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聚丙烯纤维喷射混凝土在隧道初期支护中的应用
文 / 赵洁冰
- 聚丙烯纤维混凝土的特点及功能
聚丙烯纤维是一种新型高分子材料，采用改性母料添加到聚丙烯切片中进行共混、纺丝、拉伸、切断而制成的用于砂浆混凝土抗裂防渗的工程纤维。 聚丙烯纤维比重为0.91，强度高，抗拉强度可达200～300MPa，弹性模量≥3500MPa，完全不吸水，为中性材料，与酸碱不起作用，导热导电性极低，燃点590°C。掺在混凝土中的聚丙烯微纤维长度一般为12～30mm，直径30—60微米。当掺量仅为混凝土体积的0.1%时，在1m3混凝土中可以有数百万根至上千万根纤维随机分布,使混凝土性能得到很大改善。在混凝土内掺入聚丙烯纤维并经搅拌后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；同时由于细微，故比表面积大，若分布在1m3的混凝土中，则可使每1cm3的混凝土中有近二十条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。当混凝土到硬化前最脆弱的时期，这时混凝土仍未产生足够的强度以抵抗水泥收缩应力导致微裂缝时，加入的纤维可以部分抵消内部应力，抑制微裂缝产生和发展。同时纤维的加入可以改善裂缝尖端的应力，集中防止裂缝进一步发展。当裂缝发展与纤维相交时，纤维可以抵消部分或全部应力。加入的纤维是三维不定向分布，有助于削弱混凝土的塑性收缩。收缩的能量分散到每立方米中千万条具有高抗拉强度和较低弹性模量的纤维丝上，有效地增强了混凝土韧性，抑制微裂缝的产生和发展。同时无数根纤维在混凝土内部形成支撑体系，有效阻碍骨料的离析，使混凝土粘聚性好，从而阻止了由于干缩引起的裂缝产生。所以混凝土中掺入少量聚丙烯工程纤维，在混凝土内部有害裂缝（宽度大于0.5mm）的数量得到有效控制，降低了渗透性，有利于混凝土硬化。同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。实践及研究都表明，在混凝土中加入聚丙烯纤维可作为一种有效的混凝土温差补偿抗裂手段。
用于喷射混凝土，在不改变混凝土物性的基础上，它能形成厚实的混凝土层，大幅度降低混凝土回弹率，因此，提高了一次成型厚度，施工时减小材料消耗，提高工程质量，降低工程成本。
- 聚丙烯纤维喷射混凝土施工工艺
- 施工配合比
聚丙烯纤维的使用极为方便，无须改变原设计混凝土的配比。一般情况下每立方混凝土掺入量为0.6-1.2kg, 纤维长度为15～19mm。灰骨比为1：4—1:5,砂率为45%—55%，水灰比为0.4—0.5。
- 拌合顺序及搅拌时间
聚丙烯纤维与骨料的拌合在干拌状态下进行，加入干料砂、石、水泥、纤维一起干拌。纤维投放不受其它混合料投放顺序限制，投料次序先后不会影响纤维的强度和均匀分布。搅拌时间以4—5min为宜。
- 原材料
（1）、水泥：优先选用标号不低于42.5＃的普通硅酸盐水泥。
（2）、砂：宜选用坚硬耐久的中粗砂，细度模数大于2.5，其中直径小于0.075mm颗粒不应超过20％，砂的含水率控制在5％～7％。否则影响水泥与骨料的粘结。细骨料的颗粒级配满足下表的要求。
筛孔尺寸
（mm） |
通过百分数
（以重量计） |
筛孔尺寸
（mm） |
通过百分数
（以重量计） |
10 |
100 |
0.6 |
25—60 |
5 |
95—100 |
0.3 |
10—30 |
2.5 |
80—100 |
0.15 |
2—10 |
1.2 |
50—85 |
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（3）、碎石：卵石或碎石均可，粒径不宜大于15mm，且级配良好。当使用碱性速凝剂时，石料不得含有活性二氧化硅。粗骨料的级配应符合下表的要求：
筛孔尺寸（mm） |
通过每个筛子的重量百分比 |
级配1 |
级配2 |
15 |
100 |
90—100 |
10 |
85—100 |
40—70 |
5 |
10—30 |
0—15 |
2.5 |
0—10 |
0—5 |
1.2 |
0—5 |
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?（4）、水及外加剂：与普通喷射混凝土要求相同。
4、聚丙烯纤维喷射混凝土的施工工艺
根据混凝土不同的搅拌和运输工艺不同，分为干喷和湿喷两种方式，从喷射效果来看，最好采用湿喷。
（1）、岩面处理：用高压水将基岩表面松动岩块、石粉冲洗干净。喷射前，用喷射机在工作面上洒适量水，保持一定湿度，提高岩面粘附力。?
