式和复含式的横筑混 凝 孛亨蜜 豳予它翻躲葑弼藏蠢鞍辫 逢埝较高 簿螽空敬较太 支妒与枣重弱 分阶段簏工 造成施工工蕊复杂 随着新材料 新的施工工艺的不断出碱 喷 毯嚣巍鹭瘦裂蓬霉跫太大扩震 赞爨跫瑰代漫续掰工艺 涎凝 终维錾拱凝豹 出黼 已大大改善了传统予喷混凝士的性质 更裔条件扩大喷射混凝土作为隧 道枣孪镄麴寝蕊范爨 获挥唆瓣混凝 施工块捷方嫒 溉 蕈为隧道支妒又撵为时 碗 又达弼降低工程造价的舀酶 诺灌凝 纤维新牵乎料中 聚丙烯纤维醵蕊卓 越懿蛙巍价格避 率塞豹缀料寒瓣 缛到了广泛鲍应用 在普通溅凝 中 掺 入 定含爨髂聚雨烯鲜维爝 对混凝 酌麓径裂缝的控镪 韧髓 抗i 率击缝能 囊镘太数改搭 擘嗣 对混凝主豹抗瓣 劈裂撬拉 抗璩 摭渗 疲劳性能也有 显装翡撵赢 j 本文通过室内试验 裂燧地研究了聚聪烯纤绒阚喷射混凝 的力学性能 攀纛了聚强烯纾鲑鼹掺羹与漉凝土力擎茬髓之蓠静芙系 缝台宝兰二线衮蘑毒 沟铁溉隧道工程 赋功地进行了聚闲爝纾缝卿湿式喷射混凝 衬砌的现场试验 形戏并宠蓑了聚焉爝绎维潮懑式骥辩德蘩土瓣蕤工方法纛互艺 长薅系蔬雉琥 场啦控表明 纤维网漫式喷射混凝土树砌殿 隧道圈岩压力分布均匀 漏凝土 蠹力袋枣 寒窭褒佼祷覆簸主嚣裂臻谈掼 游室稳定 对聚蠢薅野维蘑瀑式囔 射讽凝土衬砌进行了可靠发分析 涨巨寺沟隧道i i l 缎围岩殿聚丙烯纤维网泓喷 湿凝主薅磷凝蚕熬弼露蠢豁穴子臻藩裳定熬簿暴霹嚣据舔 说臻淤验囊竣诗戆 聚耐烯纤维 鞫混凝土衬砌悬安全的 满足规范要求 努方黎聚嚣烯缉壤霹瀑或凑鼓海凝 佟淹疆遴瓣寮懿藏蘑 懿雳哥嚣菠势 祈并提出了l 1 i i i i 级围糟条件下聚丙烯奸维网溉喷混凝土衬砌的合理参数 关键谰 聚附烯纤维阚 潍喷混凝士 餐 衬砌x 室内试 现场试验p 可靠腱分孝开 艽天 i 垒竺兰 a b s t r a c t i n t e g r a ll i n i n g a n dc o m p o s i t el i n i n ga r em o s t l ya d o p t e di nr a i l w a yt u n n e l c o n s t r u c t e db ym i n et u n n e l i n gm e t h o da tp r e s e n ti no u rc o u n t r y b u tt h et h i c k n e s so f l i n i n gs e c t i o na n d t h es p a c i n gb e t w e e n l i n i n ga n ds u r r o u n d i n g r o c ki su s u a l l yb i g t h e c o s ti s h i g h s u p p o r t a n d l i n i n g c o n s t r u c t e d s e p a r a t e l y w h i c hl e a dt o c o m p l e x c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h ee m e r g e n c eo fn e wm a t e r i a la n dn e wc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y e s p e c i a l l yn e ww e ts h o t c r e t i n gc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dn e wf i b e r s f o rc o n c r e t ei su s e di nt u n n e ll i n i n gc o n s t r u c t i o n s h o t c r e t eb o l tl i n i n gh a se x p a n d e d g r e a t l y w h i c hi m p r o v e t h e p r o p e r t y o fc o n c r e t ec o n s t r u c t e d b yt r a d i t i o n a ld r y s h o t c r e t em e t h o da n de x p a n dt h e a p p l i c a t i o nr a n g eo fs h o t c r e t e i nt u n n e l l i n i n g s h o t c r e t ei sr a p i da n dc o n v e n i e n t i ta c t sa sn o to n l ys u p p o r tb u ta l s ol i n i n g a tt h e s a m et i m e i tc a nr e d u c et h ec o s to fp r o j e c t i na l ln e wf i b e r sf o r c o n c r e t e p o l y p r o p y l e n ef i b e r si sa p p l i e dw i d e l y b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c