喷射玻璃纤维（共8篇）
喷射玻璃纤维 篇1
0 引言
火灾给人类的生命财产带来了极大的损失, 特别是近年来, 由于建筑物高层化、大规模化及用途的复合化, 火灾发生的因素也随之增加、火灾规模也日趋扩大。为避免或减少建筑物在火灾中发生垮塌, 建筑物的耐火性能这个概念应运而生。耐火性能是材料或组件承受火灾并且保持其结构功能和 (或) 将火灾限制在一定空间的性能。因此从概念上讲, 耐火性能的应用是在建筑物可能暴露于火灾的情况下, 通过采用防火墙和耐火屋面板等方式防止成片的城市区域被火灾烧毁。为达到该目标, 承重或非承重的建筑构件都必须设置防火保护并能阻挡火灾蔓延。目前, 最广泛使用的隔热材料是矿物纤维涂覆材料, 统称为喷射耐火材料。
1 喷射无机纤维防火护层材料的历史
喷射无机纤维防火护层材料, 欧美在20世纪50年代就开采用。日本在20世纪60年代曾大量采用喷射石棉无机纤维防火护层作为钢结构建筑的耐火被覆材料, 后由于石棉粉尘会癌的问题, 而被禁止使用。为此, 人们用人造无机纤维作为石的替代品。1972年, 美国材料与试验协会制定了有关矿物纤维喷射技术及施工规范标准。在2000年修订的ASTM准中, 把这种材料称为SFRM翻译为喷射防火 (或阻抗火) 材料, 定义为喷射到基材上以提供对基材进行防火保护的材料。它包括喷射纤维类材料和喷射水泥类材料这2大类。我国一般称之为喷射无机纤维防火保护材料。
2 喷射无机纤维防火护层材料的组成及特点
喷射无机纤维防火护层是将粒状无机纤维通过喷射施工方式, 喷打在被附着表面 (基面) 上, 生成的粒状棉与粒状棉再相互聚集, 而成附着在基面上有一定形状的纤维层材料。为使粒状棉与粒状棉之间相互结合紧密形成一体, 牢固地附着在基材表面, 除了喷射打击以外, 还需配上粘接剂。喷射无机纤维防火护层材料具有以下优点: (1) 对钢、混凝土和木材有很好的附着力。 (2) 导热率低, 尤其是在火场高温下。 (3) 质量轻, 所增加的质量不大, 在结构可承受的范围内。 (4) 在高温火场中, 厚度没有明显变化, 护层不熔化、不脱落, 能够使被保护构件达到sh以上的耐火极限。 (5) 产品经济, 材料费、生产费和施工费的总费用低。 (6) 安全性好, 在火场中不产生有毒有害气体。 (7) 耐候性好, 能长时间经受昼夜温差和四季温差以及紫外线的侵袭。 (8) 在结构表面附着的防火护层材料, 其表面可进行第2次装饰处理。
3 喷射无机纤维防火护层材料的防火隔热原理
3.1 在一个物体内部的传递热隔热层的作用是防止热量传入被除却的空间, 其应具有的特性是:导热系数小、容重小、耐高温性好。
平壁所需隔热层厚度见式 (1) :λ=δ[ (TZ-TB) α]/ (TB-TW) (1)
式中:λ为隔热层导热系数;α为空气对隔热层外表面的放热系数;TW为隔热物体的温度;TZ周围环境温度;δ为隔热层厚度;TBB为隔热层外表面温度。
单层平壁导热速率的工作方程式见式 (2) :Q=Ka× (t2-t1/b) =△t/R (2)
式中:Q为传递热量;A为传热面积;△t温度差称为传热推动力;b为单层平壁厚度;R为导热热阻。导热系数k是物质的物理性质之一。其值的大小反映物质导热能力的强弱, 其值越大, 导热能力越强。通常根据导热系数的数值来选择合适的导热材料, 需要减小导热速率的场合选用导热系数小的材料。
也可用式 (3) 表示:Q=A·λ·△T/L (3)
式中:△T为热源与基材的温度差;L为传热距离。
3.2 在两个完全接触的物体内传热在两个完全接触或是一个物体的不同部分, 因为温度梯度的关系而引起内能交换的现象, 热传导可以定义为热流与温度梯度的比值。热能传导时与每单位面积的热传导速率q以及温度梯度成正比, 有:q/A=αT/αx
设定k为比例常数, 可得式 (4) :q″=q/A=-kx (αT/αx) (4)
式中:q″为热流通量;A为热流量面积;αT/αx为热流方向的温度梯度;由此可计算出单位时间所传导的能量。
4 研究的方向及建议
4.1 该种材料与其它相似厚型、薄型防火涂料相比, 最突出的性能是由无机成份组成, 耐候性好、耐火性能稳定持久、多年使用不影响其防火性能、耐火时间高。但是该种材料是一层疏松的隔热防火体系, 不能把它归结为防火涂料。最确切的归类应为喷射无机材料类, 在消防领域开辟这个新型防火保护品种, 发展该行业以及相关产业对发展我国经济, 保护人民生命财产安全具有重要意义。
4.2 急需出台喷射无机纤维防火保护材料的产品行业标准。由于消防产品需要消防产品合格评定中心对生产设备、检测设备等进行验收, 但由于在我国该产品还处于推广应用阶段, 没的统一的验收标准, 合格评定中心也没法开展相应的评定工作。制定相应的标准时不我待。
4.3 对防火保护隔热材料的类型和厚度的选择不应孤立进行, 而应该结合建筑、结构、经济、建设的需求和实践、产品的适用性以及合理的尺寸增长等因素进行选择。通常, 这些实际的因素促成了整个建筑防火保护设计的连贯性和合理的一致性, 并能尽量减少不同构件的差别。
5 结语
随着经济建设的高速发展, 大跨度、超高层建筑越来越多, 喷射无机纤维防火护层材料有着独特的优点, 喷射无机纤维防火护层材料这种结构防火保护新材料的研制成功, 使得我国结构防火保护的措施更加多样化和环保化。
喷射玻璃纤维 篇2
钢纤维混凝土开裂后,受拉侧仍能提供较大的拉力,因此比普通混凝土更适合用于大土压、大变形的`围岩条件.在我国规范中,用钢纤维混凝土的轴拉强度作为开裂后钢纤维喷射混凝土所能承受的拉应力Il].但钢纤维混凝土的轴拉强度并不能反映铜纤堆混凝土构件在受弩过程中,中性轴上升、开裂区扩大,开裂区继续承受弯矩的特征,因此设计上偏于保守.本文介绍了日本规范中对钢纤维混凝土隧道衬砌设计的方法,该方法以断裂力学为基础,既考虑裂缝的存在,又考虑钢纤堆传递拉应力的受力特点.本文还将该方法与施工现场实验数据相结合,确定出武隆隧道钢纤维喷射混凝土衬砌的理论厚度.计算结果表明,只用钢纤维喷射混凝土作为隧道的初期支护能够满足强度要求,从而节省了设置钢拱架或钢筋网等工序,加快了施工进度.