（2）、混合料的拌合：混合料采用强制式搅拌机在短时间内完成，应拌合均匀，随拌随用。
（3）、喷射作业：根据混凝土不同的搅拌和运输工艺不同，分为干喷和湿喷两种方式。 采用干喷时，骨料的选择很重要，其最大粒径不得超过15mm。干喷施工，对混凝土质量影响最大的是水灰比，这只能通过工人高水平地操作来实现。采用湿喷则要省事得多，喷射手无需关心控制水量的准确程度，只要在拌合时将水灰比控制好即可，另外当按0.9kg/m3的掺量掺加聚丙烯纤维，其中有5%起润滑作用，将减小输送壁与骨料间的摩阻力，从而能降低了泵送压力。喷射作业应分段由下而上顺序进行，喷嘴至工作面的距离一般为0.8～1.0m；喷射角度应控制在80～90°左右；喷嘴处的风压一般控制在0.3～0.5Mpa；喷嘴应按螺旋形轨迹移动。
（4）、回弹量调整：开始时回弹量较大，形成塑性层后，粗骨料嵌入，回弹量减少，一次性喷射混凝土厚度不小于6cm，在掺速凝剂的情况下，拱顶6～8cm，边墙7～10cm。
（5） 养护：应在混凝土终凝2h后，喷水养护，养护时间不低于14d。
三、试验结果分析
采用以上施工工艺，在宝平线段木梁隧道进行试验（选取50米，分别在隧道拱顶、边墙进行试验，试验采用干喷方法。喷层要求厚度25cm，喷射混凝土要求强度20mpa）现场测试结果如下
项???? 目 |
普通喷射混凝土 |
聚丙烯纤维喷射混凝土 |
回 弹率（%） |
顶 拱 |
25.7 |
14.8 |
边 墙 |
18.3 |
10.1 |
抗压强度（mpa） |
28.6 |
29.2 |
另外，在试验中我们发现采用聚丙烯纤维喷射混凝土段相比较普通喷射混凝土段混凝土凝固时产生的微裂缝明显减少；采用聚丙烯纤维喷射混凝土段喷射作业面光洁平整度较好；进行抗压强度试验时普通喷射混凝土试件在受压破坏后，往往成断裂状，而聚丙烯微纤维喷射混凝土试件在受压破坏后，仍能保持一定程度的整体性。
1、试验结果分析
从试验结果可以看出在喷射混凝土中加入聚丙烯纤维能明显降低回弹率，回弹率降低值达8%—9.7%。抗压强度有小幅提高。同时加入聚丙烯纤维能阻止收缩龟裂，增强混凝土的抗裂能力和韧性。
2、经济效益分析
采用聚丙烯纤维喷射混凝土回弹量较普通喷射混凝土降低9%，按每m3普通喷射混凝土费用为500元计，每吨聚丙烯纤维费用为4万元计，每喷射完成1m3的工程量，聚丙烯纤维喷射混凝土费用为500*1.22=610元，普通喷射混凝土费用为536*1.125=603元平均每完成1m3的工程量降低费用7元左右。但加入微纤维后混凝土的各项性能都得到了很好的保证，强度与挂网喷混凝土相当。因而在隧道初期支护中采用喷聚丙烯纤维混凝土是经济的，设计比较先进合理。
- 结束语
通过试验可以得出这样的结论：在喷射混凝土中加入聚丙烯纤维，能提高混凝土的粘稠性；能在岩壁上形成较厚的喷射厚度，喷射作业面的光洁平整度较好；能大幅度降低回弹率；能使混凝土的抗裂性、韧性有明显提高，有效的节约施工成本。综上所述，在相同强度要求下，在喷射混凝土中加入聚丙烯纤维相较喷射普通混凝土在经济上是合理的，在质量上是有保证的，建议予以推广应用。
作者单位：承德市公路工程质量监督站
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