ep r i c er a t e a n da b u n d a n tm a t e r i a lr e s o u r c e i n c o n c r e t e p l a s t i c i t y c r a c kc a nb e c o n t r o l l e d t o u g h n e s s a n t i s t r i k e f l e x u r a ls t r e n g t h s p l i t t e n s i l e s t r e n g t h a n t i f r e e z e a n t i p e r m e a b i l i t y f a t i g u es t r e n g t h o fc o n c r e t ec a r lb e i m p r o v e dg r e a t l y a f t e r p r o p o r t i o n a lp o l y p r o p y l e n ef i b e ri sm i x e d i n t oc o n c r e t e i nt h i s p a p e r m e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fp o l y p r o p y l e n ef i b e rn e ts h o t c r e t ei s r e s e a r c h e ds y s t e m i c a l l yb yi n d o o re x p e r i m e n ta n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r c e n t a g e o fp o l y p r o p y l e n ef i b e rn e ta n dm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ea r co b t a i n e d c o m b i n e dw i t hd o n g j u s i g o ur a i l w a yt u n n e li nb a o l a ns e c o n dr a i l w a yl i n e w e t s h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e rn e tl i n i n gh a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l ya tf i e l d e x p e r i m e n ta n dc o n s t r u c t i o nm e t h o da n dt e c h n i q u eo f w e ts h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n e f i b e rn e ta r ef o r m e da n dp e r f e c t e d i th a sb e e ni n d i c a t e db y s y s t e m i cl o n g t e r mc h e c k a n dm e a s u r et h a tt h ep r e s s u r eo f s u r r o u n d i n gr o c ki se v e n t h es t r e s so f c o n c r e t ei s m i n o r n oc r a c ki sf o u n da n dt h et u n n e li ss t a b l ei nw e ts h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n e f i b e rn e tl i n i n gp a r t w e ts h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e rn e tl i n i n gi s a n a l y z e dw i t h r e l i a b i l i t yt h e o r y t h es e c t i o nr e l i a b i l i t yi n d e xo f w e ts h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e r a b s t r a c t n e tl i n i n gp a r ti nc l a s si l l s u r r o u n d i n g r o c k si nd o n g i u s i g o ur a i l w a yt u n n e li sb i g g e r t h a no b j e c tr e l i a b i l i t yi n d e xp r e s c r i b e di nr a i l w a yt u n n e ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n