钢纤维混凝土在隧道支护中的应用分析

摘要：本文介绍了钢纤维喷射混凝土的特性、增强机理、材料选用、施工工艺，结合工程实例阐述了钢纤维喷射混凝土在性能和施工等方面的优点以及它带来的经济效益。

关键词：钢纤维；混凝土；隧道；支护；应用分析

Abstract: This paper introduces the steel fiber sprayed concrete characteristics, reinforcement mechanism, material selection, construction technology, combined with the engineering examples, this paper elaborates the steel fiber shot crete advantages in the performance and construction and its economic benefit.

Key words: steel fiber; concrete; tunnel; support; application analysis

中图分类号：TU7文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

钢纤维喷射混凝土作为一种新型的支护材料，施工简单，快速，目前在国内的隧道工程中已积累了相当成功的经验，取得了良好的经济效益和社会效益，相信随着工程技术人员的不断努力，钢纤维喷射混凝土技术会在我国的隧道工程中得到更广泛的使用。

1 概述

1.1 钢纤维喷射混凝土的定义和特性

钢纤维喷射混凝土（Steel Fiber Reinforced Shotcrete）是由水泥、水、中粗砂、骨料、钢纤维及必要时掺入外加剂或掺和料按一定比例配制而成的，籍助于空气压力以高速喷射至受喷面而形成的散布有不连续钢纤维的砂浆或混凝土。与素混凝土相比，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，使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性性能的复合材料，从而改善了结构的使用寿命；同时在施工时避免了挂网操作，可以实现无模化快速施工，具有重要的经济效益和社会效益。

1.2钢纤维的分类

钢纤维按材质可分为：碳钢型，低合金钢型和不锈钢型；按形状可分为：平直形和异形，异形钢纤维可分为压痕形、波形、端钩形、大头形和不规则麻面形；按生产工艺可分为：钢丝切断型，薄板剪切型，熔抽型和钢锭铣削型；按强度可划分为：380级(抗拉强度≥380N/mm2，

1.3钢纤维混凝土的增强机理

混凝土的抗拉强度较低，一旦开裂后会发生脆性破坏，利用钢纤维进行增强处理后，钢纤维能够控制裂缝的开展，并且传递拉应力，产生应力重分布，从而提高混凝土的裂后强度，使混凝土据有相当的弯曲韧度，和素混凝土相比，钢纤维混凝土在发生变形后仍能承担荷载。实验表明，普通钢纤维混凝土主要是因为钢纤维被拔出而破坏，而不是因钢纤维拉断而破坏，钢纤维的抗拉强度一般都能满足要求。根据钢纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂理论，以及大量的试验数据，得出纤维的增强效果主要取决于基体强度(fm)，纤维的长径比，纤维的体积率(钢纤维混凝土中钢纤维所占体积百分数)，纤维与基体间的粘结强度(τ)，以及纤维在基体中的分布和取向(η)的影响，而改善纤维与基体间的粘结强度是改善纤维增强效果的主要控制因素之一，其主要方法有：增加钢纤维的粘结长度（即增加长径比）；改善基体对钢纤维的粘结性能；改善钢纤维的形状，增加钢纤维与混凝土之间的摩阻力和咬合力。

2 材料选用

钢纤维喷射混凝土的强度等级不应低于C20，钢纤维表面应洁净无锈无油，无粘结成团现象，保证钢纤维与混凝土的粘结强度；水泥强度等级不低于32.5；粗骨料应选用质地坚硬，级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石或碎卵石。粗骨料颗粒中，针片状颗粒含量不宜超过5%，且不得混入风化颗粒，含泥量不应大于1%，泥块含量不应大于0.5%；细集料宜采用天然中粗砂或机制砂，砂粒必须坚硬、洁净、干燥、无杂质、颗粒均匀，细度模数为2.0～3.0，含泥量不大于3%；外加剂选用优质减水剂，对抗冻性有明确要求的钢纤维喷射混凝土宜选用引气型减水剂。

3 施工方法

隧道喷射混凝土根据工艺流程一般分干喷、、湿喷和混合喷四种。主要区别是各工艺的投料程序不同，特别是加水和速凝剂的时机不同。

3.1干喷：干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定比例干拌均匀，然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态压送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上。干喷使用的机械结构较简单，机械清洗和故障处理容易。但其缺点是容易产生较大的粉尘，回弹量大，加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制比较难而且与操作手的熟练程度有关。

3.2：是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的，其喷射工艺流程和使用机械同干喷工艺。目前施工现场较多使用的是工艺。

3.3湿喷：是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出。湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少，作业安全，但对喷射机械要求高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不易使用湿喷。

3.4混合喷射：又称水泥裹砂造壳喷射法，它是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SCE砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，其关键是水泥裹砂（或砂、石）造壳技术。混合喷射工艺使用的主要机械设备与干喷工艺基本相同，但混凝土的质量较干喷混凝土质量好，且粉尘和回弹率有大幅度降低。但使用机械数量较多，工艺较复杂，机械清洗和故障处理很麻烦。因此混合喷射工艺一般只用在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中。

由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和混凝土强度较低，一般只能达到C20，混和喷射和湿喷则可达到C30～C35。

4 关键技术

4.1混凝土拌制

钢纤维在拌合料中的分布均匀性，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。对于钢纤维混凝土，宜采用机械拌合。当钢纤维体积率高，拌合物稠度较大时，搅拌机一次拌和量不大于其额定拌和量的80%。搅拌的投料次序和方法以搅拌过程中钢纤维不结团，不产生弯曲或折断，不因拌和机超负荷而停止运转，出料口不堵塞为原则。宜优先采用将钢纤维、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法；也可先投放水泥、粗细骨料和水，在拌合过程中分散加入钢纤维的方法。钢纤维混凝土的搅拌时间应较普通混凝土规定的搅拌时间延长1～2min，采用先干拌后加水的搅拌方式时，干拌时间不宜小于1.5min。