作 者：刘庆 李胜华 Liu-Qing Li Sheng-hua 作者单位：刘庆,Liu-Qing(厦门市政工程设计院重庆分院,重庆,400015)
李胜华,Li Sheng-hua(重庆市设计院,重庆,400015)
喷射玻璃纤维 篇3
随着纤维喷射混凝土在地下及隧道工程中的应用日愈增多,对其喷射技术,如材料、增强机制、力学试验、早期强度、应用与设计等方面的研究显得愈加重要。本文采用理论研究、室内试验和现场应用相结合的方法,研究钢纤维喷射混凝土的室内力学性能,并通过渝宜高速公路摩天岭隧道通风斜井现场喷射试验,为钢纤维喷射混凝土在隧道单层永久衬砌中的推广应用提供参考依据。
1 钢纤维混凝土力学性能室内试验
1.1 试验材料
试验采用的钢纤维为重庆宜筑商贸有限公司生产的剪切波浪型钢纤维,当量直径0.5 mm,长径比60,抗拉强度大于500 MPa;水泥采用华新牌42.5号普通硅酸盐水泥;粗骨料为隧道现场机制碎石,粒径为6.0～10.8 mm连续级配;细骨料采用摩天岭机制砂和宜昌细河沙的复合细骨料,其中机制砂占细骨料的70%,宜昌细河沙占30%,复合细骨料细度模数为2.7;外加剂选用德国巴斯夫公司生产的高效无碱液态速凝剂;硅粉掺量为水泥用量1.80%。
1.2 试验配比
钢纤维喷射混凝土配合比的选定,除了考虑其抗压强度的要求外,还必须考虑其抗弯强度、弯曲韧度系数和抗折性能的要求。试验时钢纤维的几何参数保持不变,着重研究其体积掺率变化(Vf=0.0%,0.4%,0.6%,0.8%)对钢纤维喷射混凝土力学性能的影响。经多次室内试验,确定钢纤维喷混凝土配合比为:m水∶m水泥∶m石∶m沙=1.0∶2.0∶2.5∶2.0,速凝剂掺量占总质量的7%,采用先干拌后湿拌的方法拌和,其配合比见表1。
1.3 试件制作
1.4 试验结果及分析
所有试验按照《钢纤维混凝土试验方法》CECS 13:89进行制作与养护,试验采用WAW-2000型微机控制电液伺服万能试验机,试验采用应变率控制的加载方式,应变率为10-4 s-1,试件选用100 mm×100 mm×100 mm立方体及100 mm×100mm×400 mm小梁试件,分别进行抗压强度、劈裂抗拉以及抗折强度等相应试验。
试验表明:
1)同级别配比条件下,钢纤维喷射混凝土的弹性模量略小于普通混凝土,并且抗压强度提高幅度不大。在同样大小的峰值应力作用下,钢纤维的掺入可以提高混凝土的峰值应变;普通混凝土应力-应变曲线下降段更陡,而钢纤维喷射混凝土的曲线更为平滑,荷载达到峰值后,并非突然下降,这表明普通喷射混凝土呈脆性破坏特征,而钢纤维增强混凝土却表现出明显塑性变形破坏特征。这主要是由于钢纤维的抗拉强度远大于普通混凝土,在基体开裂后由于纤维的黏结作用,使得复合体有明显的残余变形阶段,且韧性明显提高,表现出很大的峰值后变形能力。另外,从钢纤维混凝土抗压试验破坏形式可以看出,其无碎块,无崩裂,基本上保持原来的外形,仅出现了裂缝和小量的表面剥落,进一步说明由于钢纤维的掺入,使得混凝土由脆性破坏变为延性破坏[6,7]。
2)钢纤维混凝土比同样配比的普通混凝土的抗拉强度提高了58.63%。分析其原因,掺入钢纤维后,由于纤维与基体黏结作用,当复合体中的混凝土材料达到极限抗拉强度后,纤维与水泥胶浆硬化体的界面黏结力阻止裂缝的进一步扩展,将拉应力传至未开裂的混凝土硬化体上,直至邻近硬化体的应力达到极限抗拉强度时产生新的微裂缝,如此进行下去,产生多缝断裂,同时将过高的拉应力集中向远处转移,使结构内的拉应力逐渐趋于均匀分布,并最终由钢纤维承担,使钢纤维混凝土的抗拉强度大大提高。
2 工程应用分析
摩天岭隧道是国家重点公路杭州—兰州高速公路巫奉段关键性控制工程,为一座上、下行分离的四车道特长隧道,隧道左线长7 280 m,右线长7 353 m。根据隧道需风量及地形地质条件等因素综合考虑,在左右线各设置斜井一座,分别对左右线进行送排风,其中隧道1号斜井长1 367.31 m,倾角24°21′48″,最大埋深822 m,隧址区穿过的地层由新到老有下统嘉陵江组(T1j)和大冶组(T1d),岩层主要为薄～中厚层弱风化隐晶质灰岩、白云质灰岩及泥灰岩。隧道斜井洞身段原设计采用复合衬砌,II～III初期支护由径向锚杆,钢筋网及喷射混凝土组成,二次衬砌采用35 cm模铸素混凝土,施工揭露的该隧道围岩较完整、稳定性良好,施工开挖洞段岩面干燥,按原设计施工做二次衬砌难度和危险性都很大。因此,对采用钢纤维喷射混凝土作为隧道单层永久衬砌进行研究是十分必要的。
根据设计要求,在隧道II,III级围岩地段选取100 m采用钢纤维网喷射混凝土作为单层永久衬砌试验。表2给出了湿式喷射钢纤维混凝土现场试验段(XJ1K0+702～+802,共5段,每段20 m)强度值。现场试验表明,钢纤维湿式喷射混凝土,其拌和料的和易性良好,强度达到了设计要求,早期强度高,强度离散性小,实测的喷射回弹损失率拱部为14.7%,边墙部位7.5%,作业粉尘浓度1.56 mg/m3。
工程应用试验表明:钢纤维在喷射混凝土中呈三维随机方向均匀离散分布,混凝土与钢纤维的黏结和锚固作用,改善了喷射混凝土的物理力学性能,使其抗弯性、抗拉性、抗剪性、抗冲击力性,抗渗性、抗收缩性、耐久性等多方面,较普通喷混凝土有了较大提高。同时具有很好的柔性和抗裂效应,能很好地适应不规则岩面,使喷混凝土与岩面更加紧贴,有利于充分发挥围岩的自承能力。同时,采用湿喷硅粉钢纤维混凝土施工工艺,改善了施工环境,省去了费时而危险的挂网作业,简化了施工工序,机械化程度高,施工生产能力大,减少循环作业时间,使支护更加快捷、及时,提高了施工和结构的安全性。再有,湿喷硅粉钢纤维混凝土施工工艺具有粉尘少、回弹率低、水灰比准确、喷射混凝土质量稳定、外观平整等优点。
3 结论
湿喷硅粉钢纤维混凝土作为隧道永久衬砌,将是今后喷射混凝土的发展方向,有完全取代传统挂网素喷混凝土的趋势,该项技术在国外项目中已被广泛采用,而国内尚不多见。本文通过对钢纤维喷射混凝土的室内力学性能试验及其增强机制研究,并结合实际工程的应用,可以得出:喷射混凝土由于钢纤维的掺入,从根本上改变了普通混凝土材料的性质,使之由脆性材料变成柔性材料。当钢纤维混凝土喷层受压开裂时,仍具有一定的承载能力,适宜用于隧道的柔性支护。而现场喷射试验说明,钢纤维喷射混凝土用作隧道单层衬砌支护,其早期强度高,回弹率少,施工工艺简单,在适宜的地质条件下,钢纤维混喷凝土可作为隧道单层永久衬砌支护结构。
摘要：对微硅粉钢纤维湿喷混凝土在隧道单层衬砌施工中的应用,进行了系统的分析和阐述。从湿喷硅粉钢纤维混凝土的工艺特点、施工中混凝土配合比选配、工艺流程、技术质量控制等方面,分析了实施隧道单层衬砌的控制方法和要点。并结合以往施工经验,提出了保证硅粉钢纤维喷射混凝土施工质量的控制途径。
关键词：隧道工程,单层衬砌,硅粉钢纤维,湿喷混凝土
参考文献
[1]张俊儒.隧道单层衬砌作用机理及设计方法研究[D].成都:西南交通大学博士学位论文.2007年.
[2]马积薪译.选择挪威法还是新奥法取决于岩体状态[J].世界隧道,1995(5):25-31.
[3]吴成三.及时掌握单层衬砌技术,降低隧道工程造价[J].铁道标准设计,1996(12):1-3.
[4]T Franzen,Shotcrete for Underground Support:a State-of-the-art Report with Focuson Steel-fibre Reinforcement[J].Tunnelling and Underground Space Technology,1992,7(4):381-391.
[5]王志杰.喷射钢纤维混凝土及其在隧道和地下工程中的应用[J].公路,2004(1):145-148.
[6]陈智.秦岭隧道喷射钢纤维混凝土衬砌抗压、抗拉强度分析[J].岩土工程界,2001,4(11):57-59.