i ts h o w s p o l y p r o p y l e n ef i b e rn e t c o n c r e t el i n i n gd e s i g n e di ne x p e r i m e n ti ss a f ea n di tm e e t s t h er e q u i r e m e n ti nr a i l w a yt u n n e ld e s i g ns p e c i f i c a t i o n i no r d e rt oc o n v e n i e n c et h ea p p l i c a t i o no fw e ts h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e r n e ta sr a i l w a yl i n i n g r e a s o n a b l ep a r a m e t e r so f w e t s h o t c r e t i n gp o l y p r o p y l e n ef i b e r n e tl i n i n gi nc l a s s i c l a s s i ia n dc l a s si i i s u r r o u n d i n gr o c k si sp u tf o r w a r db y r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa tl a s t k e yw o r d s p o l y p r o p y l e n e f i b e r n e t w e ts h o t c r e t i n g l i n i n g i n d o o re x p e r i m e n t f i e l d e x p e r i n a e n t r e l i a b i l i t ya n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 签名 重歪猛 日期 删 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留 使用学位论文的规定 即 学院有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校 可以公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手 段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 签 名 出导师签名 基丞复 日期 醚 2 2 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 远古以来 人们便开始使用动物皮毛 干草等和于泥浆中来达到增强效果 而现代纤维增强水泥及混凝土的历史才有3 0 多年 用于增强水泥及混凝土的纤 维主要有钢纤维 石棉 碳纤维 玻璃纤维 尼龙纤维 聚丙稀纤维 聚乙烯 纤维等等 选择什么样的纤维主要基于它们的原材料的基本性能和与水泥基的 相容性 价格以及酬久性等 纤维的使用形式也有多种多样 有的是沿长度方 向排列在基体中 有的是以短切乱向随机的方式存在于基体中 有的是以连续 纤维的形式存在 近年来 纤维在基体的短切乱向的非连续分布成为了研究的 重点 因为它们能实质性的改变混凝土这种材料的动静力特性 聚丙稀纤维即 是最有效的合成纤维之一 最近2 0 年来 更多的研究人员对钢纤维增强混凝土表现了极大的兴趣 钢 纤维增强混凝土以其卓越的性能赢得了用户的青眯 加入 定掺量的钢纤维后 抗弯强度 抗拉强度有显著的提高 抗裂性能也有了较明显的改善 碳纤维也 受到研究者的重视 它能有效控制混凝土的塑性收缩 掺入混凝土后抗冻性能 和抗热性能都有较大的提高 考虑到钢纤维和碳纤维的价格较高 石棉纤维给 环境会带来污染和危害人的身体健康 植物纤维容易腐烂 玻璃纤维容易在混 凝土早期的高碱环境中发生品质劣化等因素 许多研究者和用户把目光投向合 成纤维 聚丙稀纤维和尼龙纤维是两种主要的形式 聚丙稀纤维主要对结构起 非结构加强作用 对混凝土的塑性裂缝的控制 韧性 抗冲击性能有很大的改 善作用 而且在一定范围内对混凝土的抗压 抗折 劈裂抗拉性能均有显著的 提高 所以尤其在发展中国家 开展对一些像聚丙稀纤维这样弹性模量较低 价格比较低廉 来源丰富的研究更具有工程意义 尼龙纤维在增强混凝土及水 泥制品的效果方面和聚丙稀纤维类似 只是价格稍高于聚丙稀纤维 为充分发挥喷射混凝土的优点 保证混凝土的质量 降低隧道衬砌的工程 造价 本文结合聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌试验研究课题 试验研究聚 丙烯纤维混凝土的力学性能和合理配合比 计算分析聚丙烯纤维网湿式喷射混 第一章绪论 凝土作为隧道衬砌的合理设计参数并结合陇海铁路宝兰二线东巨寺沟隧道进行 现场应用试验 1 2 隧道衬砌的类型和现状 铁路隧道设计规范 t b l 0 0 0 3 2 0 0 1 7 1 1 条规定 隧道应做衬砌 一 般情况下可采用整体式衬砌或复合式衬砌 在i i i 