隧道補償收縮鋼纖維混凝土的現狀與發展趨勢

張 峰

淮北職業技術學院建筑工程系，安徽 淮北 235000

隧道補償收縮鋼纖維混凝土的現狀與發展趨勢

張 峰

淮北職業技術學院建筑工程系，安徽 淮北 235000

目前隧道支護主要采用錨噴支護，在噴射混凝土施工中，由于混凝土的干縮常常導致裂縫的產生，甚至出現滲水的現象。在混凝土中加入膨脹劑和鋼纖維制成補償收縮鋼纖維混凝土，通過膨脹劑的膨脹和鋼纖維的均勻約束作用在混凝土中產生均勻的預壓應力，來補償混凝土硬化過程中產生的拉應力，從而有效地控制混凝土收縮裂縫的產生。本文闡述了噴射混凝土和補償收縮混凝土的研究現狀，分析了噴射補償收縮鋼纖維混凝土的作用機理和材料特性，綜述了該種材料的研究價值和存在問題。

隧道；補償收縮混凝土；材料特性；研究現狀

前言

混凝土結構的使用與鋼、木和砌體結構相比，由于它在物理力學性能及材料來源等方面有許多優點，所以發展速度很快[1]。但由于普通混凝土是一種多孔性的脆性材料，抗拉強度遠遠小于抗壓強度且在凝結硬化過程中由于混凝土的收縮（干縮或冷縮）常導致裂縫的產生，在防水部位由于裂紋的存在使水的滲入成為可能。在噴射混凝土施工中，裂縫和滲水時有發生，這不僅增加了成本，也延長了工期，經濟效益和社會效益都受到很大的影響。補償收縮混凝土是近年來抗滲防裂工程中用的比較多的一種材料，考慮在噴射混凝土中同時加入膨脹劑和鋼纖維，配制出凝結時間可以控制、工作性能較好、長期性能穩定的具有防水和抗裂功能的噴射補償收縮鋼纖維混凝土，用于解決隧道與煤礦巷道工程、邊坡與基坑工程、結構補強加固工程以及耐火工程中混凝土材料的關鍵技術問題，著重要的意義，其應用前景非常廣闊。

1 補償收縮混凝土作用機理及其特點

補償收縮混凝土的脹縮特征曲線如圖1所示。在養護期間，膨脹劑依靠自身的化學反應或與水泥中的其他成分反應，產生一定的限制膨脹來補償混凝土的收縮，達到抗滲防裂的目的。但它在干空中同樣會產生干縮，收縮落差比普通混凝土要低30%左右，一般小于極限拉應變而不會開裂。由于補償收縮混凝土干縮開始時間比較滯后，而在此期間混凝土已經具備了一定的抗拉強度，能夠抵抗由混凝土干縮產生的拉應力，因而可有效減免有害裂縫的產生。這就是補償收縮混凝土的抗裂原理。

1.1 補償收縮混凝土作用機理

圖1 補償收縮混凝土脹縮特征曲線

1.2 補償收縮混凝土應用現狀

為了解決工程中經常遇到的裂縫及滲漏問題，人們在不斷探索新型材料的過程中，研究得到了膨脹水泥和混凝土膨脹劑。

混凝土膨脹劑是在膨脹水泥的基礎上發展而來的一種混凝土外加劑，它是指與水泥、水拌和后經水化反應生成鈣礬石、氫氧化鈣或鈣礬石和氫氧化鈣，使混凝土產生體積膨脹的外加劑，簡稱膨脹劑[2]。在現場將膨脹劑摻入硅酸鹽水泥中可拌制成膨脹混凝土，膨脹混凝土分為補償收縮混凝土和自應力混凝土兩種類型。其中補償收縮混凝土是指由膨脹劑或膨脹水泥配制的自應力為0.2～1.0MPa的混凝土，它具有補償混凝土干縮和密實混凝土、提高混凝土抗滲性的作用。在土木工程中用于防水和抗裂兩個方面，與普通混凝土的主要區別在于：

（1）補償收縮混凝土在限制條件下，在混凝土中建立一定的預應力，改善了混凝土的內部應力狀態，抑制或減少了裂縫的出現，吳中偉院士稱之為“少裂或不裂混凝土”；

（2）補償收縮混凝土在硬化過程中生成的膨脹結晶體（如鈣礬石）具有填充、切斷和堵塞毛細孔縫的作用，使大孔變小孔，總孔隙率降低，從而改善了混凝土的孔結構，提高了它們的抗滲透性和力學性能。