喷射玻璃纤维 篇4
关键词：喷射混凝土,钢纤维,硅粉,抗渗性,机理
抗渗性是综合反映混凝土抗渗和耐久性能的重要指标。单层衬砌区别于复合衬砌的一个重要特征就是取消了防水板,靠混凝土自身结构进行防水,为了防止地下水对混凝土和钢纤维的侵蚀,以及符合单层衬砌防排水设计,要求钢纤维喷射混凝土具有较高的抗渗性能,因此钢纤维喷射混凝土的抗渗指标对于单层衬砌结构至关重要。本文按选定的配合比对纤维喷射混凝土的抗渗性能进行室内和现场试验研究,比较了不同类型喷射混凝土之间的抗渗性能,并对其抗渗机理进行了分析研究。
1 原材料
(1)水泥:湖北华新牌42.5级普通硅酸盐水泥,与巴斯夫无碱速凝剂净浆试验初凝时间2.5 min,终凝时间5 min(水温15℃),按照JC 477—2005《喷射混凝土用速凝剂》要求对水泥进行和易性试验,结果表明其和易性良好。
(2)粗骨料:现场配料为隧道斜井工地石场生产机制瓜米石,最大粒径10 mm,5~10 mm级配,颗粒浑圆,表观密度为2580 kg/m3,压碎指标为7.3%,非活性骨料,骨料中细颗粒含量约为25%。
(3)细骨料:为了改善砂的级配,获得良好的混凝土配比,根据GB/T 14684—2001《建筑用砂》对机制砂和河砂进行调配,试验采用工地石场生产的机制砂与湖北宜昌生产的河砂,经过级配调整,确定两者的比例分别为57%和43%,复合砂颗粒级配曲线见图1。
(4)硅粉。现场使用硅粉为重庆建材公司生产的微硅粉,硅粉中无定形Si O2含量大于90%,含水率小于2%,相对密度为2.2,比表面积为21 000 m2/kg,平均粒径为0.1μm。在喷射混凝土中掺入适量硅粉对改善混凝土的孔结构和界面粘结、增加密实度、提高早期强度以及增强耐久性具有重要作用。
(5)钢纤维:重庆宜筑有限公司生产,规格为30 mm×0.5mm(长度×直径)剪切波浪型、30 mm×0.5 mm冷拉端钩和剪切端钩型钢纤维,长径比均为60,其中冷拉型钢纤维弯折性能不小于90%,抗拉强度不低于1000 MPa;剪切型钢纤维弯折性能不小于90%,抗拉强度不低于380 MPa。
(6)速凝剂:巴斯夫化学建材(上海)有限公司重庆分公司生产的高性能无碱速凝剂,p H值为2.4,黏度300 Pa·s,对人体无腐蚀,无毒、无味,初凝时间小于4 min,终凝时间小于8min。速凝剂的作用在于使水泥熟料中的C3A快速水化生成水化铝酸盐而凝结。
减水剂:巴斯夫化学建材(上海)有限公司重庆分公司生产的RHEOPLUS 329聚羧酸高效减水剂,密度为1.07 g/cm3,固含量23.36%,砂浆减水率不小于22%,p H值为6±0.5。
2 喷射混凝土的抗渗试验
抗渗试验分2步进行:(1)以圆台体试件进行室内试验,获得不同喷射混凝土的平均渗水高度及渗透系数;(2)采用室内试验最优配合比,对纤维喷射混凝土进行现场抗渗试验,分析并得出其抗渗性能。
2.1 试验配合比设计
结合实际工程,钢纤维喷射混凝土作为隧道的单层衬砌,并参照CECS 13:89《钢纤维混凝土试验方法》,配合比设计中,混凝土设计强度等级为C30。普通喷射混凝土(SC)配比为m(水泥)∶m(碎石)∶m(砂)∶m(水)∶m(硅粉)∶m(速凝剂)∶m(减水剂)=441∶598∶1112∶226∶37∶31∶4。在配合比设计时,保持2组喷射混凝土中其它材料用量不变,在其中1组添加钢纤维(SFC),掺量为45 kg/m3。
2.2 室内试验
试件制作试模尺寸为:上口直径175 mm、下口直径185mm、高150 mm的圆台体。试件制作时,将试模置于喷射作业面附近,以85°左右置于墙角处,先在模具外的边墙上喷射,待操作正常后,将喷头移至模具位置,由下而上逐层向模具内喷满混凝土。试件在隧道内潮湿环境中养护1 d后脱模,移至实验室进行标准养护,养护至28 d进行抗渗试验。试验前用钢丝刷刷去两端面的水泥浆膜,并将试件周边用腊封闭放入抗渗试模内进行试验。普通喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土的试件各喷射2组,每组6个试件,对于每一种试件,从其中挑选出试件喷射质量较好的6个作为一组进行试验。
喷射混凝土的抗渗标号、透水高度与渗透系数的关系可以用式(1)表述:
式中:k———渗透系数,cm/s;
D——渗水深度,cm;
H———水压力,以水柱高度表示,cm;
t——恒压持续时间,s;
ω——混凝土吸水率,一般取0.03。
试验水压为(0.8±0.05)MPa,试验时间24 h,按式(1)计算得到2组喷射混凝土的平均渗水深度及渗透系数见表1。
从表1可以看出,普通喷射混凝土的最大渗水深度为11.8 cm,而钢纤维喷射混凝土的最大渗水深度为4.9 cm,比普通喷射混凝土减小了58.5%;普通喷射混凝土的最小渗透系数为1.8368×10-9 cm/s,钢纤维喷射混凝土的最大渗透系数仅为0.5211×10-9 cm/s,这说明钢纤维和硅粉的掺入对喷射混凝土的抗渗性有很大的提高。
根据抗渗标号与渗透系数的关系,按设计配合比配制的钢纤维硅粉喷射混凝土其抗渗标号大于S11,甚至可达S16,具有高抗渗性。
2.3 现场抗渗性能试验
现场抗渗管选用长度为4 m、直径为15 mm的水管(最大能承受1.5 MPa的压力),抗渗管端部打孔后在喷射混凝土前埋设于岩壁面上。在里程为XJ1K0+765.6~XJ1K0+747.4(斜长20 m)试验段、XJ1K0+747.4~XJ1K0+729.2(斜长20 m)试验段、XJ1K0+729.2~XJ1K0+711.0(斜长20 m)试验段各埋设1段抗渗管,共计3段。然后按照试验方案要求进行钢纤维喷射混凝土支护,在洞内养护28 d后,在埋设水管内加水压,水压值从0.5 MPa开始,每8 h增加0.1 MPa,直至钢纤维喷射混凝土层出现渗水,试验结束。
现场抗渗试验结果表明,在试验水压加至0.5~0.7 MPa(50~70 m水压)时,各试验段均无渗水现象;在水压加至0.8MPa(100 m水压)时,2 h后,水从试验段XJ1K0+765.6~XJ1K0+747.4(斜长20 m)喷射厚度埋设标志的钢筋处渗出,另外2段完好;在水压加至0.9 MPa(120 m水压)时,XJ1K0+747.4~XJ1K0+729.2(斜长20 m)试验段8 h后无渗水现象,而XJ1K0+729.2~XJ1K0+711.0(斜长20 m)试验段初始无渗水现象,2 h后,水从风管悬挂处渗出。经分析主要由于该处悬挂风管,影响了混凝土的喷射厚度。
结合现场试验结果,由公式Sosm=10P-1(式中Sosm为抗渗等级,P为最大水压)计算得出,隧道斜井钢纤维喷射混凝土的抗渗能力可达到S8抗渗等级,远大于《公路隧道设计规范》规定的隧道衬砌应满足不低于S6抗渗要求。现场试验得到的渗透性等级为中渗透性,并表明钢纤维喷射混凝土是一种耐久的隧道衬砌材料。
3 抗渗机理分析
(1)由于普通混凝土掺入纤维后,纤维的弹性模量相对高于凝结初期喷射混凝土基体的弹性模量,增加了混凝土塑性和硬化初期的抗拉强度,从而有效地抑制了喷射混凝土早期收缩裂缝的产生和发展,降低了混凝土的孔隙率[1,2];同时钢纤维使喷射混凝土基体的失水面积减小,水分迁移困难,从而使毛细管因失水收缩所形成的毛细管张力减小,提高了混凝土的抗渗性。
(2)纤维有效防止微裂缝扩展,阻止微细裂缝的贯通,在钢纤维混凝土的固结硬化过程中,由于重力的作用,钢纤维和固体颗粒将逐渐下沉[3]。乱向分布的钢纤维互相交叉,增大了固体颗粒下沉的阻力,相应地减少了混凝土的硬化收缩,使骨料与砂浆界面之间的原始微裂纹减少。
普通混凝土由于渗水的原因会在其内部形成许多毛细孔。另外,由于混凝土试件表面外露,表面水分的散发速度要大于内部水分的散发速度,所以水会通过毛细孔由内向表传输,并造成一种由内及表的失水趋势。这种趋势会使毛细孔中的液面变为凹型液面,凹液面表面张力沿毛细孔法向方向的分量对孔壁而言是一种拉应力[4,5,6]。这种拉应力也会引起试件微裂纹的产生。在混凝土中掺入钢纤维后,一方面使其失水面积减小,水分迁移较为困难,从而使毛细孔失水收缩形成的毛细孔张力降低;另一方面,依靠高弹性模量钢纤维与水泥基之间的界面吸附粘结力、机械咬合力等,增加了材料抵抗开裂的抗拉强度,从而减少材料原始微裂纹的形成,对提高抗渗性也起到很大作用。
(3)硅粉的颗粒比水泥小20~100倍,可以充填到水泥颗粒中间的空隙中,使混凝土密实;同时硅粉的二次水化作用,新的生成物堵塞混凝土中的渗透通道,故也使得掺入硅粉的混凝土抗渗能力大大提高。
采用美国AMRAY电子扫描显微镜对所制备的喷射混凝土试样进行分析,图2(a)、图2(b)分别为普通喷射混凝土和钢纤维喷射混凝土的扫描电镜照片。
从图2可以看出,在普通喷射混凝土中有针状钙钒石晶体,而在钢纤维喷射混凝土中可见水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙相互交错、互相包容、相互连生为相对密实的胶结体和晶体,使得钢纤维喷射混凝土的结构更加密实,抗渗性能大大增强。
4 抗冻试验结果及分析
钢纤维喷射混凝土的抗冻试验按快冻法进行,试验配合比见表2,测试结果见表3。
注:钢纤维为剪切波浪型;速凝剂掺量按占水泥质量计。
由表3可见,在开始50次冻融循环,抗冻性差别不大;冻融循环次数增加后,不掺钢纤维的A-1混凝土的抗冻指标为100次;掺45 kg/m3钢纤维的A-2混凝土抗冻指标为150次;而钢纤维掺量大于50 kg/m3的A-3和A-4组混凝土,其抗冻指标均大于200次。钢纤维提高混凝土抗冻性的作用十分显著。从表3可看出,冻融循环后,各组混凝土失重较小,而相对动弹性模数下降较多,说明混凝土冻融破坏主要是混凝土内部产生微裂缝造成,而掺入钢纤维有助于抑制和减少微裂缝的产生和发展,从而提高了混凝土的抗冻性。
5 结语
(1)钢纤维的掺入能有效地防止和减少喷射混凝土的塑性收缩裂缝。室内对比试验证明,钢纤维喷射混凝土的最大渗水深度比普通喷射混凝土减小了58.5%,抗渗等级可达到S8,具有很高的抗渗性。
(2)喷射混凝土中由于钢纤维的掺入,可以分散毛细管的收缩应力,有效地抑制裂缝产生,使得裂纹扩展方式更有利于混凝土抗冻,混凝土抗冻能力得到很大改善。
(3)钢纤维喷射混凝土中由于纤维的掺入,使得混凝土中形成了大量、随机、三维分布的纤维丝网,从根本上改变了普通喷射混凝土的性能,具有很大经济、技术优势和推广价值。
参考文献
[1]蔡四维.复合材料结构力学[M].北京:人民交通出版社,1987.
