0 前言

钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete, 简称SFRC)是一种在混凝土基体中掺入钢纤维^[1~2]、是近年来研究和应用最广的复合材料之一。与普通混凝土相比, 钢纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯强度, 尤其以韧性提高的幅度显著^[3]。由于钢纤维均匀地乱向分布在混凝土内共同参与工作, 显著地提高了混凝土的抗拉强度和抗变形能力, 并相应地提高了混凝土的抗剪、抗扭、抗裂和抗疲劳强度。近三十多年来, 国内外力学工作者与工程技术人员对钢纤维混凝土的物理力学性能^[4~11]与工程应用^[12~15]的研究一刻都没停止过。由于国内钢纤维的制作技术在过去相当长一段时间里未完全过关, 性能优良的钢纤维大多依赖国外进口, 致使钢纤维的价格居高不下, 严重影响了钢纤维混凝土在我国的大规模推广应用。20世纪80年代初, 梅山铁矿与马鞍山矿山研究院在该矿矿井巷道及采矿场进路裂隙破碎带部分区段采用喷射钢纤维混凝土替代传统的锚喷网支护的试验获得成功, 并取得了较好的效果。

1 钢纤维混凝土的工程应用现状

经过三十余年的研究开发, 国内外科技界在原有的实践基础上研究出了多种新型纤维增强水泥复合材料, 如:合成纤维(尼龙、聚丙烯等)增强水泥复合材料、碳纤维增强水泥复合材料、金属玻璃纤维增强水泥复合材料、砂浆渗浇纤维增强混凝土(SIFCON)、高强高耐久性纤维增强混凝土、FRP(树脂胶结纤维筋)预应力混凝土等^[1]。尽管各种纤维增强复合材料品类繁多, 各具特点, 但目前应用最广、技术上最成熟、基本性能研究最透、商业化程度最高的当属钢纤维混凝土。

钢纤维喷射混凝土首次于1973年在美国爱达荷州得到应用, 其后, 将其成功应用于隧道衬垫、斜坡稳定、涵洞、水库等其他结构工程^[16]。近年, 国内已成功地将钢纤维混凝土应用到高层建筑中, 如福州华福大厦地上31层、地下2层, 其一至八层为商业与办公用房、九层以上为公寓, 故在八层顶采用结构转换层, 该转换层大梁全部采用钢纤维混凝土。钢纤维掺量为混凝土体积的1%, 相当于每立方米混凝土掺78kg钢纤维。采用扬中工程纤维厂生产的剪切扭曲型钢纤维, 混凝土强度等级为C40, 粗骨料粒径Dmax≤20mm。施工时人工先将钢纤维与水泥砂石骨料干拌均匀之后再加水进行正常搅拌, 比普通混凝土多一道工序, 其抗剪强度提高45%。此外, 在西康线椅子山隧道工程中采用湿喷钢纤维混凝土也取得成功。

由于钢纤维混凝土的抗压、抗拉和抗剪强度大, 具有很强的支护功能。湿喷钢纤维混凝土工艺节省人力、物力, 且可简化工序, 降低成本。喷射混凝土施工不用模板, 只需配备一台喷射机与搅拌机, 省去了支模、浇筑和拆模工序, 使混凝土输送、浇筑和捣实合为一道工序, 也减少了工序间的相互干扰, 加快了衬砌的施工速度。湿喷钢纤维混凝土可通过输料软管在高空或狭小工作间向任意方向进行薄壁结构的施工, 因而在隧道施工中适用范围广, 可适用于Ⅳ类以上的衬砌。与干喷相比, 湿喷大大减少了施工粉尘, 且混凝土外表粗糙, 能吸收声波, 减轻回音, 因而具有降低噪音的功能。

这里有必要指出, 尽管国内工程界多年以前就认识到钢纤维混凝土比普通的混凝土在物理力学性能上具有许多明显的优越性, 但由于钢纤维的价格太高, 使得钢纤维混凝土一次性投资太大, 许多工程设计人员出于“经济效益”(短期)的考虑, 而不愿采用钢纤维混凝土。近年由于国内钢纤维的生产技术迅速提高, 钢纤维的价格大幅下降, 钢纤维混凝土的一次投资与普通混凝土相差已经不大(譬如路面设计中, 使用钢纤维可大幅度减小混凝土厚度), 如果再把工程正常服役时间的长短以及其他方方面面的影响因子折合成具体的经济指标, 即从综合经济效益的角度对钢纤维混凝土的工程造价进行评估, 可以发现钢纤维混凝土的优越性是非常明显的。

