《喷射混凝土》PPT课件.ppt

喷射混凝土,程良奎,中冶集团建筑研究总院,目录,1、喷射混凝土的特点2、喷射混凝土技术的历史沿革与新进展3、喷射混凝土的应用领域4、各类工程喷射混凝土结构的作用与设计5、喷射混凝土的原材料及其配合比6、喷射混凝土的性能7、干拌法与湿拌法喷射混凝土8、喷射钢纤维混凝土9、喷射合成纤维混凝土,1、喷射混凝土的特点,借助喷射机械、利用压缩空气或其他动力，将按一定比例的拌合料（水泥、骨料、水组成）通过管道以高速喷射到受喷面（岩石、土层、建筑结构物或模板）上凝结硬化而成的一种砼。,特点,在高速喷射时，由水泥与骨料的连续撞击而使砼压密，并可采用较小的水灰比0.40.45；与岩石、混凝土、砖石、钢材有高粘结强度，能在结合面上传递拉应力和剪应力；在拌合料中加入外加剂或外掺料，大大改善喷射砼性能；将砼运输、浇注和捣固结合为一道工序，不要或只要单面模板；通过输料管在高空、深坑或狭小工作区间向任意方位施作薄壁或复杂造型的结构。,2、喷射混凝土技术的历史沿革与新进展,2.1 历史沿革,1914年，美国在矿山和土木工程中首先使用喷射水泥砂浆；1942年，瑞士阿利瓦(Aliva)公司研制成转子式混凝土喷射机，能喷射骨料最大粒径为25mm的喷射混凝土；1947年，德国BSM公司研制成双罐式喷射机；1948年至1953年间兴建的奥地利卡普隆水电站的米尔隧道最早使用。,上世纪50年代初，奥地利 Rabcewicz 创立了以最大限度发挥岩石自支承能力为理论基础的新奥法(New Austrian Tunneling Method)；上世纪50年代，地质条件十分恶劣的奥地利陶恩（Taurus)公路隧道和巴基斯坦贝拉水道工程（宽21m高24m)等大断面隧道采用喷锚支护相继获得成功；,1965年11月，冶金部建筑研究总院在多年研究工作的基础上，在鞍钢张岭铁矿157平洞成功地应用了喷射混凝土支护；,1966年，冶金部建筑研究总院先后在 本钢南芬尾矿坝泄水洞（长2km)及攀钢专用铁路隧道中应用喷锚支护；1966年，铁道部科学研究总院西南所在成昆铁路隧道中应用喷锚支护；,1974年，辽宁回龙山水电站主厂房（宽17.2m高37m）应用单一的锚喷支护取得良好的稳定效果；1980年至今，喷锚支护在我国（矿山、交通、水电）隧道和各类地下洞室工程中获得了广泛的应用及蓬勃的发展。,在大跨度30m左右，高边墙（70m)洞群相互交叉的水电站洞室中，采用单一的喷锚支护，被认为是一种经济有效，能永久保持工程稳定的支护方法。中国隧道与地下洞室中的喷锚支护用量已达世界之首。,2.2 新进展,新型外加剂、外掺料的开发利用，显著改善了喷射混凝土的性能；喷射纤维混凝土的研究与应用成效显著；湿拌法喷射混凝土技术有新的提升和发展；城市土体开挖工程喷射砼应用技术取得新进展；在薄壳、圆顶建筑及充水结构等新建工程中应用日益广泛。,3、应用领域,地下工程异型薄壁结构工程防护工程,岩土工程结构修复加固工程烟囱及各种热工炉窑的修补,4、各类工程喷射混凝土结构的作用与设计,4.1 地下工程喷射混凝土的作用,通过喷射混凝土的及时效应、整合效应、粘结效应和柔效应有效发挥围岩的自承作用，以最小的支护抗力，取得最大的稳定效果。,(a)岩层强度由于过渡沉降而降低；(b)用薄层喷射混凝土支护控制过渡的沉陷保持岩层强度1岩层拱；2岩层节理；3支护上的荷载；4节理张开；5沉陷；6节理轻微张开；7喷射混凝土,喷射混凝土阻止松动控制变形而使岩层稳定,岩层拱抗力曲线原理图,ASPD岩层拱曲线；BS支护过刚；BP支护适宜；DD支护过晚；BF支护过柔,喷射混凝土层抗冲切承载力计算图示,4.2 边坡工程喷射混凝土层的作用,预防风化及雨水对岩石的侵蚀损伤和工程地质条件的恶化；提供对局部不稳定块体的抗滑作用。