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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除Central South University钢纤维混凝土在地下工程应用与展望学院: 资源与安全工程学院 班级: 城地1102班 姓名: 田听雨 学号: 0202110209 导师: 李江腾 樊玲 2014 年 2 月钢纤维混凝土在地下工程的应用与展望田听雨(中南大学资源与安全工程学院,湖南 长沙410000)摘要:对钢纤维物理力学性质及其应用现状及前景做了综合评述。指出钢纤维混凝土提高了混凝土材料的抗拉强度和抗变形能力,在地下工程结构,特别是软岩工程和承受动载硐室的支护应用中具有优越性,应加强研究。关键词:地下工程;支护;纤维混凝土;松动圈;
2、动载Status and future of steel-fabre concreteapplied to underground workstian tingyu（CENTRAL SOUTH UNIVERSITY,Changsha 410000,China）Abstract: The mechanical properties of steel-Fabre and its status and prospect of application are described in details. Due to improved tensile strength and higher resist
3、ance to deformation,the steel-Fabre concrete is superior to be applied to underground work,especially to be used to support underground chamber surrounded by weak wall rock or chamber bearing great load .The study on steel-Fabre concrete should be enhanced.Key words: underground work; support; Fabre
4、 concrete; range of losseness; dynamic load1 引言纤维混凝工1 ,是以水泥浆、沙浆或混凝土为基材,以金属材料、无机纤维或增强材料组成的一种复合材料。水泥、沙浆与混凝土有很多优点,在凝结前具有良好的塑性,硬化后抗压强度高、耐久性好,可以就地取材。但是,也具有抗拉强度低、极限延伸率小、性脆、容易开裂等不足,在其中掺加抗拉强度高、极限延伸率大的纤维可以克服以上缺点。用纤维增强脆性材料以提高材料的强度和韧度的概念自古有之。最早的实例是用稻草式动物毛发增强黏土制品。公元前2500 年左右芬兰人曾用石棉纤维提高陶瓷的抗拉和抗挠强度。 纤维在纤维混凝土中的主要作用
5、,在于限制在外力作用下水泥基料中的裂缝的扩展,使得结构的抗拉伸、耐久性能得到大大提高。在受荷初期,水泥基料与纤维共同承受外力,前者是重要承受者; 当基料发生开裂后,横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。掺加纤维的材料可承受较高荷载,并产生较大的变形,直到纤维被拉断或从基料中被拔出,以至破坏。由于钢纤维在喷射混凝土中按照三维无规律分布,使得100%起到了承受各向应力的作用。喷射混凝土的性能会得到极大提高,极为有效地提高喷射混凝土结构的韧性与耐久性。因此,得到国内外地下工程和采矿界的重视,成为研究的热点之一。钢纤维混凝土应用于地下工程,要求钢纤维混凝土有一定的抗压强度和较大的抗拉强度,更重要是要有一
6、定的韧性,即一定的吸收和消减变形的能力,以适应地下工程特别是软岩工程围岩变形大的特点。1 钢纤维混凝土的研究情况纤维混凝土力学特性研究始于20世纪60年代,1963年J1P1Romualdi研究了钢纤维约束混凝土裂缝开展机理,提出纤维间距理论2,认为在混凝土中掺入钢纤维后,在拉力方向连续钢丝按网状配置,假定裂纹存在于几根钢丝所围成的中间部位,因拉伸应力作用,粘结应力产生于裂纹端部的钢丝附近,发挥着阻止裂纹扩展的作用,因此,为了扩大这种效果,减少纤维之间的间隔是有效的; R1N1Sw amy 和A1E1Naaman 提出复合材料法则3:认为钢纤维在水泥沙浆或混凝土中的作用,是利用纤维在粘着力传递