[2]高丹盈,刘建秀.钢纤维混凝土基本理论[M].上海:科学技术文献出版社,1994.
[3]李丽娟,张红州,刘锋,等.纤维与混凝土粘结的界面力学性能研究[J].新型建筑材料,2004(10):1-5.
[4]张红州.纤维混凝土界面力学性能及纤维改性机理研究[D].广州:广东工业大学,2004.
[5]Swamy R N,Mangat P S.A theory for the flexural strength ofsteel fiber reinforced concrete[J].Cement and Concrete Research,1974,14(2):313-325.
喷射玻璃纤维 篇5
纤维素分子之间存在大量氢键,一般较难溶于普通溶剂[8],因此直接制备纤维素纳米纤维具有一定的难度。一般通过纤维素的衍生化或为纤维素选择合适的溶剂,利用电喷射技术制备纤维素纳米纤维。Liu等[9]以丙酮/水混合液为溶剂,对具有一定取代度的醋酸纤维素进行静电纺丝。然后,在氢氧化钾/乙醇中对醋酸纤维素纤维进行水解制得纤维素纳米纤维膜。Kulpinski等[10]用萃取的α-纤维素,以N-甲基吗啉-N- 氧化物(NMMO)为溶剂,采用干-湿静电纺丝法成功制得微/纳米纤维素纤维或颗粒。
为了解决细菌纤维素成型加工困难的难题,并为其应用创造条件。以期制得细菌纤维素纳米纤维,本研究以海南椰子水为主要培养体系,木醋杆菌为菌种,通过添加蔗糖,生物合成高结晶度的BC。分别采用添加离子溶剂[BMIM]Cl[11]和助纺剂聚乙烯醇(PVA)[12]考察该纤维素在电喷射技术下的纺丝性能,进而通过FT-IR、XRD和SEM对产物的性能进行了表征。
1实验部分
1.1试剂与仪器
木醋杆菌实验室自行筛选;海南新鲜椰子水(自然发酵3~5d);硫酸铵(AR)、硫酸镁(AR)、蔗糖(AR)、磷酸二氢钠(AR)、[BMIM]Cl离子溶剂、二甲基甲酰胺(DMF,AR)、三氟乙酸(TFA,AR)、三氟乙酸酐(TFAA,AR)、四氢呋喃(THF, 色谱纯)和PVA 1788,均购于Aladdin;无水乙醇(AR)、硫酸(AR)和氢氧化钠(AR),广州化学试剂厂。
智能生化培养箱(SPX-250),宁波海曙赛福实验仪器厂; 高速离心机(Universal 32R),日本Hitachi公司;凝胶色谱分析仪(GPC,Waters1515),美国Water公司;扫描电子显微镜(SEM,S-3000N),日本Hitachi公司;傅里叶红外光谱仪(FT- IR,Bruker T27型),德国Bruker公司;多晶X射线衍射仪(XRD,D8Advance),德国Bruker公司;高压直流电源,北京市机电研究院高压技术公司。
1.2实验方法
1.2.1 BC的制备与纯化
BC的制备采用本实验室方法[13]。发酵培养基的组分为: 蔗糖2~20g/L,硫酸铵2~5g/L,硫酸镁0.1~1g/L,磷酸二氢钾0.5~3g/L,经高温灭菌20min的自然发酵椰子水。
在发酵培养基中添加木醋杆菌发酵制备BC,发酵培养条件为:pH=4.0~4.1;30℃,静置培养大约3~4d,此时培养基基本完全消耗。取出BC凝胶,水流冲洗多次以去除表面残留物,然后在0.1mol/L的NaOH水溶液中80℃ 煮2次,每次2h,用蒸馏水反复冲洗至中性,此时膜呈乳白色。将膜用粉碎机粉碎,之后冷冻干燥2d,收集产品备用。
1.2.2电纺BC/离子溶剂制备微/纳米纤维素
选用离子溶剂[BMIM]Cl溶解BC,再辅助添加一定量的有机溶剂DMF,具体的添加方案如表1所示。将配制好的混合溶液静置消泡后,在环境温度25℃,相对湿度40%,20kV静电压、喷丝口距接收板距离为20cm、流速为0.4mL/h的参数条件下进行静电纺丝,得到电纺微/纳米纤维素。
1.2.3电纺BC/PVA复合溶胶制备微/纳米纤维素
依据文献[14]配制BC溶胶悬浮液。将冷冻干燥好的样品用粉碎机粉碎成60目再与质量分数为65%的浓硫酸溶液以1∶15的比例均匀混合,在超声频率功率40Hz下于60℃超声处理3h,得到乳白色悬浮液,然后将此悬浮液在8000r/min下高速离心至上清层呈水溶胶状,收集该溶胶体,得到纳米纤维素晶体胶体,放入透析袋中,以去离子水为透析液,透析至胶体的pH值达到6~7。配制1%(wt,质量分数,下同)纤维素溶胶悬浮液,然后通过冷冻干燥浓缩分别得到2%、5% 和10%的纤维素溶胶悬浮液,制得的溶胶状悬浮液与10% PVA按30∶70体积比进行混合溶解,得到的混合液进行超声处理获得BC/PVA复合溶胶。再按照1.2.2节方法进行静电纺丝。
1.2.4 BC和电纺产物的表征
BC通过添加一定量的TFA和一定量的TFAA衍生化后测其分子量,将BC衍生物溶于色谱纯的THF中,采用凝胶色谱测其分子量。色谱柱为聚苯乙烯凝胶柱,标样为聚苯乙烯, 柱温为45℃,流速为1mL/min,保留时间为15min。
采用溴化钾压片法,以傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对BC和电纺微/纳米纤维素的结构官能团进行表征。以扫描电子显微镜(SEM)观察电纺微/纳米纤维素的表观形貌;采用X- 射线衍射仪对纤维素样品结晶度进行测试。测试条件:Cu靶,管压40kV,管流40mA,扫描范围为5~60°。其谱图按式(1)[15]计算结晶指数(Crystallinity Index,CI)。
式中,I020为最大衍射峰的强度;Iam为2θ=18°时样品中非结晶区衍射峰的强度。
2结果与讨论
2.1 BC的制备
在直径为15cm的圆形培养皿中倒入150mL的发酵培养基,然后用滴管把种子液(接种量为培养基体积分数为4.0%~8.0%)接入圆形培养皿,不断震荡摇匀,之后放入恒温培养箱在30℃恒温下静置培养3~4d后即得到淡黄色的凝胶膜,其实物见图1。纯化后经衍生化处理,以GPC测得其数均分子量Mn为335673;重均分子量Mw为347662;相对分子质量分布指数为1.04,说明采用生物法合成的纤维素相对分子质量分布较为集中。
图2为硫酸水解BC的XRD谱图,在14.7°、17.2°和23.3°处都有衍射峰,在23.3°处的衍射峰最强,说明其结构晶型为纤维素Ⅱ型[5]。按照公式(1)计算结晶指数为97%,高于一般纤维素。水解后的纤维素结晶度高,说明硫酸水解纤维素主要发生在BC中的无定型区。生物合成的BC在酸水解的作用下易制得纳米纤维素晶体,这对于纤维素的研究具有重要意义。
2.2电纺离子溶剂溶解的BC