2 工程实例分析 2.1 工程背景

梅山铁矿矿体赋存于辉石闪长玢岩与辉石安山岩接触带及附近。矿区断裂构造发育, 主要有NE、NNW和NEE三组, 多为张扭性断裂, 断裂距离一般为10~15m, 在三组构造裂隙附近, 矿体受剧烈挤压破坏, 稳定性差。矿体顶板是辉石安山岩, 因蚀变发育而高岭土化、硅化、碳酸盐化等。当其受潮或被水浸湿后, 即软化膨胀, 层层剥落, 稳定性较差, 矿区脉外巷道大多掘进在该岩体中。该矿采用无底柱分段崩落采矿方法, 分段高度10~12m, 采矿进路间距10m, 进路断面为4.2m × 3.2m, 矿块尺寸为60m × 50m, 天井和溜井成对布置在脉内, 但也有些布置在脉外。凡布置在高岭土化安山岩的巷道、天井和溜井, 一般都需采用喷混凝土或锚喷混凝土支护。一些脉外溜井则采用整体喷浇混凝土与密集钢轨加固的支护方法, 取得了一些效果, 但仍不时发生加固结构破坏、溜井堵塞等事故。另外, 在大量的采矿进路中的构造裂隙带及其附近, 岩石十分破碎, 虽然采用喷混凝土或锚喷网支护取得一定效果, 但仍不能适应这种采矿方法对进路支护的特殊技术要求。

梅山铁矿从1982年起, 引进了钢纤维混凝土(主要为喷射钢纤维混凝土)新技术, 并开始在工程中试用, 取得了十分满意的效果。以后, 又在溜井、贮矿仓等工程中推广使用, 为解决原先存在的技术难题开辟了一个新途径。

2.2 喷射钢纤维混凝土的材料与施工 2.2.1 各组成材料

胶凝材料525^#普通硅酸盐水泥;

细集料中粗砂, 细度模数为3.66;

粗集料碎石, 最大粒径Dmax≤20mm(个别工程使用雨花河卵石, 最大粒径Dmax≤8mm);

钢纤维普通冷拔钢丝, f0.4mm ×25mm;

速凝剂红星一型或711型;

常用配比1:1.6:1.6(水泥:砂:石)

钢纤维掺量4%(与混凝土的重量比);

速凝剂掺量3%(与水泥的重量比)。

2.2.2 主要施工设备

(1) 喷射设备(ZHA —2型混凝土喷射机)

生产能力  5m³/h(喷射素混凝土指标);

输料管直径  50mm;

骨料最大粒径  25mm;

最大输送距离  水平200m, 垂直60m。

(2) 运输设备(ZOB型电瓶运料车)

载重量  2t;

行车速度  10~12km/h;

电机功率  3kW;

最小转弯半径   3690mm;

外形尺寸:3120mm ×1250mm ×1180mm。

(3) 上料设备(自制小型皮带运输机)

长度   4m;

皮带宽   400mm;

尾部带机械振动筛, 筛孔直径  20mm;

上料高度  430mm;

电机功率   3kW。

2.2.3 喷射钢纤维混凝土的配制

喷射钢纤维混凝土配料必须拌合均匀, 否则钢纤维极易引起结团, 造成喷射机拨料盘堵塞或堵管事故, 影响喷射作业正常进行。具体的拌合方法是先把水泥、砂、石搅拌均匀, 然后再掺入钢纤维和速凝剂, 再拌合待用。

2.2.4 钢纤维混凝土的喷射与回弹

喷射钢纤维混凝土时, 喷枪手的操作与普通混凝土相同。实测钢纤维混凝土的回弹, 在喷射距离1.2m左右时, 垂直墙面喷射, 回弹量为20%~25%, 通过对回弹料的进一步分析观测, 其中钢纤维含量均未超过原掺量4%。

2.2.5 喷射效率与输送胶管磨损

据现场实测, 喷射单一混凝土效率为4m³/h; 喷射钢纤维混凝土效率为2.5~3m³/h; 喷射钢纤维混凝土的效率要低25%~37%。喷射钢纤维混凝土时, 输料胶管的磨损比普通喷射混凝土要高(高30%~40%)。磨损最严重的是胶管拐弯处, 为此, 每班应将胶管翻转1~2次, 以延长胶管的使用寿命。

