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建筑師知識噴射混凝土技術(shù)
導(dǎo)語：建筑師是從事建筑設(shè)計(jì)的人。建筑師接受工程投資方(即通常所說的甲方)的委托，對建筑進(jìn)行建筑專業(yè)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，并協(xié)調(diào)整合結(jié)構(gòu)、機(jī)電、工藝等各專業(yè)的圖紙，形成可供施工的圖紙?zhí)峁┙o投資方。
1. 鋼纖維的作用機(jī)理
混凝土的抗拉強(qiáng)度較低，一旦開裂后會(huì)發(fā)生脆性破壞。利用鋼纖維進(jìn)行增強(qiáng)處理后，鋼纖維能夠控制裂縫的開展，并且傳遞拉應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，從而提高混凝土的裂后強(qiáng)度，使混凝土具有相當(dāng)?shù)膹澢g度。和素混凝土相比，鋼纖維混凝土在發(fā)生變形后仍能承擔(dān)荷載。
2. 鋼纖維混凝土的性能
鋼纖維混凝土的極限抗彎拉強(qiáng)度和加入鋼纖維之前基本相同，但是鋼纖維混凝土的彎曲韌度有大幅度提高。
鋼纖維有各種不同的原材料，形狀和抗拉強(qiáng)度，彎曲韌度各不相同。鋼纖維根據(jù)生產(chǎn)工藝分為剪切型，銑削型，和冷拉型。前兩種纖維本身的抗拉強(qiáng)度在400-700MPa之間，長徑比在40-50，摻量較高，一般在80-120kg/m3;[3]冷拉型纖維通過對母材(盤條)的高速拉絲，大幅提高了抗拉強(qiáng)度，通常在1000MPa以上，長徑比在60以上，摻量一般在35-65 kg/m3.
對不同的鋼纖維應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到達(dá)到保證鋼纖維混凝土彎曲韌度的鋼纖維纖摻量。鋼纖維混凝土的韌度可以用“位移控制的梁的三分加載實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行。
(圖見附件)
圖1.1 鋼纖維混凝土梁三分加載彎拉韌度實(shí)驗(yàn) 荷載-位移曲線
根據(jù)荷載-位移曲線，通過下式計(jì)算鋼纖維混凝土的彎曲韌度：
(計(jì)算公式見附件)
3. 鋼纖維噴射混凝土的性能
混凝土中加入鋼纖維后可提高混凝土的彎拉韌度，能量吸收能力，抗沖擊能力和對裂縫的控制。均勻分布的鋼纖維使噴射混凝土任意截面都能夠承受拉應(yīng)力，同時(shí)和圍巖有極佳的粘結(jié)力，因此可以通過應(yīng)力重分布，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，是理想的支護(hù)材料。
《歐洲噴射混凝土規(guī)范》用大板實(shí)驗(yàn)比較鋼纖維噴射混凝土和掛網(wǎng)噴射混凝土的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土有更高的承載能力和吸收變形能力。
鋼纖維混凝土既能作為初期支護(hù)、也可作為永久襯砌;和掛網(wǎng)相比有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢：
鋼筋掛網(wǎng)施工工藝復(fù)雜;在凹凸不平的巖面難以沿巖石表面布置在拉應(yīng)力區(qū);在噴射混凝土?xí)r回彈大;混凝土容易集結(jié)在掛網(wǎng)的表面，在掛網(wǎng)的背后形成空洞;當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，不能形成及時(shí)支護(hù)。
鋼纖維噴射混凝土可以順著圍巖表面形成快速有效的支護(hù)，和巖石有更好的粘結(jié)，而且提高施工安全性簡化施工工序，加快了施工進(jìn)度。
從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，鋼纖維混凝土襯砌厚度比掛網(wǎng)混凝土節(jié)約30%，回彈量減少30%，工期節(jié)約20-30%.