由于BC较难溶解,固定M(BC)∶M([BMIM]Cl)=1∶24, 使混合液的总质量M=10g,按照表1设计了A、B和C三类离子溶剂溶解的BC混合液。通过静电纺丝装置制得的样品的扫描电镜图如图3所示。由于纤维素分子之间存在大量氢键,分子链刚性较强,未能形成有效的链缠结[8],故而在图3中看不到连续的纤维丝。静电纺丝后的样品除去少许的大颗粒,基本上是粒径在150~400nm之间的纳米纤维素小颗粒, 其中质量分数为3%的静电纺丝样品纤维素分子颗粒基本粘连在一起,并且颗粒的尺寸最大,可能的原因是电纺时有机溶剂DMF质量较少,在纺丝过程中BC和[BMIM]Cl完全聚集在一起,溶液的黏度升高,液滴聚集一块,分散不开。从样品外观形貌来看,其质量分数越小,静电纺丝产物粒径也越小。
[(a)W(BC)=1%;(b)W(BC)=2%;(c)W(BC)=3%]
图4为BC和离子溶剂[BMIM]Cl/BC纺丝产物的红外光谱图。由图可见,3350cm-1处为纯BC羟基的伸缩振动峰, 2897cm-1处为—CH2—的伸缩振动峰,1061cm-1处为C—O伸缩振动峰,1640cm-1处有一个强的吸收峰,它归属于醚的不对称伸缩,对比振动吸收峰,表明了BC中有醚类的特征, 900cm-1处有糖苷键伸缩振动峰,说明BC是由多糖苷键聚合而成。离子溶剂[BMIM]Cl/BC纺丝产物的红外谱图与纯BC对比可以发现,其在3336cm-1处有吸收峰说明纺丝产物中有羟基存在,在2800~3000cm-1处有3个伸缩振动峰表明了它还含有大量饱和C—H键,其余位置的吸收峰位和强弱与BC几乎相同,说明BC在溶解过程中没有发生衍生化反应。
图5中14.7°、16.8°和22.7°的3个衍射峰分别对应BC的(11-0)、(110)和(020)晶面。从图5可以看出,离子溶剂的溶解对BC衍射特征峰出峰位置有较大的影响,不仅改变其峰强度而且晶形也发生较大的改变同时结晶程度也有所改变。 采用公式(1)计算得出BC的结晶指数是87.15,而静电纺丝产物的结晶指数是50.35。计算结果说明纯BC具有高结晶度,由于离子液体破坏了BC中结晶区的聚合键,BC溶解再生后的结晶度下降较大,无定型区增多[11]。
2.3电纺BC/PVA混合溶胶
对BC、PVA及BC/PVA静电纺丝产物进行红外测试,其结果如图6所示。波数在3300~3400cm-1处为O—H之间的伸缩振动峰,2920cm-1处为—CH2—的伸缩振动峰,1061cm-1处为C—O伸缩振动峰,1162cm-1处为C—O—C的伸缩振动峰,900cm-1处为糖苷键的特征峰。由图可见,酸水解BC具有纤维素特征峰,说明酸水解后的BC仍具有纤维素的结构。 图6BC/PVA纺丝中出现了BC的特征峰,且其曲线与PVA基本一致,说明BC/PVA中BC成功的分散在PVA中。
图7为BC/PVA纺丝产物和PVA的XRD图。从图中可看出纯PVA在2θ为20°和40.6°处出现PVA结晶吸收峰,而BC/PVA共混纳米纤维在此吸收峰的强度有所减弱,说明加入BC后,BC分子上的羟基与PVA分子中的羟基产生氢键作用[12],从而导致了共混纤维结晶度的下降。在22.7°处BC/ PVA共混纳米纤维的吸收峰的强度有所加大,而这个峰是BC的结晶吸收峰,这主要是由于加入的BC和PVA是以物理混合方式结合在一起的。
[(a)W(BC)=2%;(b)W(BC)=5%;(c)W(BC)=10%]
在不同的BC含量下所制得的BC/PVA复合纳米纤维扫描电镜图如图8所示。由图可知,当助纺剂PVA的含量为10%,BC和PVA的体积比为30∶70时,所制得的BC/PVA混合溶胶均具有良好的可纺性,且制得的纤维较均一光滑,平均直径在250~400nm之间;图8经软件处理可知,当BC含量为2%、5%和10%时制得的复合纳米纤维在形貌上都是均一的, 但是相对纯PVA纤维的直径明显减小[12],平均直径分别为268、340和375nm。随着BC含量的增大,静电纺丝纤维的直径逐渐增加。由于BC的平均粒径在150~400nm之间,且BC不溶于PVA中,它以纳米颗粒的形态,在分子链氢键的作用下均匀地分散在PVA中。故而当BC浓度增大时,静电纺丝复合纤维的直径增大。随着BC浓度的增大,纺丝溶液的黏度升高,纤维的离散程度上升,纤维逐渐变得不规整,直径分布不均匀,甚至出现纤维黏连现象[如图8(c)所示]。综上所述: BC晶体可能是以核-壳结构形式分布在PVA纳米纤维中。
3结论
采用添加离子溶剂[BMIM]Cl和助纺剂PVA考察合成的细菌纤维素在电喷射技术下的纺丝性能。结果表明:电纺离子溶剂[BMIM]Cl溶解的BC只能得到粒径在150~400nm之间的颗粒,且BC质量分数越小,所得颗粒粒径也越小。当助纺剂PVA的含量为10%,BC和PVA的体积比为30∶70时,电纺BC/PVA混合溶胶可制得粒径均一且表面光滑的纤维。单一的BC不能纺丝,但是它可以以纳米晶体方式分散在PVA纳米纤维中。这对于纤维素物化性能的提高具有积极的促进作用。
摘要：以海南椰子水为主要培养体系,木醋杆菌为菌种,通过添加蔗糖,生物合成了细菌纤维素(BC)。通过添加离子溶剂[BMIM]Cl和助纺剂聚乙烯醇(PVA)考察该纤维素在电喷射技术下的纺丝性能,并采用FT-IR、XRD和SEM对产物的性能进行了表征。结果表明:所制得的BC数均分子量Mn为335673,重均分子量Mw为347662,硫酸水解后的结晶指数为97%。电纺离子溶剂[BMIM]Cl溶解的BC只能得到粒径在150~400nm之间的纳米纤维素颗粒,但是电纺BC/PVA混合溶胶可得到平均直径在250~400nm之间光滑复合纤维。单一的BC不能纺丝,但是它可以以纳米晶体方式分散在PVA纳米纤维中。
喷射玻璃纤维 篇6
湿喷工艺可以使复合材料实现集中制备,突出自动计量、机械化运输与及时支护,使喷射作业进入现代工业化时代。与素喷混凝土相比,提高了弯拉强度、韧性、延性和阻裂能力,可以有效减少混凝土的收缩裂缝,增强混凝土的耐久性和密实性。
1 工艺特点
湿喷工艺是把除速凝剂之外的全部材料,象现浇混凝土那样,在喷射前拌和好,将微硅粉及钢纤维和其他材料一起拌和。输送混凝土可采用泵送或风送作为压送喷射动力,在喷嘴处加入液态速凝剂和压缩空气喷射至岩面。
微硅粉为高温气化SiO2冷凝形成的细小球形颗粒,主要成分为无定性SiO2,具有非常高的火山灰反应活性,颗粒平均粒径为0.15 μm,比水泥颗粒粒径小100倍,其巨大的表面积能非常有效地束缚水分,防止泌水和水分在骨料下表面聚集,从而将净浆—骨料界面过渡区的厚度减小。
钢纤维在喷射混凝土中呈三维随机方向均匀离散分布,通过混凝土与钢纤维的粘结和锚固作用,改善了喷射混凝土的物理力学性能,使其抗弯性、抗拉性、抗剪性、抗冲击力性、抗渗性、抗收缩性、耐久性等方面较普通喷混凝土有了较大提高。同时具有良好的柔性和抗裂效应,能很好地适应不规则岩面,使喷混凝土与岩面更加紧贴,允许变形量和残余强度较素喷混凝土大许多,能吸收较大的变形能,有利于充分发挥围岩的自承能力。
采用湿喷硅粉钢纤维混凝土施工工艺,改善了施工环境,省去了费时而危险的挂网作业,简化了施工工序,机械化程度高,施工生产能力大,缩短了循环作业时间,使支护更加快捷、及时,提高了施工和结构的安全性,使施工更加快速、安全、高效。