喷射钢纤维混凝土时, 其风压一般为1.5~1.8MPa(输送距离≤40m)比普通混凝土高0.2~0.5MPa, 这样可减少堵管事故。

2.3 喷射钢纤维混凝土技术经济效果分析

实践证明, 喷射钢纤维混凝土可以产分代替锚喷网支护, 且支护成本下降10.7%, 见表 1。

相对干锚喷网而言, 喷射钢纤维混凝土可简化施工工艺, 提高工效等综合因素, 在实际的工程应用中, 优越性更大。喷射钢纤维混凝土与锰钢板加固矿闸门侧帮的经济比较, 参见表 2。

从表 2可知, 应用钢纤维加固费用可降低52.7%, 使用情况良好, 加上施工简便、速度快, 有较好的推广使用价值。

3 钢纤维混凝土增强作用力学机理

钢纤维在混凝土中的主要作用, 限制在外力作用下水泥基体中裂缝的扩展。钢纤维对混凝土的增强作用可归结为:①显著地提高混凝土的韧性或能量吸收能力。②提高混凝土的极限抗拉强度或应变。③改善混凝土控制裂纹宽度的能力。在受载(拉、弯)初期, 混凝土基体与钢纤维共同承受外力, 前者是外力的主要承受者; 混凝土基体开裂后, 联结裂缝的钢纤维成为外力的主要承受者。若钢纤维的掺量超过一定的百分比, 整个钢纤维混凝土复合材料可继续承受较高的荷载, 并能承受较大的变形, 直至钢纤维被拉断或从基体中拔出。

钢纤维对混凝土的增强作用的力学机理如图 1所示。图 1所示混凝土板, 普通混凝土在拉伸荷载的作用下, 椭圆形裂纹处将产生图 1(a)所示的应力集中, 而SFRC由于在混凝土基体中掺入了乱向分布的钢纤维, 受拉时, 跨越裂缝面的钢纤维就起联结作用, 将荷载传递给裂缝的上下或左右表面, 使裂纹区仍能继续承担荷载。这样, 由于裂纹的出现而传递给缝边的荷载就减少了, 缝边应力集中也就因此而减缓, 如图(1)b, 钢纤维对裂纹的联结作用, 使裂纹的进一步扩展受到抑制。因此, 钢纤维的掺入, 使得本质上呈脆性的混凝土在很大程度上表现出塑性特征, 这种特征随钢纤维掺量的增加而愈加明显。

应该指出, SFRC内部实际应力场并不是如图 1(b) 所示那么简单, 而是非常复杂, 以至于理论上精确的应力分布几乎不可求得。但是, 裂缝的扩展最终总是趋向于主拉应力垂直的方向。因此, 可以将其简化为为断裂力学中所谓的Ⅰ型应力场, σ_f作用在等效混凝土构件的裂缝表面上, 等效混凝土构件的尺寸与SFRC构件的几何尺寸完全相同, 于是可将混凝土基体和钢纤维各自的应力全部转化为等效构件上的应力σ_m和σ_f。参考文献[13]的有关内容, 可知等效构件上钢纤维与混凝土基体的平均应力分别为^[4] :

式中: A-原SFRC构件的截面面积;

A_f-截面A上钢纤维的总横截面面积;

σ_f -乱向分布的钢纤维在等效普通混凝土构件上沿主拉应力方向的平均阻裂应力;

σ_m-SFRC中混凝土基体所承担的实际拉应力在等效构件上的平均应力;

l_f-钢纤维的长度;

d_f-钢纤维的直径;

V_f-钢纤维的体积含量;

V_m-混凝土基体的体积含量。

4 结语

(1) 梅山铁矿的实际应用证明, 喷射钢纤维混凝土具有象喷网一样较高的强度和适应大变形特性, 更具有整体均匀的高强度特性, 特别适用于溜井、进路、贮矿仓等既要求支护强度高, 但在变形破坏后又能发生"粉碎性破坏"的工程中。

(2) 在用无底柱采矿方法的进路中, 常会遇到一些岩体不良地段, 掘进后即用喷射钢纤维混凝土支护, 既能解决早期支护问题, 而且在二、三年后进行爆破回采时, 又能较好地适应爆破动压的影响, 充分发挥其大变形与残余强度存在的特性而保证回采工作安全地进行。

(3) 用喷射钢纤维混凝土处理巷道冒顶区, 在施工速度、安全性等方面, 也优于传统的锚喷网支护。

(4) 钢纤维混凝土性能优异, 施工工艺简单, 工序少, 无需特殊的设备, 施工期限短, 综合经济效益明显。因此, 随着近年来钢纤维的国内生产技术的迅速提高, 钢纤维的价格不断下降, 钢纤维混凝土在我国的工程应用范围必将越来越广泛。