级围岩短隧道中可采用喷锚 衬砌 这是1 0 0 多年来 我国的铁路隧道建设的实况总结出的条文 目前我国 传统矿山法施工的隧道主要是整体式衬砌 按新奥法施工的隧道主要是复合式 衬砌 2 而喷锚主要用作初期支护 喷锚用作永久衬砌的比例还较少 与我国作 为世界隧道大国的地位还不相称 1 2 1 整体式衬砌 整体式衬砌是最传统的隧道衬砌形式 早期用木支撑或近代用喷锚作为临 时支护的模筑混凝土衬砌 都称为整体式衬砌 在隧道设计规范中关于整体式 衬砌设计 作出如下规定 i i i i 级围岩地段衬砌拱圈可设计为等截面形式 一 般地区可采用直墙衬砌 最冷月平均气温低于一1 5 0 的地区应采用曲墙式衬砌 i v 级围岩地段应采用曲墙有仰拱的衬砌 i i i 级围岩双线 多线隧道也应采用曲 墙有仰拱的衬砌 级围岩的衬砌可采用钢筋混凝土结构 因地形或地质构造 等引起有明显偏压的地段 应采用偏压衬砌 v 级围岩的偏压衬砌可采用 钢筋混凝土结构 级围岩的偏压衬砌也宜采用钢筋混凝土结构 整体式衬砌一般厚度较大 以单线电气化铁路隧道衬砌标准设计 参标隧 0 0 1 2 13 j 为例 i i i i i 级直墙式衬砌厚度分别为2 5 c m 和4 0 c m v 级曲 墙式拱顶最小截面厚度分别为4 5 c m 5 0 c m 和6 0 c m 详见表1 1 表1 1单线电化铁路隧道村砌标准设计厚度 2 第一章绪论 即使这样厚 由于隧道施工的特殊环境 仍然有很多既有隧道的衬砌出现 裂缝或破损 1 9 7 2 年铁道部专门组织对隧道衬砌裂缝进行系统调查 认为产生 裂缝的原因分析可归纳为设计中对实际地质条件 地下水的影响及地形的影响 考虑不周和施工方法的影响两大类 据此 在以后的设计中改尖拱为平拱 采 用多种荷载形式 施工中强调回填密实等 裂缝情况有所好转 2 0 世纪7 0 年代 后 喷锚支护技术代替了传统的木支撑体系 避免了木支撑拆除导致拱腰压力 集中的现象 但模筑混凝土施工中 拱部衬砌背后仍不易密实以及环向施工缝 的存在仍然是整体式衬砌的薄弱环节 开裂和漏水仍然是运营工务部门重点整 治的衬砌病害 整体式衬砌目前仍按 荷载一结构 模式分析计算 标准设计衬砌断面的 安全系数一般都较高 但由于地层作用所具有的很多不确定性 为保证安全 目前都遵照工程经验归纳的衬砌最小厚度的构造要求 因此 在围岩条件较好 时 衬砌截面的安全度很大 而经济性较差 即便如此 整体式衬砌目前仍然 占有较大的比例 12 2 复合式衬砌 新奥法的提出被认为是地下结构设计理论的重要发展 其主导思想是充分 发挥围岩的承载作用 这种承载作用是通过复合式衬砌应体现新奥法设计思想 的较好的结构形式 它把衬砌结构分成两层或两层以上 目前大都采用内外两 层 一般为喷锚初期支护与模筑混凝土衬砌 其中喷锚支护除喷射混凝土和锚 杆外 必要时可设钢筋网和钢架 为了防水常在内外层之间加设防水层 复合 式衬砌设计综合考虑了包括围岩在内的支护结构 断面形状 开挖方法 施工 顺序和断面的闭合时间等因素 力求发挥围岩所具有的自承能力 铁路隧道设 计 规范提供的一般地区单线隧道复合式衬砌初期支护及二次衬砌的设计参数 参考表如表1 2 所示 第一章绪论 初期支护应具有合理的刚度 并且在一定程度能够随着围岩的变形而变形 二次衬砌一般采用等厚 圆顺的连接形式 二次衬砌在设计时应考虑的因素较 多 除围岩级别 地下水状态 隧道埋置深度外 还有初期支护的刚度及其施 作时问等 初期支护一般按工程类比确定设计参数 在施工期间通过监控量测 进行修正 二次衬砌在i i i 级及以上围岩可作安全储备 i i i 级以下围岩按承载结 构设计 复合式衬砌已成为一种主要支护形式被广泛使用 它充分利用了现代喷锚 支护技术 使施工更加快捷 方便 减少了开挖围岩的暴露时间 提高了丌挖 后洞室的稳定性 同时 使整体衬砌厚度减薄 但存在的问题也不容忽视 对 于硬岩隧道由于开挖面不易平整 喷锚后凹凸不平的表面使防水层难以同喷层 密贴 二次衬砌模筑混凝土与防水层也难以达到良好结合 难以保证共同作用 衬砌背后还会引起松动坍塌 复合式衬砌的造价也比整体式增加很多 因此 目前不少人认为复合式衬砌主要适用于软岩和土层中的隧道 这类地层中用人 工或挖掘机械丌挖可使轮廓较为平顺 复合式衬砌能同围岩紧密贴合 共同作 用 对于节理裂隙发育的硬岩隧道 复合式衬砌并不是理想的支护形式 1 2 3 拼装式衬砌 在盾构法 或掘进机法 施工的隧道中 采用预制衬砌拼装块 利用机尾管片 拼装机械进行快速拼装 作为盾构机后背使之继续掘进 拼装衬砌能达到良好 质量的前提是盾构机械掘进所形成的良好线型及光滑 圆顺的洞型 这种拼装 衬砌不仅具有质量好 而且衬砌薄 材料省 因受大型盾构机数量的限制 目 前铁路隧道应用得较少 4 第一章绪论 1 2 4 喷锚衬砌 喷锚支护的优越性和复合式衬砌存在的问题 使人们去考虑直接将喷混凝 土同锚杆结合用作永久衬砌的问题 我国在2 0 世纪6 0 年代就开始过用喷混凝 土作永久衬砌的尝试 由于喷射工艺不成熟 粉尘和回弹较多 喷层收缩开裂 也较明显 但喷锚技术在国内外发展进步很快 随着湿式喷射技术的推广 以 及钢纤维喷混凝土的采用 已成功解决了喷混凝土的开裂和耐久性问题 为喷 混凝土作为永久衬砌创造了条件 在北欧斯堪的纳维亚半岛诸岛较早使用锚杆 喷钢纤维混凝土作为大型地下洞室的永久支护 取得良好效果 不少欧洲文献 都提倡在节理发育的硬地层宜用 挪威法 代替新奥法 