湿喷硅粉钢纤维混凝土施工工艺具有粉尘少、回弹率低、水灰比准确、喷射混凝土质量稳定、外观平整等优点。
2 控制要点
2.1 材料选择
2.1.1 钢纤维
材料宜选用冷拔钢丝切断型,外形为两端带弯钩的弓型钢纤维,本身抗拉强度不宜低于1 000 MPa。纤维多选用长度30 mm～40 mm,直径0.5 mm～0.6 mm,长径比40～65。长径比和体积率越大,湿喷钢纤维混凝土力学性能越好,但超过一定限度会发生裹团和堵管,造成施工困难。
2.1.2 微硅粉
微硅粉一般要求SiO2的含量不低于85%,氯离子含量不超过0.02%,含水量不超过3%。比表面积达15 m2/g以上,为普通水泥的50倍～60倍,可以用其取代部分水泥并适当增加用水量,以提高喷混凝土密实度,提高粘附力,降低回弹率,有利于泵送和喷射施工,并提高湿喷钢纤维混凝土的强度、抗渗性和抗冻性。
2.1.3 液体速凝剂
液体速凝剂宜选用无碱系列,在强调绿色环保的同时,弥补国内传统的碱性产品腐蚀性强、和易性差、凝结时间慢、后期强度损失大、掺量大等缺点。无碱系列对钢筋无腐蚀性,早期强度高,后期强度和耐久性(碱—集料反应)基本不损失,有些水泥甚至有所提高,对人体无危害,劳动者身心健康也得到了保障。
2.2 配合比选配
2.2.1 理论配合比设计
配合比设计与普通喷射混凝土设计相似,按照设计文件要求选定水灰比、砂率、骨料级配、水泥用量、速凝剂掺量等指标,其不但关系着混凝土强度,也关系着混凝土密实性和耐久性,是混凝土品质的决定性参数。
液体速凝剂的最佳掺量与合理初终凝时间,对喷射混凝土孔隙率有重要影响。凝结时间过慢,喷层在高压风冲击作用下产生蠕动,会增大回弹与掉块;凝结时间过快,不利于密实(浆体填充、孔隙),且施工成本偏高。
经验上掺量在3%～6%之间,初凝时间控制在1 min～3 min之间,终凝时间在6 min～10 min之间,混凝土早期强度高,粘度大,回弹量小,回弹量一般可控制在8%～13%之间,一次喷层厚可达60 mm～200 mm。
2.2.2 施工配合比的确定
在正式施工前,根据工程实际情况和施工工艺水平,选取3种～4种理论配合比(不同砂率、胶骨比和水灰比)进行现场施工预试验,实测湿喷硅粉钢纤维混凝土的力学性能和回弹率,分析比较后从中选择最优配比。
经验表明:配合比参数变动范围不大,水灰比在0.45～0.55之间;砂率在55%～65%之间;液态速凝剂为3%～7%;微硅粉掺量为8%～12%;钢纤维掺量在38 kg/m3～60 kg/m3之间。
2.3 施工前准备
施工前的准备工作包括设备进入现场,风、水、电系统保证畅通并达到规定标准值,拌合系统和各项配料应保证供应。
1)对第一次上岗的操作人员要进行岗前培训,使其熟练掌握设备性能和操作技巧。
2)为了满足喷射需要,应配置一个易于操作、功率大的空气压缩机,以连续不断提供干净的空气并满足喷枪速度要求。
3)喷射前对岩石表面进行清理,排除渗水,在岩面预喷5 mm～10 mm厚水泥砂浆垫层,以减少回弹量。
4)喷射混凝土前,在输料管中预先加入少量水泥浆,起到润滑作用,并可预喷1 m3～1.5 m3混凝土,以检测各项功能情况。
5)对骨料中超径现象应严格控制,防止发生输料管堵塞和将喷头脱开飞出现象,保证施工安全。
2.4 操作工艺控制
1)喷枪距离。
喷射手在操作过程中,为保证喷射混凝土质量,达到减少回弹量的目的,喷嘴与受喷面的距离,边墙控制在1.2 m～1.5 m,拱部控制在0.8 m～1.2 m。
2)喷射角度。
喷嘴与受喷面应保持垂直,夹角不宜大于70°,不允许小于45°,喷嘴与受喷面的夹角太小,喷射混凝土将会在工作面上产生滚动或不断重叠,不仅浪费材料,且所喷的混凝土多孔、不均匀。
3)喷射方法。
喷射顺序自下而上,先墙脚后墙顶,先拱脚后拱顶,喷枪应连续、平衡地按螺旋状运动轨迹环形旋转喷射,后一圈压前半圈,纵向按蛇形。边墙部位喷射厚度可稍大,控制在10 cm～15 cm左右,拱部应采取多次喷射方式,即第一次喷5 cm左右,其后每层喷5 cm～8 cm左右,后一层喷射应在前一喷层终凝后进行。
4)特殊情况处理。
由于掺入了钢纤维,堵管是湿喷作业过程中最易发生的,喷射作业时应时刻注意观察喷嘴情况,一旦发生堵管,先停主机再关风阀,等管道疏通和清除故障后方能再开机。当喷嘴出料出现脉冲现象时,暂时关闭主电机,主风阀不关,待管路畅通后再开机。
湿喷微硅粉钢纤维混凝土由于水胶比较大,对渗漏水岩面的适应性相对不如干喷,宜按潮喷法喷素混凝土先进行渗水治理,之后湿喷微硅粉钢纤维混凝土至设计标准,以保证湿喷质量。
治水采用“导、集、排、引、堵”相结合的方法根据不同情况分别处理,对岩面存在微量分散的渗水时,喷射从远离出水处开始,逐渐向渗水点逼近,将散水集中,采用挖浅槽导流汇集安设导管排出。对较小量集中的水,采用钻孔插入小导管引出;对较大量的涌水,宜采用钻孔注浆法封堵。
5)混凝土养护。
湿喷硅粉钢纤维混凝土的养护,宜安排在终凝后2 h开始,保持表面为湿润状态,可选用喷淋洒水湿润或喷膜法养护,时间宜控制在10 d～14 d以内。当隧道内相对湿度大于85%时,可采用自然养护。
3 结语
湿喷硅粉钢纤维混凝土作为隧道永久衬砌,将是今后喷射混凝土的发展方向,有完全取代传统的挂网素喷混凝土的趋势,该项技术在国外项目中已被广泛采用,而国内尚不多见。以杭兰高速摩天岭隧道为例,就硅粉钢纤维湿式喷射混凝土的工程特性及施工工艺等方面进行了深入探讨,取得了良好的效果和初步的经验,在直接服务和指导施工的同时,也为下步的同类隧道设计和施工提供了重要的参考价值和指导意义。
摘要：就微硅粉钢纤维湿喷混凝土这一新工艺在隧道单层衬砌施工中的应用,进行了系统的总结和阐述,总结分析了实施隧道单层衬砌的控制方法和要点,提出了保证硅粉钢纤维喷射混凝土施工质量的控制途径。
关键词：硅粉钢纤维,湿喷混凝土,衬砌要点
参考文献
喷射玻璃纤维 篇7
坪土隧道是新建武广客专铁路上的一座双线隧道,位于广东省与湖南省交接处,全长1 907 m。该隧道地层结构较好,主要由弱风化页岩构成,无不良地质影响。全隧进口端94 m及出口端520 m为Ⅳ级围岩,节理较发育,采用模筑衬砌;中部1 145 m为Ⅲ级围岩,地质情况良好,采用喷射钢纤维混凝土作为永久支护,总喷射量12 715 m。
2 喷射钢纤维混凝土配合比设计
2.1 喷射钢纤维混凝土性能试验
喷射钢纤维混凝土是在普通喷射混凝土中掺入分布均匀的钢纤维,依靠压缩空气高速喷射在结构表面的一种新型复合材料,其质量由抗压强度、韧度系数、等效抗弯强度3个指标控制。
通过普通混凝土与钢纤维混凝土韧度的试验比较可以看出,钢纤维能显著改善混凝土的抗裂性能、延性、韧性及抗冲击性能,改善抗疲劳性能;当钢纤维含量为0时,韧度系数和等效抗弯强度均为0。