,喷射混凝土用以加固楔形不稳定块体,1楔形不稳定块体；2喷射混凝土；3喷射混凝土加固楔形不稳定块体,4.3 土钉支护工程喷射混凝土面层的作用,面层的抗剪抗弯能力，可承受土钉头的工作荷载；面层刚度可限制侧向变形；全面覆盖的喷层，可防止雨水冲刷与渗入，保持土体固有强度，十分有利。,喷射混凝土面层的压力分布,土钉头连接处的冲剪力,土钉抗冲剪强度,TFN 土钉头抗冲剪强度；VN 喷射混凝土面层内部抗冲剪强度；CS 面层的剪切压力系数；SV、SH 竖向及横向土钉间距；AV、AGC 见上图。,式中：,5、喷射混凝土外加剂、外掺料与水灰比,（1）低碱与无碱系列速凝剂。这类速凝剂含碱量分别小于0.5和0.3，加入喷射砼中具有凝结快、早期强度高，28d强度损失率小或不损失等特点。郑州兰瑞公司生产的SWJY速凝剂就是一种性能良好的无碱速凝剂。,5.1 外加剂,低碱和无碱液体速凝剂性能检验,5.2 外掺料硅粉,硅粉是制造硅铁金属的一种副产品。将高纯度石英和煤在电弧炉内还原，从过滤炉排除的气体中可得到硅粉。其微粒尺寸为水泥颗粒的1/60，具有很高的活性，掺量一般为水泥质量的10。,优点：,提高抗压强度，增强结构密实性，提高抗化学侵蚀和机械破坏的能力；增强喷射混凝土与其他介质的粘结效应；减少回弹；大大减少粉尘。,（1）掺入硅粉的喷射混凝土强度,德国因斯布鲁克大学建材研究所测定结果：,掺硅粉的喷射混凝土的抗压强度,中铁西南研究院测得的结果,湿拌喷射混凝土的抗压强度,（2）掺入硅粉的喷射混凝土粘结强度,德国因斯布鲁克大学建材研究所测得的结果：,掺入硅粉的喷射混凝土的抗拉粘结强度,（3）掺入硅粉对回弹的影响,哈根巴哈试验隧道，曾测得掺入硅粉为水泥质量7.5%的喷射混凝土回弹率8，比不掺硅粉的喷射混凝土约减少回弹60。,5.3 水灰比,水灰比对喷射混凝土强度有重要影响,不同水灰比对水泥结构的影响,水灰比对强度的影响,水灰比对回弹率的影响,适宜的水灰比：0.40.45,干拌法喷射混凝土适宜水灰比的外观特征：,水灰比太大，混凝土表面出现流淌、滑移、拉裂现象；水灰比太小，表面出现干斑，粉尘大，回弹多；水灰比适宜，表面平整，呈水亮光泽，粉尘、回弹较小。,6、喷射混凝土性能,6.1 抗压强度,喷射混凝土剖面图（干喷，1965年）,各类干拌法喷射混凝土抗压强度统计资料,抗压强度：,抗压强度：最小 22.424.7 mPa；最大 39.053 mPa注：R=53 MP为1:2:1,加速凝剂的喷射混凝土强度与龄期的关系,6.2 抗拉强度,喷射混凝土的劈裂抗拉强度,6.3 抗弯强度,喷射砼抗弯强度变化范围,6.4 抗剪强度,喷射混凝土的抗剪强度,国外博茨等人的测定：7d 抗剪强度 44.65mPa 28d 抗剪强度 4.76.5mPa,6.5 粘结强度,喷射混凝土粘结强度,6.6 弹性模量,国外喷射混凝土弹性模量的典型范围,国内喷射混凝土弹性模量的典型范围,6.7 喷射混凝土的变形性能,（略）,6.8 喷射混凝土的渗透性和抗冻性,（1）抗渗性,干拌法喷射砼的抗渗性,（2）抗冻性,冶金建筑研究总院测定结果：,干拌法喷射混凝土的抗冻性,美国进行的冻融资料表明，有80试件经受300次冻融循环后，没有明显的影响，也无质量损失和弹模的减小。,6.9 喷射混凝土的动力特性,（略）,7、干拌法与湿拌法喷射混凝土,干拌法与湿拌法喷射工艺简图(a)湿拌法喷射；(b)干拌法喷射,湿拌法喷射混凝土的优点：,施工效率高，特别是泵送型湿拌法喷射混凝土68m3/h，甚至可高达20m3/h，而干拌法喷射混凝土一般为34m3/h；回弹率低，湿拌法喷射拱墙平均回弹率约为 510，而干拌法喷射拱墙平均回弹率约为1520；喷射区粉尘量小；由于减轻了对喷射手技艺的依赖，喷射混凝土的匀质性好。,湿拌法的不足之处：,对潮湿或含水地层适应性差；对难以进出的区域施工，由于机械较庞大也颇不方便，对使用量较少的工程也欠灵活性。