早在1936年法國人Lossier就研制了一種硫鋁酸鈣膨脹水泥，但由于其在施工中操作難度較大而沒有推廣。到了1943年，前蘇聯米哈依洛夫把研制成功的不透水膨脹水泥成功用于二次世界大戰中被破壞的鋼筋混凝土構筑物和地下工程防潮層，以及堵漏和修復工程。到了70年代，這種技術在機場、公路、大跨度薄殼以及大面積無接縫的樓板、屋面板等工程中得到了廣泛的應用，這些實際上都是早期補償收縮混凝土的雛形。

1958 年，美國A. K lein研制成功了硫鋁酸鈣膨脹水泥，取名K型水泥，隨后，A. Klein及其同事合作對補償收縮混凝土進行了大量的研究，并在多種工程中得到成功應用。1972年美國混凝土協會在佛羅里達州召開了以Klein冠名的國際膨脹混凝土學術會議，隨后，美國ACI223委員會提出《使用補償收縮混凝土的推薦方法》(ACI223-77），這是世界上第一部關于補償收縮混凝土性能研究、結構設計和施工的指南。在此基礎上，日本建筑學會也于1982年頒布了《摻膨脹劑混凝土的配合比設計和施工指南》。

中國建筑材料科學研究院從1960年就開始研究補償收縮混凝土，他們先后研究成功了硅酸鹽膨脹水泥、明礬石膨脹水泥、硫鋁酸鹽膨脹水泥等，并對這些膨脹水泥配置的補償收縮混凝土進行了大量的研究。

趙順增、游寶坤等[3]系統研究了補償收縮混凝土在硬化前后的基本性能。無論摻何種膨脹劑，都會使混凝土的凝結時間提前，膨脹劑摻量越大，凝結時間越快，摻與不摻減水劑都有相同的結果。另外，補償收縮混凝土的抗折強度、軸心抗壓強度、披裂強度以及有關比值，都與普通混凝土的強度性質基本相同。

宋春香[4]研究了補償收縮混凝土的渠道防滲工程中的應用，結果表明，粉煤灰摻量對混凝土膨脹率的影響比較顯著，通過分析粉煤灰對混凝土膨脹率和力學性能的影響，得出了粉煤灰摻量取40%為宜的結論。

這些成果對我國膨脹水泥的研制和工藝控制起到重要的指導作用。在此基礎上，我國于2009年頒布了《補償收縮混凝土應用技術規范》（JGJ/T178-2009），進一步完善了補償收縮混凝土的配合比設計、構造設計和施工注意事項，使我國補償收縮混凝土的應用提高到一個新的水平。

1.3 補償收縮混凝土存在問題

目前補償收縮混凝土存在的主要問題如下：

（1）由于膨脹速率慢，補償收縮混凝土需要較長時間的水養護才能充分發揮膨脹效果，造成了施工的不便。

（2）補償收縮凝土硬化過程中產生膨脹變形，必須對對混凝土變形進行約束才能發揮其良性效應， 且約束條件在整個混凝土中越均勻越好。

（3）在膨脹劑材料與水泥、外加劑等適應性不好時，易導致水泥中加入膨脹劑后膨脹性能較好、但與減水劑不相適應等缺點。

（4）膨脹劑的使用需要設計和施工的密切配合，這在一定程度上決定了補償收縮混凝土的質量。

2 噴射混凝土發展及現狀

2.1 噴射混凝土的發展

噴射混凝土是指借助噴射機械，利用壓縮空氣或其他動力，將按一定比例配合的水泥、砂、石等拌合料，通過管道以高速噴射到受噴面（巖石、土層、建筑結構物或模板）上凝結硬化而成的一種混凝土[5]。

噴射混凝土是由噴射水泥砂漿發展起來的。1914年美國在礦山和土木建筑中首先使用了噴射水泥砂漿[6]。經過近100年的發展，世界各國已成功將噴射混凝土應用于礦山井巷與地下工程的支護襯砌、巖土邊坡與基坑工程的穩定、建筑結構的補強加固、耐火結構等工程領域。近年來，國內外噴射混凝土新技術主要表現在以下幾個方面[7][8]：

（1）噴射混凝土技術發展迅速。

噴射技術在過去干噴法和濕噴法的基礎上，通過不斷的工程實驗研究。不斷完善和發展了新的噴射混凝土施工技術，如纖維噴射混凝土法、水泥裹砂法、雙裹并列法、潮摻漿法等。目前，在國內外地下工程施工中，主要采用泵送型濕拌噴射混凝土機，管道內充滿混凝土，為稠密流輸送，生產能力高，用機械手操作，噴射量大，回彈量及粉塵濃度低。