2.2 配合比选择
1)初步配合比的选择。
该隧道设计要求喷射钢纤维混凝土主要技术指标强度等级C30;韧度系数大于60 mm;等效抗弯强度f>2.5 MPa。喷射钢纤维混凝土配合比设计与普通喷射混凝土设计相似,其强度主要也是由水灰比、速凝剂掺量、骨料级配等决定。
采用不同的水灰比和砂率试验,分析试验结果得到最佳砂率为55%。在最佳砂率得出后做高效减水剂试验,其掺量为0.6%时减水率为11.9%;做速凝剂试验时速凝剂掺量为2.5%～3.5%,掺速凝剂与未掺速凝剂抗压强度比1 d为148%,28 d为82%。通过大量试验,初步选定水灰比W/C=0.47,砂率Sp=55%,M速=3.0%,M减=0.6%,M钢=50 kg/m3;坍落度在试验室内试验值为120 mm～150 mm,施工现场控制在100 mm～140 mm。配合比为C∶W∶S∶G∶M速∶M减=1∶0.47∶1.77∶1.46∶0.03∶0.006,钢纤维含量50 kg/m3。
采用初步选定的理论配合比,在洞内进行第一次试喷,取样进行强度检测,并测试混凝土回弹量。试喷结果为:混凝土抗压强度20.03 MPa,达不到设计要求C30强度等级;韧度系数为64.05,能满足韧度系数不小于60的设计要求;回弹量为28%,偏大。
2)施工配合比的确定。
微硅粉加入混凝土中一般会增加用水量10%～15%,使混凝土粘性更好,无泌水现象,坍落度损失一般在18%～50%,喷射混凝土时可减少回弹量。微硅粉等量取代水泥,用水泥和微硅粉(C+Si)为胶结材,用水胶比(W/(C+Si))代替通常水灰比(W/C)进行计算;分别选择微硅粉掺量为3%,5%,7.5%,10%做试拌,微硅粉含量与强度的关系。微硅粉掺量在7.5%左右时,能获得较高的强度比。
从各项检测数据分析,由于掺入了微硅粉,混凝土的强度和韧度系数均满足了设计要求,且边墙部位一次喷射厚度较大,回弹量较未掺微硅粉时降低了50%,效果良好。
根据几次现场试喷及检测确定,施工时,边墙部位不掺速凝剂,施工配合比采用水泥∶微硅粉∶砂∶碎石∶水∶钢纤维∶减水剂=462∶38∶851∶696∶235∶50∶3;拱部掺加少量速凝剂,施工配合比采用水泥∶微硅粉∶砂∶碎石∶水∶钢纤维∶减水剂∶速凝剂=453∶37∶841∶688∶240∶50∶2.94∶9.8。
3 喷射钢纤维混凝土
1)开机前,必须保证系统风压达到0.5 MPa以上,开机后,随时观察工作风压压力情况,一般控制在0.3 MPa～0.4 MPa,并根据喷嘴出料情况及混凝土回弹情况调整工作风压。2)喷射手在操作过程中,为保证喷射混凝土质量,达到减少回弹量的目的,喷嘴与受喷面尽量要垂直,喷嘴与受喷面的距离,边墙控制在1.2 m～1.5 m,拱部控制在0.8 m～1.2 m。实践证明,喷射距离过近,会造成喷射混凝土松散,而喷射距离过大,则喷射混凝土回弹量增大,混凝土的密实性差。3)喷射料束运动轨迹:喷射顺序自下而上,先墙脚后墙顶,先拱脚后拱顶,料束呈旋转轨迹运动,后一圈压前半圈,纵向按蛇形,每次喷射长度以1 m～2 m为宜。边墙部位喷射厚度可稍大,但拱部应采取二次喷射方式,即第一次喷8 cm左右,第二次喷7 cm左右。4)喷射作业时,喷射手应时刻注意观察喷嘴情况,一旦发生堵管,先停主机,再关风阀,等管道疏通和清除故障后方能再开机。5)停机前停止上料,待料斗中混凝土输送完后,通知喷射手将喷嘴移开受喷面,从料斗中加水清洗,同时,关闭振动机和速凝剂计量泵,当喷嘴喷出清水后,关主电机,稍后再关主风阀,最后停速凝剂辅助风,切断风、电源,清洗湿喷机。6)同一围岩永久支护采用喷射钢纤维混凝土与普通混凝土衬砌比较,通过对双线铁路隧道Ⅱ级围岩地段采用普通混凝土衬砌,与喷射钢纤维混凝土作直接成本分析比较,每米可降低工程成本近0.7万元,经济效益明显。7)当岩面少量渗水时,先按潮喷施工方法素喷20 mm厚混凝土,喷射时从远离出水处开始,逐渐向涌水点逼近,将散水集中,安设导管引出,最后喷钢纤维混凝土至设计厚度。
4 质量检验
1)强度、韧度系数、等效抗弯强度检验在施工中每间隔10 m在拱部和边墙各取1组(3件100 mm×100 mm×100 mm)试件做抗压强度检验(CECS 38∶92),每隔20 m在拱部和边墙各取1组(6件100 mm×100 mm×450 mm)试件做等效抗弯强度检验、韧度系数检验。试件采用现场大板取样、切割成型、标准养护,28 d强度试验。2)厚度检验。每15 m检查1个断面。每断面从拱顶起,每2 m布设1个检查点钻孔。3)钢纤维含量检验。在出料口和回弹物中分别取10 L钢纤维混凝土,以磁铁吸出钢纤维,洗净、晾干后,用天平称其质量,计算混凝土所含钢纤维体积率。
5 韧度系数、等效抗弯强度试验
5.1 试验步骤
1)试验前将试件表面进行画线,粘结角形支承(采用粘性较强的双管胶,不能用粘性较低的502胶水),先安装支架2,再安装支架1,百分表支架的另一端只是放在支架2的固定螺栓上。
2)加载时,应先接触刚性组件(千斤顶),并预加一定荷载,当荷载达到满量程的5%～10%时,接触测力传感器。加载小于5%会出现刚性不足,加载大于10%会出现总变形不足。
3)初裂后减小加荷速度,使试件处于准等应变状态,其条件为:挠度增量最大时的相应速度(μm/s):挠度由0倍～3倍最大荷载挠度时段内相应速度的平均值不大于5 μm/s。
在加荷过程中记录挠度变化速度,绘出荷载—挠度曲线(见图1);当试件有明显裂缝,可以稍增加荷载,缩短试验时间。
5.2 计算方法
1)韧度系数计算。
初裂点的确定。在荷载—挠度曲线图中,找到初裂点及挠度曲线线性部分与非线性部分的交点,此点(见图1中A点)为初裂挠度,用δ表示,利用AutoCAD的工具求出面积OAB,同样求出5.5δ,15.5δ时的面积OACD,OAEF。在美国AsTMC1018-85规范中,定义弯曲韧度指标Ⅰ10和Ⅰ30,分别为变形达到5.5δ,15.5δ时的面积对应的韧度的商值。
2)等效抗弯强度计算。
在做韧度试验的同时,可做等效抗弯试验,只需把挠度测量加大,当挠度δ=1/150净跨度时停止,此时荷载—挠度曲线下面的面积Tb就是变形时吸收的能量,用AutoCAD的工具求出面积,等效抗弯强度f=(Tb×z)/(δ×b×h);试件尺寸为100 mm×100 mm×450 mm,δ=2 mm。
6 结语
喷射钢纤维混凝土作为铁路双线隧道的永久支护在万军迥隧道施工中取得了成功,形成了一套完整的工法,对今后类似的工程施工可提供技术借鉴。同时证明,韧度系数和等效抗弯强度试验可在现场采用带刚性组件的普通液压试验机进行试验,具有较好的经济效益和推广价值。
参考文献
[1]CECS 38∶92,钢纤维混凝土试验方法[S].
[2]AST MC1018-85,钢纤维增强混凝土弯曲韧度和初裂强度的试验方法[S].