4. 鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)用
鋼纖維噴射混凝土從70年代起在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用，在“挪威地質(zhì)學(xué)院”提出的“Q系統(tǒng)”中，全面采用鋼纖維噴射混凝土取代掛網(wǎng)作為隧道永久支護(hù)。
我國很早就開始研究鋼纖維混凝土的應(yīng)用，但是由于當(dāng)時(shí)鋼纖維本身抗拉強(qiáng)度低，攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)變形，噴射時(shí)易堵管，在施工上很難保證質(zhì)量，使該項(xiàng)技術(shù)沒有得到有效的推廣。90年代起，國內(nèi)引進(jìn)了歐洲粘結(jié)成排的冷拉型鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)，冷拉型纖維摻量在35-65 kg/m3，用快速水溶性膠水粘結(jié)成排后，鋼纖維在隨骨料一起攪拌的過程中，膠水遇水自動(dòng)溶解，成排的鋼纖維會(huì)分散成單根，在混凝土中均勻地分布，從而解決了鋼纖維結(jié)團(tuán)堵管的問題。鋼纖維噴射混凝土在克服了施工中的弱點(diǎn)后，已經(jīng)逐步在國內(nèi)的一些工程中得到應(yīng)用。
5. 鋼纖維混凝土的韌度設(shè)計(jì)
彎曲韌度是鋼纖維噴射混凝土最為主要的性能，在設(shè)計(jì)中必須有明確的規(guī)定目前國內(nèi)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對鋼纖維噴射混凝土的韌度暫無規(guī)定，日本，韓國，及歐洲的纖維噴射混凝土規(guī)范中，對用于地下工程中的鋼纖維噴射混凝土的“彎曲韌度系數(shù)(Re，3)”值大多規(guī)定在68% 以上。我國目前在隧道工程中的鋼纖維噴射混凝土設(shè)計(jì)中應(yīng)用的“彎曲韌度系數(shù)”值多在此范圍。
為了能夠方便地確定鋼纖維噴射混凝土的韌度是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有些規(guī)范中采用了“模板”法，在確定鋼纖維混凝土的試件尺寸后，規(guī)定了韌度實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)際實(shí)驗(yàn)曲線若能夠包絡(luò)上述曲線，便認(rèn)為鋼纖維混凝土的韌度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
以下是日本高速公路局(JHC)>中對鋼纖維噴射混凝土采用的韌度“模板”曲線：
(圖見附件)
圖5.1 鋼纖維噴射混凝土梁三分加載實(shí)驗(yàn)彎拉韌度要求
將該“模板曲線”換算成彎曲韌度，Re，3=80%.
由于彎曲韌度實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定的彎曲韌度通過實(shí)驗(yàn)確定鋼纖維的型號和摻量后，在施工中只要檢驗(yàn)鋼纖維噴射混凝土的厚度和鋼纖維的型號，摻量就能達(dá)到質(zhì)量控制的目的。
目前采用韌度設(shè)計(jì)的鋼纖維噴射混凝土在國內(nèi)的鐵路和公路隧道及水電站地下工程中都已經(jīng)有所應(yīng)用，[7]并且逐步成為一種趨勢，鐵路隧道中，圍巖條件較好的工程中鋼纖維噴射混凝土作為永久支護(hù)已經(jīng)積累了相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)(秦嶺鐵路)，并且逐步推廣到圍巖條件較差的項(xiàng)目中去。其實(shí)，由于鋼纖維噴射混凝土的韌度，使襯砌具有“吸收”圍巖變形的能力。因此，在變形顯著的軟弱圍巖中，鋼纖維噴射混凝土更是一種理想的支護(hù)材料。在公路隧道中鋼纖維噴射混凝土已經(jīng)用于軟弱圍巖的初期支護(hù)(大保公路)，而在水電站項(xiàng)目中，鋼纖維噴射混凝土已有在巖爆條件的地下硐室永久支護(hù)的成功經(jīng)驗(yàn)(二灘電站)。
表5.1佳密克絲鋼纖維噴射混凝土工程部分應(yīng)用實(shí)例
| 工程 | 用途 | 型號 | 用量（噸） | 進(jìn)展 |
| 水電 | ||||
| 二灘水電站 | 地下廠房永久支護(hù) | ZP305 | 2000 | 完成 |
| 萬家寨水電站 | 交通洞永久支護(hù) | ZP305 | 120 | 完成 |
| LPG汕頭 | 地下儲氣室永久支護(hù) | RC-65/35-BN | 120 | 完成 |
| 鐵路 | ||||
|
西-康線 秦嶺超長隧道 |
隧洞永久支護(hù) | ZP305 | 160 | 完成 |
| 公路 | ||||
| 元-墨公路 | 隧洞初期支護(hù) | RC-65/35-BN | 1700 | 在建 |
| 大保公路I II | 隧洞初期支護(hù) | RC-65/35-BN | 1500 | 在建 |
6. 鋼纖維噴射混凝土的施工
從原則上而言，鋼纖維噴射混凝土不需要改變?nèi)魏喂に�，噴射混凝土所使用的常�?guī)設(shè)備都適用于鋼纖維噴射混凝土。
鋼纖維噴射混凝土既適用于干噴，也適用于濕噴，但是由于干噴的回彈大，對鋼纖維噴射混凝土而言，很不經(jīng)濟(jì)，一般推薦采用濕噴工藝。
目前， 國內(nèi)已經(jīng)有自主生產(chǎn)的濕噴機(jī)，液態(tài)速凝劑和硅粉也得到了更多的使用，這些都有助于鋼纖維濕噴工藝的推廣。
7. 結(jié)語
鋼纖維噴射混凝土作為一種新型的支護(hù)材料，施工簡單，速經(jīng)濟(jì)，有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，目前在國內(nèi)的地下工程中已經(jīng)有成功的經(jīng)驗(yàn)，相信隨著工程人員的努力，鋼纖維噴射混凝土技術(shù)會(huì)在我國的地下工程中得到更廣泛的使用。
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