认为 挪威法 是现 代隧道施工技术中对新奥法的扩展和补充 喷锚衬砌是在隧道开挖后 直接利用喷锚体系 不仅作为隧道的支护 而 且作为永久的衬砌结构 喷射混凝土厚度可一次或复喷至设计厚度 目前铁路 隧道设计规范中仅规定在i i i 级围岩的短隧道中 可采用喷锚衬砌 并规定 喷锚衬砌内部轮廓线应比整体式衬砌适当放大 除考虑施工误差和位移量外 应再预留1 0 c m 作为必要时补强用 规范建议的一般地区隧道喷锚衬砌的设计参 数参考值如表1 3 所示 表1 3 喷锚衬砌的设计参数 围岩级别单线隧道双线隧道 嬲混磐丰熙s c m 晶窑莩壁 置 裟锚器抽l o c m 幺嚣锤置5 锚杆 妖l 5 2 o m 间距12 1 m 葛蔷磊薪南 2 在节理裂隙发育的硬岩地层中 直接利用喷射混凝土作为隧道衬砌有以下 优点 可合理地利用围岩自承能力 防止围岩松弛 衬砌与围岩紧密接触 可 视为统一结构物 丌挖后喷层及填塞封闭裂隙 防止围岩暴露风化 提高丌挖 后洞室的稳定性 施工方便 快捷 一次或复喷至设计厚度 纵向联结好 不 存在模筑混凝土的施工缝 不同于模筑混凝土衬砌需要一定的厚度以保证其混 凝土质量 不仅可减少衬砌材料 而且使衬砌具有较好的柔性 能与围岩一起 产生有限制的变形 第一章绪论 传统干式喷射法喷射混凝土 混合料在混凝土喷射枪处加水 由操作人员 视喷射层效果控制加水量 混凝土的水灰比不能得到良好控制 随意性大 质 量离散性高 不仅导致整体强度低于同级别模筑混凝土 其密实性和耐久性也 低 这是隧道设计规范中规定仅在i i i 级完整 稳定的围岩中可采用喷锚衬砌 的主要原因 随着喷射混凝土技术的进步 湿式喷射法 喷射纤维混凝土等新技术 新 材料的出现 不仅提高了喷射混凝土的均匀性 强度 密实性和耐久性 大幅 提高和保证了喷射混凝土的质量 同时也减少了喷射混凝土的回弹量和粉尘 改善了施工作业环境 湿式喷射纤维混凝土同普通混凝土相比不仅具有较高的抗拉 抗弯 抗剪 抗冲击强度 而且具有较好的延性 良好的变形能力 较高的密实度和良好的 防水性能 能明显减少普通混凝土由于水泥收缩而产生的微裂缝 因此湿式喷 射纤维混凝土作为隧道永久衬砌 它同模筑混凝土衬砌相比 由于其变形性能 较强 能充分利用围岩自身承载能力 减少围岩对支护结构的压力 即使围岩 破坏 由于纤维混凝土具有较高的残余强度 仍能在相当长的时阳j 内维持围岩 的稳定性 良好的变形性可以有效吸收地震时传递来的能量 对结构抗振有利 较高的密实度使得纤维混凝土具有良好的防水性能 良好的气密性使隧道能顺 利通过有瓦斯和其它有害气体渗漏的地段 但目前在国内一般用湿式喷射纤维 混凝土作为隧道永久衬砌刚处于试验阶段 还没有大规模应用 试验研究较多 的纤维混凝土主要是钢纤维喷射混凝土 如在我国铁路最长隧道秦岭隧道 西 康线椅子山隧道进行了喷射钢纤维作为隧道永久衬砌的研究 由于钢纤维喷混 凝土价格较贵 钢纤维一旦生锈 将产生较大的膨胀力 又存在抱团 堵管等 问题 因而人们寻求用合成纤维代替钢纤维 合成纤维种类较多 聚丙烯纤维 网是较好的一种 但关于湿式喷射聚丙烯纤维网作为铁路隧道永久衬砌的研究 尚未见相关报道 因而有深入研究 开发应用的必要 1 3 喷射混凝土发展现状 喷射混凝土是用喷射机把掺有速凝剂的粗细博 料混凝土以适当的压力 高 速喷射到受喷面凝结而成的混凝土 应用于隧道工程中的喷射混凝土 根据施 i i 艺的不同可分为干式喷射 潮式喷射 湿式喷射 干式喷射是将将砂 石 6 第一章绪论 水泥按一定比例干拌均匀投入喷射机 同时加入速凝剂 用高压空气将混合料 压送到喷头 再在该处与高压水混合 以较高速度喷射到岩面上 潮式喷射是 将沙 石料预加少量水 使其浸润成潮湿状 再加水泥拌合均匀 从而降低上 料和喷射时的粉尘 其它工艺流程同干式喷射法 湿式喷射是将沙 石 水泥 和水按一定比例拌合成混凝土 在喷头处添加液态速凝剂 再喷射到岩面上 该法能够准确地控制混凝土的配合比 从而大大提高了喷射混凝土的质量 同 时也可减少喷料喷射回弹量及施工作业的粉尘量 表1 4 1 5 i 6 i 7 为有关 资料p 1 介绍湿式喷射与干式喷射的效果比较 表1 4 一次喷射厚度测定结果表 表1 5 回弹损失测定结果 堕盟查鲨 喷射部位 回弹损失率俄 拱部1 3 1 5 湿法喷射 1 3 边墙 6 9 干法喷射 拱部 4 0 6 0 一 望苎 二1 5 一 塞 堕墅堕堕兰丝兰竺塑尘鎏堕型塞堕墨 喷射方法喷射部位 未喷前测量洞内粉喷射时测量洞内 由喷射混凝土产生 尘基数i m g m 粉尘浓度 m g m 3粉尘浓度 m g m 3 拱部1 5 1 9 0 4 湿法喷射 边墙17 2 0 0 3 于法喷射 拱部l 3 3 05 2 9 2 边墙1 5 2 3 2 2 1 7 7 第一章绪论 表1 7 混凝土抗压抗拉强度和抗渗性能测定结果 注 1 混凝十检商试件是在现场制作 标准养护2 8 d 试验 2 与岩 i 面粘结力试验 是在现场采用直接拉拔法 由于喷射工艺的改进和提高 湿式喷射混凝土与干式喷射混凝土相比 一 次喷射厚度可提高近1 倍 回弹损失率减少2 3 3 4 作业面的粉尘仅有1 1 1 0 抗压强度提高近3 0 抗渗能力由p 6 提高为p 8 粘结力提高4 0 以上 可见 湿式喷射不仅改善了作业环境 提高了混凝土强度 还提高了混凝土密实性 其性能得到了大幅提高 1 4 纤维混凝土发展现状 1 4 1 钢纤维喷射混凝土 