喷射玻璃纤维 篇8
在欧洲、日本等国, 钢纤维喷射混凝土已成为隧道支护的主要结构形式和施工方法, 我国干喷法钢纤维混凝土近年来发展的也较快。但是相比欧美、日本等国, 我国目前的相应的研究、技术指导文件、行业标准还是有些滞后, 有关的试验和检验的细节国内尚无相应的标准, 虽然大量引用国外标准内容, 仍缺乏大量工程应用的借鉴。
1 工程概况
卡迈尔公路隧道位于以色列海法市中心, 是由东、西隧道组成, 为双向分离式隧道, 共4座单洞, 全长9495m。该隧道属于暗挖隧道, 洞身穿越砾岩 (Conglomerate) 、白垩岩 (Chalk) 、石灰岩 (Limestone) 、凝灰岩 (Tuff) 、白云岩 (Dolomite) 等, 地质情况复杂, 施工难度大, 其中西隧道穿越的890米火山凝灰岩段地段尤为复杂。隧道不设二次衬砌, 采用C30/37干喷钢纤维混凝土、格栅钢架、砂浆锚杆组成的联合锚喷支护体系作为永久支护;该隧道采用新奥法施工, 安全质量控制采用欧洲及以色列等国家相关安全技术质量控制标准。
2 原材料要求及配合比
该隧道衬砌全部采用C30/37钢纤维喷射混凝土作为永久支护, 大部分喷射混凝土厚度为400mm, 其中凝灰岩地段设计厚度为800mm, 钢纤维掺量设计要求不低于50kg/m3, 采用干喷法施工工艺。
2.1 为了达到最佳施工质量及相关要求, 在进行喷射钢纤维混凝土配合比设计前, 对混凝土原材料都有具体的要求。
2.1.1 钢纤维
根据国内大量的实验研究和工程应用, 在选取钢纤维几何参数和掺量时, 要兼顾钢纤维混凝土强度和韧性以及拌合物的施工性能, 对于隧道衬砌而言, 混凝土的阻裂、增强、增韧效果以及工程的成本是非常重要的, 对于施工有特殊要求的干喷法喷射混凝土, 不仅仅韧性要求较高, 而且还要承受爆破、围岩荷载的情形, 所以选择钢纤维宜细长些、掺量宜高些。本工程选用性能优良的新型高强钢丝切断端钩型纤维, 选用钢纤维长度33mm, 长径比为60, 钢纤维掺量50kg/m3, 体积率约为0.62%。
经试验试配和现场试喷表明, 其增强效果和施工性能以均可满足要求。
2.1.2 水泥
采用CEMI52.5R水泥, 早期强度高, 增长快, 后期强度有保障, 钢纤维混凝土中水泥用量较大, 为360kg/m3～480kg/m3。
2.1.3 细骨料
采用硬质、洁净的中砂为宜。
2.1.4 粗骨料
质地坚硬的人工碎石均可, 喷射混凝土最大粒径不宜过大, 选用粒径为5mm～10mm的碎石。我国喷射混凝土骨料最大粒径通常为15mm, 砂率45%～50%, 但考虑到减少喷射管道输送阻力减少堵管和减少回弹, 及参考当地国家规范, 确定最大骨料粒径为10mm, 砂率为50%～70%。
2.1.5 水
选用饮用水。
2.1.6 速凝剂
隧道开挖中渗水较大时, 为尽快提高混凝土的早期强度, 一般按2%～4%的掺量加入速凝剂。使用前先做与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验, 初凝时间不应大于5min, 终凝时间不应大于10min。经试验选定掺量为水泥质量的3%。
2.2 配合比
根据铁道科学研究院的试验证明, 决定抗压强度的主要因素仍然是喷射混凝土的配合比设计。通过对C30/37干喷钢纤维混凝土强度、抗渗性和抗氯离子渗透性等耐久性特性要求的综合分析, 结合以色列当地原材料特性, 通过计算及试验室反复比选, C30/37喷混凝土理论配合比设计如下所示:
CEMI52.5R水泥, 477kg;机制砂0.15-5mm, 822kg;粗骨料 (碎石) 5-10mm, 803kg;钢纤维, 50kg;速凝剂:MEYCO SA162 (液态) ;水, 238kg。
3 施工工艺与控制
3.1 混凝土拌制、存放和运输
钢纤维在拌和料中的分布均匀性, 不仅与原材料和搅拌工艺有关, 而且受搅拌机械和投料方法影响更大。本工程施工中采用双阶式搅拌站和双卧轴强制式搅拌机。
干喷法施工时, 喷锚料应尽量随拌随用, 掺入速凝剂时存放时间不得超过20分钟, 不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过1小时, 否则被视为废料, 废料不可以再使用。在运输和存放过程中不得淋雨、流入水或其他杂质。
3.2 人员配备
喷射手两人轮换及辅助工作, 兼任工班长;上料四人, 两人一组轮换工作, 每组一人兼任喷射机司机;搅拌3人, 1人为搅拌机司机, 两人轮换兼任运料车司机;另需当值电工1人。
3.3 现场喷射作业
3.3.1 在施工时还应注意风压对喷射钢纤维混凝土的影响。
采用适当的风压是减少回弹损失、钢纤维均匀分布的必要条件。若风压过大, 粗骨料碰围岩后会回弹, 降低风压则横向气流的压力和流速也会降低, 这样不仅会减少钢纤维的回弹损失, 也会改善钢纤维分布的不均匀性;若风压小, 喷射动能小, 粗骨料冲不进砂浆层而脱落, 都将导致回弹量增大。以混凝土回弹量小、表面湿润有光泽、易粘着为度来控制喷射压力。送风之前先打开计量泵, 送风后调整风压, 喷射风压控制在0.45～0.7MPa为宜。
3.3.2
混合料经过10mm的筛后进入混凝土喷射机通过胶管长距离的高速输送, 在喷头处已稍有分离, 水在按比例混合液体速凝剂后在喷头处加入, 喷射应根据当前标定的给水速度和水压调整喷头处的水阀, 按混凝土配合比设计确定的水灰比供水 (扣除拌和时降尘用水) 。
喷射混凝土时, 喷枪要尽量垂直地正对工作面, 喷射方向与受喷面垂直等距喷射, 喷头与受喷面距离1.0～1.5m。若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时, 可将喷嘴稍加偏斜, 但不宜小于70°, 喷头连续平稳地自下而上水平横向移动, 成一圈压半圈的螺旋缓慢移动, 保证混凝土层面平顺光滑。
3.3.3
分层喷射混凝土到设计厚度, 每层厚8～20cm;格栅钢架保护层不小于5cm。整个喷射混凝土表面要平顺。喷射作业分段分片依次进行, 喷射顺序自下而上, 分段长度不大于6m。分层喷射时, 后一层喷射在前一层混凝土终凝后进行, 若终凝1h后再进行喷射时, 先用高压风水清洗喷层表面。在喷射下台阶及仰拱时, 需首先将喷射面清理干净, 禁止回弹料混入下部喷层中形成“蜂窝”, 降低支护体系的强度。喷射过程中必须注意回弹物对工作人员的伤害, 应加强防护, 特别是对眼睛的防护。
3.3.4 养护
混凝土施工质量的好坏, 受养护的影响相当明显。因此在混凝土喷射完毕后要及时洒水养护, 其养护时间不应小于14d。
4 试验控制指标及性能研究
测试方法及控制指标
4.1 钢纤维含量
喷射混凝土钢纤维含量测定时为钢纤维与混凝土干拌料比值的百分数。
4.2 抗压强度
混凝土试验检测为实体钻心取样检测, 根据检验频率随机选取取芯位置, 由第三方试验室进行取芯试验检测。如取样不合格, 则加倍取样, 若仍有不合格试样, 则判定此检验批混凝土为不合格。C30/37混凝土的标准立方体抗压强度为37MPa, 其标准圆柱体轴心抗压强度为30MPa, 经计算后对比试验验证, 试验芯样28d的抗压强度不小于42MPa, 且单个芯样的强度值不小于90%设计强度。
4.3 粘结强度
混凝土的粘结强度即为喷射混凝土与岩石的粘结强度。
4.4 缺陷等级
混凝土的缺陷等级通过钻芯所取试样的来评价其外观缺陷等级, 其结果与钢纤维混凝土搅拌的均匀性和喷射混凝土的喷射水平有很大关系。
喷射混凝土的各试验项目控制指标见表1。
5 结束语
卡迈尔隧道工程实践证明, 钢纤维喷射混凝土本身施工快捷、方便, 有利于工程质量安全和进度, 在适应隧道施工空间有限、隧道断面多变, 横通道避车洞多等作业施工条件等方面具有明显的优越性。同时, 混凝土质量及施工进度对配合比的选择和施工工艺有较高的要求, 所以在施工前的精心比对选取配合比和施工前的试喷非常重要;另外, 钢纤维的掺量对混凝土的工作性也有很大的影响, 应引起重视。
摘要：文章分析了钢纤维喷射混凝土对原材料的要求, 结合钢纤维喷射混凝土隧道衬砌施工的特点, 重点进行了配合比和锚喷、网喷施工工艺方面的研究, 解决了钢纤维喷射混凝土隧道衬砌的集料回弹率大、结团堵管、强度不够等常见问题, 加快了施工进度和降低综合成本的效果。本文对类似隧道的设计与施工有一定的参考价值。
关键词：钢纤维喷射混凝土,隧道衬砌,新奥法,施工工艺,控制指标
参考文献
[1]STATE OF ISRAEL.CHAPTER54:General Specification[M].2nd edition.Updated, 1997.
[2]怀平生.以色列卡迈尔隧道凝灰岩段设计施工技术[J].铁道建筑, 2009 (11) :30-33.
[3]程庆国, 等.钢纤维喷射混凝土理论及应用[M].北京:中国铁道出版社, 1999.
[4]BRITISH STANDARDS INSTITUTION.BS EN206-1:2000Con-crete-Part1:Specification, performance, production and conformity.
[5]中国工程建设标准化协会标准:CECS38:2004纤维混凝土结构技术规程及条文说明[S].北京:中国计划出版社, 2004.
[6]EFNARC1996.European specification for sprayed concrete[OL].www.cfnarc.org.