,干拌法的某些性能比湿拌法差，但仍有湿拌法不及的优越之处：,可及时调整水灰比与粉状速凝剂，以适应潮湿、含水地层施工；喷射设施能快速到达和转移，混合料在输料管内可作长距离输送；工作面不大的区域能在开挖面暴露后迅速覆盖。,世界各国干拌和湿拌法喷射砼的应用比例,喷射混凝土机械,HPZ5型干拌喷射机,HPZ6型干拌喷射机,CP5型干拌喷射机,中国TK500型湿拌混凝土喷射机,瑞士SikaPM500P湿拌混凝土喷射机,瑞士MEYCO potenza 湿拌混凝土喷射机,湿拌法喷射机械,国外：泵送型湿喷机。稠密流；效率高（可达20m3/h）。,国内：风动型(TK500)湿喷机。稀薄流；效率较低,建议：,对大断面隧道和大跨度洞室的工程，应积极发展湿拌法喷射混凝土；对边坡、深基坑和结构补强工程，宜采用干拌法喷射混凝土；对于矿山巷井、采场支护和断面较小的城市热力、电力隧道工程，可视情况选用湿拌法喷射或潮拌（半湿拌）法喷射。,8、喷射钢纤维混凝土,这是一种典型的复合材料。根据“纤维阻裂”理论和“多相复合材料复合”理论、大量的试验研究和工程实践资料，显示了这种复合材料主要有以下三种作用：,提高材料抗拉强度；阻止基材中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；提高基材的抗变能力并从而改善其韧性和抗冲击性。,8.1 钢纤维,碳素钢纤维 用于常温下工作的喷射混凝土；不锈钢纤维 用于高温下工作的喷射混凝土；端头带弯钩的钢纤维 具有较高的抗拔强度；粘结成排的端钩型钢纤维 可满足在混凝土中分散均匀的要求，极易搅拌，杜绝结团现象，从而进一步改善喷射混凝土的性能。,常用的钢纤维直径为0.250.4mm，长2030mm，长径比一般为60100；不同品种的钢纤维具有不同功能:,8.2 喷射钢纤维混凝土的配合比,国内干拌法喷射时：水泥:砂:石1:2:1.5，钢纤维掺量约为80100kg/m3。,国外常用的配合比：,干拌法喷射钢纤维混凝土施工配合比,湿拌法喷射钢纤维混凝土施工配合比,8.3 喷射钢纤维混凝土的主要性能,（1）抗压强度,喷射钢纤维混凝土的抗压强度,喷射钢纤维的早期相对强度1喷射钢纤维砼；2喷射混凝土,（2）48h以内的抗压强度,（3）抗拉强度,喷射钢纤维混凝土的抗拉强度与钢纤维掺量的关系1抗拉强度；2抗弯强度,（4）抗弯强度,喷射钢纤维混凝土抗弯强度,（5）韧性,喷射钢纤维混凝土小梁荷载扰度曲线 1钢纤维直径0.3mm，长25mm，掺量2；2钢纤维直径0.4mm，长25mm，掺量2；3钢纤维直径0.4mm，长25mm，掺量1.5；4素混凝土,（6）抗冲击性,用直径35mm，重2.55kg钢球，在距试件1.0m高的上方对70mm 250mm 250mm试件进行撞击。结果表明，掺入钢纤维后喷射混凝土的抗冲击力约提高830倍。,喷射钢纤维混凝土的抗冲击性,（7）拔出强度,14天锚杆从喷射钢纤维混凝土中的拔出强度,（8）收缩,收缩显著减小，一般减小3040。,8.4 喷射钢纤维混凝土的应用实例,9、喷射合成纤维砼,9.1 合成纤维材料,单丝合成纤维的几何特征及主要性能,9.2 喷射合成纤维混凝土的性能,提高喷射混凝土抗拉强度；提高韧性指数和抗疲劳强度；减少收缩和提高抗裂性能；增大一次喷层厚度，能降低回弹。,用深圳海川公司的路威聚丙烯腈纤维，掺量为12kg/m3，则抗拉强度提高619，韧性指数提高4.2511.73倍，抗疲劳强度提高11.7，此外由于能增大一次喷层厚度，可降低回弹15左右。,9.3 工程应用,美国、菲律宾及香港等地用于隧道初期支护、泄洪渠加固、边坡支护等领域，成效显著。中国龙滩、三峡电站隧道和地下洞室工程，深圳、厦门等地各类工程中应用均取得良好效果。,