无纤维喷射混凝 与普通混凝土一样 抗压强度高 但抗拉强度低 其拉 压强度比同样仅为1 1 0 左右 为改善混凝土和喷射混凝土的性能 提高混凝士 拉 压强度比 人们常常在混凝土内添加各类增强纤维 常见的混凝土增强纤维有钢纤维和非钢纤维拍 非钢纤维中又分为高弹纤维 e e 1 如碳纤维 芳族聚酰胺纤维 石棉纤维 玻璃纤维等 和低弹纤维 e r e 1 如聚丙烯纤维 聚乙烯醇纤维及维纶纤维 聚酰胺类纤维等 钢纤维的生产方法通常有钢丝切断法 薄钢板切断法 铣削法 熔抽法及 轧制法 作为混凝土增强材料 钢纤维在投入搅拌机后 其形状 尺寸要能均 匀地分散到混凝土中 同时喷射混凝土要容易输送 喷射 若钢纤维过长 过 细 搅拌过程中钢纤维集结 且在喷射过程中易堵塞管道 反之 若钢纤维过 短 过粗 运输 搅拌过程中易与混凝土分离下沉 不能均匀分布于混凝土中 起不到有效增强作用 通常在喷射钢纤维混凝土中 钢纤维的直径 或等效直径 为0 3 0 6 m m 长度为2 0 4 0 m m 长径比为4 0 6 0 钢纤维的体积掺量为1 2 为增大钢纤维与混凝土的粘结力 通常改变钢纤维的表面特征 其几何形状 8 第一章绪论 断面形状形式多样 根据资料记载 钢纤维喷射混凝土与普通素混凝土相比 抗压强度提高3 0 抗拉强度提高3 0 5 0 抗弯强度提高1 0 0 1 2 0 抗折强度提高1 8 0 抗 冲击强度 抗收缩性等均有较大的提高 钢纤维喷射混凝土的性能随着钢纤维 掺量的增加而显著提高 但钢纤维易在给料软管中产生粘附 堵塞输料管 钢 纤维锈蚀及锈蚀导致混凝土膨胀裂纹 喷射机以湿法喷射机为宜 配以挤压软 管式泵 1 42 非钢纤维喷射混凝土 在单一纤维混凝土中 钢纤维效果较好 成功应用的实例较多 价格也较 高 碳纤维具有胜过钢材的刚度和强度的优良性能 价格更为昂贵 石棉纤维 应用时问虽然较长 但最近已被世界卫生组织确定为鼻咽癌的致癌物 对人体 健康有害 将很快被淘汰 玻璃纤维在新浇混凝土中不易乱向混合并易受损伤 从而降低混凝土强度 同时也有污染环境的问题 目前 研究和应用较多的合成纤维有 聚丙烯 聚乙烯醇 聚酰胺类 芳族 聚酰胺 聚酯类和碳纤维 另外还有聚乙烯 聚丙烯腈等 而聚丙烯纤维混凝 土是研究与应用最多的合成纤维混凝土 2 0 世纪8 0 年代以来 合成纤维混凝土 在国外已得到了广泛的研究和应用 国内则相对较少 目前 美国合成纤维混 凝土的使用量已占混凝土总量的7 数量已远远超过先期开发的钢纤维混凝土 f 占混凝土总量的3 1 4 2 1 混杂纤维混凝土 混杂纤维混凝土采用高模量纤维可大幅度提高混凝土的抗拉 抗弯强度 对韧性也有提高 但费用大 而低价的低模量 大变形纤维虽对强度贡献不大 却可大幅度提高其韧性 8 欲经济地同时提高混凝土的强度和韧性 可同时掺入 高模量纤维和高延性纤维 使两种纤维在不同的受荷阶段和不同的结构层次发 挥增强增韧作用 从而获得具有优异综合力学性能的混凝土 目前国内外对混 杂纤维增强混凝土的研究还刚刚起步 关于它的力学特性 在静 动载及等幅 变幅循环荷载作用下的变形发展规律和损伤特性的研究还是少见报道 9 笫一章绪论 1 2 2 聚丙烯纤维混凝土 聚丙烯纤维是2 0 世纪6 0 年代研制成功的一种凝型纺织材料 根据纤维形 状和构造不同 聚丙浠纤维可分为荦丝纤缭 两蛩纤维 并行的琢绎彳七纾维束 和薄膜纤维 单丝纤维有被高的长径比 网型纤维看起来是成束的 但拌和到 混壤土中 静自动分散歼 侵东淀麓体送入网孑l 因而梳械拳占结髓能好 可使 纤维受力时不被拔出 浆丙舔纤维在混凝 的碱性环绕下菲鬻稳定 熔点较麓 表爵憎承 1 0 0 的湿强保持率 质撩轻 价格低 加工性能优良 聚丙烯纤维在混凝土中不成 盈 不缓结 与基漆滢凝主裙跑 浚凝 的能量啜牧能力帮延往筑高了 抗弯 强度和疲劳极限也有提高 但抗压强度提商不多 浆丙烯纤维增加了混凝土的 撬冲击强震 在掺璧为o 0 5 0 l o f 髂积院 对撬冲击强凌提高睡凄最大 聚 丙烯纤维含璇为10 体积比 时 高强度混凝土的翦切强度提高1 7 普通强 凄混凝 兹舞切强度无明显捷毫 毽其剪甥变形袭延往太大疆裹 蒙覆燎纾维 比石棉纤维嫩能吸收能量 当掺量少于1 0 体积比 时 段不能掇高混凝土强 度 却能大攥菠提藏其菝弯秘性 警掺量较舞黪 不仅缝域小复合枣葶瓣豹糖牲 而且能增加水泥基体的极限强度 聚丙烯纤维减少了混凝土的早期塑性收缩裂 纹势能阻止它们豹发展 从嚣提褒了混凝 的藐渗瞧 聚露燎纾维毙推迟游凝 土表面的劣化 提高耐久性 它的缺点是耐火性差 对阳光和氧气敏感 弹性 模量低 与水泥基体牯结弱 2 0 世纪6 0 年代 首先怒英 美豳家把聚丙烯纤维短切艏拌入混凝土中以改 变混凝土的澄于物理 力学性能 其后 意大利 丹麦 联邦德国也开展了这 方丽的研究 1 9 6 5 年 美戳学者g o l d f e i n 建议用其建造美翠工兵部队的防爆建 筑 研究包括在水泥及砂浆掺入聚斑爝纤维 同时 谢尔 s h e l l 豳际化学有 限公司也在做聚丙浠纤维混凝士的早期试验 他们搬这种新材料称为卡克黧特 c a r i c r e t e 从此 聚丙烯纤维混凝 在混凝土领域歼始显示其特有的生命力i 随焉 学者r i t c h i e 对聚丙烯纤维混凝土及砂浆的施工性能 o l z o n s v e l d 对纤维 与基体的粘结强度 w a l t o n 对等聚丙烯纤维加入水泥基体中的耐久性能 