（2）外加劑和外摻料的開發利用，顯著改善了噴射混凝土的性能。

在噴射混凝土中應用外加劑，具有投資少、見效快、技術經濟效益顯著的特點。為了滿足工程的特殊要求和適應機械化操作，用于噴射混凝土的外加劑在不斷的發展更新，目前已存在如速凝劑、早強劑、增粘劑、粘稠劑、降塵劑、增強劑、減水劑等多種外加劑。美國研制的新型非堿性速凝劑能達到噴射混凝土后期強度損失小的效果，而且還能大大減少回彈。在噴射混凝土中常用粉煤灰和硅粉兩種摻合料。加入粉煤灰，可以增大噴射混凝土的流動性、減少泌水、改善和易性、改善密實性從而使混凝土的耐久性得到提高，同時還可降低水化熱、抑制堿-骨料反應。摻入硅粉，可以改善噴射混凝土結構的密實性和黏結性能、減少回彈，提高混凝土強度、增加一次噴層厚度以及提高噴射混凝土抗腐蝕性能。

（3）噴射纖維混凝土效果顯著。

在混合料中摻入纖維，能顯著改善噴射混凝土的性能，因而近年來發展迅速，應用量也在不斷增加。工程中使用較多的是剛纖維和聚丙烯纖維。

噴射鋼纖維混凝土是指通過管道輸送裝置在高壓作用下將摻入鋼纖維的混凝土拌合物高速噴射到施工作業面的一項技術。早在70年代瑞典采用Ekebro纖維噴射混凝土技術應用于巖石穩定和結構加固工程，并用噴射鋼纖維混凝土加固被礦石沖擊損壞的溜井；日本在隧道中使用鋼纖維混凝土支護和修補不良地層和圍巖；安徽理工大學周仁站[9]進行了噴射鋼纖維混凝土的力學性能研究，試驗表明，同普通混凝土相比，當摻入體積率為1.5%（約120kg/m3）的波紋型鋼纖維時，混凝土的抗拉強度、抗折強度、彎曲韌性指數分別提高了66%、63%、78%，破壞時有裂而不斷的特征。現場應用表明，噴射鋼纖維混凝土支護，使用壽命比其他支護方式更長，節省了巷道維修所需要的時間和費用。

此外，摻加聚丙烯纖維或聚丙烯腈等合成纖維的噴射混凝土在世界各國也得了較快的發展。合成纖維由于單根直徑很小，能夠提高混凝土材料的黏結性，在噴射混凝土中加入聚丙烯纖維，能夠大量降低噴射混凝土的回彈率，節約成本。

2.2 噴射混凝土的缺點

（1）噴射混凝土水泥用量大，一般摻加速凝劑。因此其收縮比普通混凝土大，硬化過程中容易開裂。

（2）噴射混凝土的強度較基準混凝土標準試件低。這是因為噴射混凝土中一般都摻有速凝劑，混凝土凝結快造成水化產物比較粗大，以至于混凝土的強度有所降低。

（3）速凝劑是使水泥混凝土快速凝結硬化的外加劑，只是起到速凝、快硬、早強的效果，往往存在與水泥、減水劑以及其他外加劑的相容性差，有時候甚至發生性能不能匹配的現象，達不到應有的效果。

（4）鋼纖維從基體中拔出破壞表明鋼纖維和基體間的黏結強度偏低，而鋼纖維自身的高強度并未充分發揮，使得普通鋼纖維混凝土仍具有一定的脆性，所以改善鋼纖維與基體界面的黏結強度是非常必要的

3 隧道補償收縮鋼纖維混凝土發展及其材料特性

3.1 補償收縮鋼纖維混凝土發展

鋼纖維和膨脹劑都是在抗滲防裂工程中使用較多的建筑材料，將兩者復合使用能否起到協同增強的作用？它們之間的作用機理如何？許多學者對此做了大量的研究。

李國新[10]等對膨脹劑與鋼纖維協同增強輕骨料混凝土進行了研究，實驗表明：摻入膨脹劑后，混凝土基體會產生一定量的膨脹，而帶模養護和鋼纖維的摻入約束了這種膨脹，致使混凝土更加密實，使水泥石與粗骨料界面、鋼纖維與基體界面的強度都可能得到增強，因此表現出明顯的協同增強效果。