2 1 法国混凝 制品试验中心的丁 这达尔对聚丙烯纤维混凝土的力学黻能 1 轴分翱 作了研究 2 0 整纪8 0 年代以束 日本 韩国等萄均对聚丙烯纤维增强的混凝 避行 了较多的研究 英国h a n n a n td j 博士自1 9 8 0 年以来研究用聚丙烯膜裂纤维网 1 0 第一章绪论 f i b r i l l a t e dd o l y p r o p y l e n en e t w o r k 作为增强材料制成板状制品代替石棉水泥制 品 发现这种复合材料在大气中暴露十年力学性能无明显劣化的结果 s w a m y 博士等试验用聚丙烯纤维膜裂纤维织成的网片和粉煤灰水泥 粉煤灰含量高达 5 0 制成轻质f r c 板 目前已投入工程中使用 英 美等国不仅已用短切的聚丙烯纤维增强水泥砂浆或混凝土铺设路面 加固河岸等 还用于修补裂损的建筑物 韩国鉴于石棉对人体的危害 他们已 把聚丙烯纤维作为是石棉的主要替代产品 a c i 材料期刊 a c im a t e r i a lj o u m a l 水泥混凝土复合材料刊物 c e m e n t c o n c r e t ec o m p o s i t e 纤维增强水泥及混凝土最新发展 f i b e rr e i n f o r c e d c e m e n t c o n c r e t er e c e n td e v e l o p m e n t s i 7 1 国际混凝土动念 c o n c r e t e i n t e r n a t i o n a l l8 中经常发表一些有关聚丙烯纤维混凝土及砂浆的研究文章 总体来说 国外对于聚丙烯纤维混凝土及砂浆的研究和应用已有一定的规 模 聚丙烯纤维混凝土及砂浆在混凝土领域中已崭露头角 出于聚丙烯纤维混凝土良好的力学性能 聚丙烯纤维混凝士在发达国家已 广泛应用于高速公路 机场跑道 地铁 隧道 码头 桥梁 地下室工程 屋 面 内外墙粉刷 停车场 贮水池 腐化池等工程中 在国内聚丙烯纤维混凝 土已在上海国际体操中心 虹口足球场 浦东国际东方医院 龙华旅游城等工 程中成功应用于刚性防水 大面积的基础底板防裂结构中 北京住总集团在南 线阁商住楼楼板自密集混凝土中使用了聚丙烯纤维 用于混凝土防裂 抗渗 取得了良好的使用效果 广州棠下安居工程8 0 0 0 m 2 地下室 新中国大厦地下室 工程 南方实业大厦地下工程 5 0 层高的中水广场大厦4 5 0 0 m 2 地下室等工程中 采用聚丙烯纤维混凝土 使用效果十分满意 伸 1 9 9 6 年7 月至1 9 9 7 年3 月 在我国当时最长的铁路隧道 秦岭隧道i 号 平导 首次采用长丝短切聚丙烯纤维 单丝 作为喷射混凝土的增韧材料 潮式喷 射混凝土施工 代替钢纤维混凝土施工 较成功地解决了秦岭隧道平导洞的高 地应力岩爆 大大提高了工程的安全性 避免了钢纤维喷射混凝土结团 易堵 管 回弹易伤人以及钢纤维一旦生锈便可产生较大膨胀应力 单方混凝土造价 高等的弊端 1 9 9 7 年7 月至1 9 9 8 年6 月 云南境内楚 雄 大 理 高速公路九顿坡隧道断 面尺寸较大 围岩破碎 节理发育 地表水丰富 采用聚丙烯短切纤维潮式喷 射混凝土支护 聚丙烯短切纤维潮式喷射混凝土用量共计2 0 8 0m 3 第一章绪论 1 9 9 9 年8 月至1 9 9 9 年1 2 月 水 城 柏 乡 铁路易拉嘎隧道 同时采用了美 国产聚丙烯纤维网和国产聚丙烯纤维网潮式喷射混凝土支护 该隧道进出口段 围岩较破碎 节理发育 地表水较丰富 进口l o o m 段采用美国产聚丙烯纤维网 纤维 出口1 0 0 m 采用国产聚丙烯纤维网纤维 纤维体积掺量均为o 2 均采 用潮式喷射混凝土工艺 试验结果表明 其抗拉 抗弯和抗渗性等纤维混凝土 喷射参数 结果表明 荚产聚丙烯纤维网纤维和国产纤维网纤维无实质上的差 别 聚丙烯纤维网可有效提高喷射混凝土的抗裂性 抗拉强度和抗弯强度 较 多提高喷射混凝土的密实性 从现代建筑和可持续发展观点看 聚丙烯纤维在高性能混凝土中的应用发 展是当前水泥基材料的主要发展方向 被称为 2 1 世纪混凝土 更具有 绿色 意义 提高建筑物嗣久性 延长建筑物的使用寿命是极其重要的 由于聚丙烯 纤维能积极有效地改善混凝土的耐久性 使混凝土高性能化 且工作机理简单 适用性广泛 使用效果显着 在工程界己受到越来越多的关注 从确保工程质 量 施工便利 兼顾成本及长 短期效益等诸方面考虑 在混凝土中添加聚丙 烯纤维不失为改善混凝土性能的有效途径 1 4 3 聚丙烯纤维混凝土作为隧道衬砌现状 矿山法施工的隧道主要有整体式 复合式和喷锚式衬砌三种 自锚杆 喷 射混凝土作为隧道支护以来 复合式衬砌已成为主要的衬砌形式 喷锚作为隧 道衬砌在我国铁路隧道中仅在i i i 级围岩无水短隧道中可采用 对于硬岩隧 道由于丌挖面不平整 喷锚后凹凸不平的表面使防水层难以同喷锚支护层密贴 二次衬砌模筑混凝土与防水层也难以达到良好结合 难以保证共同作用 衬砌 背后还会引起松动坍塌 如同整体式衬砌一样 复合式衬砌的造价较高 传统干式喷射法喷射混凝土 混合料在混凝土喷射枪处加水 由操作人员 视喷射层效果控制加水量 混凝土的水灰比不能得到良好控制 随意性大 质 量离散性高 不仅导致整体强度低于同级别模筑混凝土 其密实性和耐久性也 低 这也是隧道设计规范中规定仅在i i i 级完整 稳定的围岩中可采用喷锚衬 