文獻[11]表明，由于鋼纖維和膨脹劑的復合效應，鋼纖維限制了膨脹和收縮，微膨脹又補償了收縮，因而微膨脹效應增進了混凝土的致密性，最終改善了孔結構，使大孔變小，連通孔封閉，均使抗滲性提高。

羅成立等[12]選取普通鋼筋混凝土、單摻膨脹劑補償收縮混凝土、單摻鋼纖維混凝土和膨脹劑與鋼纖維雙摻的補償收縮鋼纖維混凝土等4種類型進行對比試驗研究。結果表明，雙摻法補償收縮鋼纖維混凝土較之普通鋼筋混凝土、單摻膨脹劑補償收縮混凝土、單摻鋼纖維混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度及抗滲、抗收縮能力有了顯著的提高，達到了1+1＞2的效果，并證實這是一種適用于地下防護工程結構自防水的高性能混凝土。

3.2 隧道補償收縮鋼纖維混凝土材料特性

根據上述分析發現隧道噴射普通混凝土的缺點提出補償收縮鋼纖維混凝土這種新型隧道支護材料。隧道補償收縮鋼纖維混凝土是在噴射混凝土中添加鋼纖維和膨脹劑配制而成，這種新型支護材料不僅能夠提高混凝土的抗滲抗裂等級，同時提高混凝土的力學特性。

（1）將混凝土膨脹劑和鋼纖維同時加入噴射混凝土中，充分利用開裂前膨脹劑的抗裂防滲作用和開裂后期鋼纖維的阻裂增強作用，體現了“層次抗裂、階段抗裂”的新概念。

（2）鋼纖維在混凝土中三維亂向分布，能夠給混凝土提供均勻的內部約束，更好地發揮膨脹劑的性能；膨脹劑的反應物能夠填充鋼纖維周圍的孔隙，增加了鋼纖維與混凝土的黏結力，有利于改善結構的性能。鋼纖維和膨脹劑的復合使用，能夠相互取長補短，更好地發揮各自的優勢。

（3）將混凝土膨脹劑和鋼纖維同時加入噴射混凝土中，可以通過兩種材料的相互補充，達到與預應力鋼筋對普通混凝土增強增韌效果相同的作用，而不需要外在機械手段，可以明顯減少工作量、降低成本、縮短工期。

3.3 存在問題

鋼纖維摻入后對噴射混凝土施工工藝有一定的要求，根據現場應用情況可知，主要存在以下幾點問題：

（1）鋼纖維摻入對現場攪拌要求較高，工人勞動量增大；

（2）鋼纖維體積摻量控制嚴格，鋼纖維過多容易造成噴射管堵管，過少達不到設計支護效果，且噴射時工人必須采用安全防護措施，防止鋼纖維傷人；

（3）補償收縮鋼纖維混凝土中膨脹劑對養護條件較高，前期要在濕養環境下才能達到預期效果，增加澆水工作量。

4 結語

噴射補償收縮鋼纖維混凝土在隧道工程中的應用是一種新技術的實施和新材料的應用，可以在提高混凝土強度、加快施工進度和降低成本的前提下達到抗滲防裂的效果，國內外目前研究較少，且不夠深入和系統。因此，深入開展噴射補償收縮鋼纖維混凝土技術的研究，對提高隧道支護安全系數以及更好地應用于工程實踐有著重要的意義，但是該種新型支護材料的施工工藝、施工方案等有待于進一步優化。

[1] 馬芹永. 混凝土結構基本原理[M]. 北京：機械工業出版社，2005

[2] 吳中偉.補償收縮混凝土[M].北京:中國建筑工業出版社,1979

[3] 趙順增，游寶坤.補償收縮混凝土應用技術規程實施指南[M]. 北京：中國建筑工業出版社，2009

[4] 宋春香. 補償收縮混凝土在渠道防滲工程中的應用[D]. 咸陽：西北農林科技大學，2007

[5] 程良奎,楊志銀.噴射混凝土與土釘墻[M].北京:中國建筑工業出版社,1998

[6] Rose D.Steel fiber reinforced shotcrete for tunnels linings[J].Tunnels and Tunnelling,1986，18(5）:39～44

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[8] 程良奎.噴射混凝土（一）—噴射混凝土的最新發展與施工工藝[J].工藝建筑,1986,(1）: 49～56

[9] 周仁站. 鋼纖維混凝土噴層的力學性能試驗研究[D].淮南：安徽理工大學，2008

[10] 李國新.膨脹劑與鋼纖維協同增強高強輕骨料混凝土研究[J].混凝土,2006,(05）:35-37

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.052

張峰，男，講師，主要從事巖土工程方面科研與教學工作。