砌的主要原因 随着喷射混凝土技术的进步 以及混凝土增强 改性新材料的不断涌现 不仅提高了喷射混凝土的均匀性 强度 密实性和耐久性 大幅度提高和保证 了喷射混凝土的质量 同时也减少了喷射混凝土的回弹量和粉尘 改善了施工 1 2 第一章绪论 作业环境 为喷射混凝土作为隧道的永久衬砌创造了条件 在在北欧斯堪的纳 维亚半岛诸岛较早使用锚杆喷钢纤维混凝土作为大型地下洞室的永久支护 取 得良好效果 不少欧洲文献都提倡在节理发育的硬地层宜用 挪威法 代替新 奥法 认为 挪威法 是现代隧道施工技术中对新奥法的扩展和补充 英国 美国以及加拿大等国 相继报道了采用聚丙烯纤维喷射混凝土作为隧道永久衬 砌的试验及工程应用 在我国 如前所述 聚丙烯纤维喷射混凝土作为隧道支 护已在多座隧道中取得了成功 但作为隧道永久衬砌还未见相关报道 1 5 论文的主要内容及创新点 1 5 1 论文的主要内容 1 详细叙述了隧道衬砌类型和现状 介绍了喷射混凝土和纤维混凝土的国 内外现状 2 聚丙烯纤维网混凝土室内试验研究 通过5 种不同纤维网掺量 两大系 列混凝土的抗压 抗弯 劈裂抗拉 初裂强度和抗冻 抗渗和抗高温等性能试 验 分析了聚丙烯纤维网的力学性能 确定聚丙烯纤维网的合理掺量 3 聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌的现场试验 结合东巨寺沟隧道工程 进行四段三种参数的聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌试验 确定了聚丙烯纤 维网湿式喷射混凝土的配合比和施工工艺 4 对东巨寺沟隧道纤维网湿式喷射混凝土衬砌试验段进行了围岩压力 衬 砌混凝土应力 隧道周边收敛和拱顶下沉的监控量测与分析 5 利用可靠度理论 采用蒙特卡罗 有限元法对东巨寺沟隧道湿式喷射聚 丙烯纤维网混凝土作为隧道永久衬砌进行了计算分析 得到了l o c m 和1 5 c m 聚 丙烯纤维网混凝土衬砌及对比的4 0 c m 模筑混凝土衬砌的内力值和变形及控制截 面的位置和相应的可靠指标 6 利用可靠度理论 确定了i i i i i i 级围岩条件下聚丙烯纤维网喷射混 凝土衬砌的合理参数 1 52 主要成果与创新 1 系统地进行了聚丙烯纤维网混凝土力学性能的室内试验 掌握了聚丙烯 纤维网掺量与混凝土力学性能之间的关系 1 3 第一章绪论 f 2 1 成功地进行了聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌现场应用试验 3 利用可靠度理论 对东巨寺沟隧道聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌进 行了可靠度分析 从理论上验证了聚丙烯纤维网混凝土衬砌的合理性和可行性 1 5 3 论文的不足及今后的研究方向 由于时间和本身知识水平的限制及缺乏相关的资料 论文还有不足之处 在对聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土衬砌进行可靠度分析时 由于缺乏喷混凝土 时基本随机变量的统计特征 暂取模筑混凝土的相关计算参数 因此在计算上 存在一定误差 用 地层一结构 模式对衬砌结构进行受力和变形分析时 由 于缺乏实测资料 相关的计算参数采用现行隧道规范的中间值 计算结果同实 际情况存在一定的误差 聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土在我国的研究和应用相对较少 喷混凝土作 为隧道衬砌在铁路隧道中应用也相对较少 聚丙烯纤维网湿式喷射混凝土作为 隧道永久衬砌 本次研究则为第一次现场实施 因而很多理论和规律认识还不 够充分 难免存在诸多不完善 不正确之处 今后 随着聚丙烯纤维及其它合成纤维混凝土应用的增多 随着人们认识 的提高 不断扩大试验应用领域和范围 为隧道衬砌提供更多 更好的形式 推动隧道工程的进步和发展 1 4 第二章聚丙烯纤维网混凝土力学性能室内试验研究 第二章聚丙烯纤维网混凝土力学性能室内试验研究 2 1 试验研究内容 目前国内常用的聚丙烯纤维为美国专利技术生产的纤维网纤维 其最大特 点是质轻 易分散 体积掺量低 施工较简便 但价格偏高 由山东泰安市现代塑料有限公司开发生产的聚丙烯纤维网纤维 其主要力 学和物理性能与美国网状纤维基本相同 易分散 掺量低 售价仅为美国网状 纤维的5 0 左右 就泰安产聚丙烯纤维网增韧混凝土进行了纤维体积率与混凝土抗压 抗弯 力学性质问的关系 纤维掺量对混凝土耐久性 抗冻 抗渗 的影响 纤维混凝土 经历高温历史后的性能变化方面进行了试验研究 具体内容如下 1 纤维体积率与纤维混凝土抗压强度 抗弯强度 劈裂抗拉强度 初裂强 度的关系 2 纤维体积率与混凝土抗冻性 抗渗性的关系 3 纤维混凝土经历高温后的性能变化 2 2 试验材料及配合比 2 2 1 试验材料 1 聚丙稀纤维网采用山东泰安市现代塑料有限公司生产的聚丙烯纤维网 长度为2 0 r a m 其物理 力学性能如下 密度为o 9 1 9 c m 3 抗拉强度为3 7 0 m p a 抗拉弹模为3 7 g p a 无吸水性 抗酸碱强 断裂伸长度为8 当量直径为1 0 0 u m 分散性良好 对人体安全性好 2 水泥 河北邯郸产 太行山牌 水泥 细度为5 8 初凝时间为7 5 m i n 终凝 时 训为2 2 0 m