7、荷载,假定纤维的方向与应力方向一致,复合材料的应力为纤维应力荷载及基体应力的总和。这两个理论的提出为钢纤维混凝土实用化开辟了道路。美国Idnlard材料实验室1982年开始研制的水泥浆灌注钢纤维混凝土( SIFC) ,钢纤维的体积含量为12% 23% ,技术指标:抗压强度103 207MPa,极限压应变011,轴心抗拉强度1318MPa,抗弯强度27 69MPa,抗剪强度2716MPa,当温度不超过800 e 时,在5 小时内混凝土的强度无明显降低。此外,抗冲击、抗磨损等性能均有明显改善。我国对钢纤维混凝土的研究始于70 年代,实验研究有了很大的进展,郑州工学院高丹盈3 1991 年用相同钢度
8、的弹簧做辅助架在5 000 N压力试验机上做了钢纤维混凝土轴压应力- 应变全曲线的研究,得出纤维含量是影响钢纤维应力- 应变曲线特征的主要因素,随钢纤维含量特征参数的增加,应力- 应变曲线坐标轴包围的面积增大。大连理工大学土木系宋玉普4 等人1994 年对三向应力状态下钢纤维混凝土的变形特性进行了研究。钢纤维混凝土在三轴压应力状态下的应力- 应变关系曲线与普通混凝土相似,但应力-应变曲线的特征点却随钢纤维含量的不同而有所变化,钢纤维混凝土三向压应力状态下的峰值应变随纤维含量的增加而增加。西南交通大学土木工程学院赵人达等人2000 年对高强混凝土和高强钢纤维混凝土的配制及其性能进行了研究。解放军
9、理工大学工程兵工程学院严少华52001 年用霍布金森压杆( HSFC) 进行了高强钢纤维混凝土冲击压缩特性试验研究,得出混凝土的强度随应变率的对数呈线性增长; 动态压缩结果和静态相比,材料的峰值应变基本不变,但强度、韧度、弹性模量显著提高; 随钢纤维的增加,HSFC 的强度、韧度、峰值应变提高,增加钢纤维含量是提高高强钢纤维混凝土抗冲击能力的重要方法。另外,还有人对钢纤维阻裂机理、钢纤维形状对其性质的影响、钢纤维损伤理论、在抗震结构中的应用、钢纤维界面力学性能等做了大量的研究。尽管国内外近年来对纤维增强混凝土的基本特性进行了多方面的试验研究和探索,但取得的成果还比较分散,尚缺乏比较系统的理论研
10、究以指导在实际工程中的应用。2 钢纤维混凝土在我国地下工程中应用地下工程是当今钢纤维混凝土应用最广泛一个工程领域。在隧道和隧硐工程中钢纤维喷射混凝土起着支护和稳定岩层的作用,并能防止风化及岩石的再次松动。近几年,铁路隧道、水工隧硐、矿井等工程应用效果较好。下面是国内加固和支护深部地下硐室应用钢纤维混凝土的一些成功事例:-马鞍山矿山研究院与梅山铁矿等单位合作于1979 年3 月在梅山铁矿的软岩支护及溜井加固工程中6,是我国地下金属矿山中首次试验应用钢纤维喷射混凝土,每立方米混凝土大约加入80 kg钢纤维,取得可喜成果,1986 年6 月在构造裂因错综复杂地质条件很差的采矿巷道,采用钢纤维喷射混凝
11、土进行加固,支护后的采矿巷道稳固,在其附近进行深孔采矿作业,爆破20多次,用药量达1万多公斤,尽管喷射层陆续出现许多裂陷,但仍能起到支护作用并顺利完成采矿任务,末发现开裂、片落等异常现象。-汾西柳弯煤矿年产200万t ,1992年矿井建设遇到了复杂的软岩变形破坏问题,采用钢纤维喷射混凝土支护30m试验巷道,经过多年的现场考验只喷射混凝土的巷道都已坏掉,惟有喷射钢纤维混凝土段完好无损,围岩也没发生位移变形,喷射钢纤维混凝土巷道收敛变形量和顶板下沉量都明显小于普通的喷射混凝土,且经济及技术上都优于其它支护。-位于高烈度地震区的某车站隧道,隧道埋深仅为38 m,开挖跨度达13160 m。隧道的二次衬
12、砌采用钢筋钢纤维混凝土,使其衬砌结构厚度减薄(仅为30cm) 。衬砌厚度减薄后,降低了地震时结构的惯性力,对结构抗震有利; 与采用普通混凝土作衬砌相比,减少开挖量21%,衬砌圬工量减少62%,取得了明显的经济效益。-鹤壁矿务局第10煤矿为一基建矿井,2000年12月投产。由于主要巷道平均深度较大,已超过700 m,致使巷道变形大、破坏严重、有的巷道尚未投入使用就不得不进行翻修,岩石破碎、节理发育,且遇水膨胀、易风化,巷道变形量大、难支护,表现出明显的软岩特性,中国矿业大学周宏伟7等人用钢纤维混凝土和锚杆联合支护方案,代替U 型支架,取得明显经济效益。-甘肃省水利水电勘测设计研究院陈晓东2002
13、年对盘道岭隧硐二次衬砌混凝土两险段经过喷射钢纤维混凝土及其它技术措施处理进行调研后,发现经过6 年多的通水运行考验,证明采用钢纤维喷射混凝土的技术方案是正确的,结构整体强度与稳定性良好,质量可靠,达到了预期目的8。-钢纤维混凝土在我国地下工程中得到了成功的应用,说明将钢纤维混凝土应用于地下工程支护是对喷锚支护的新发展,且有巨大的发展潜力,但也有些问题有待进一步研究:-纤维增强机理尚不够完善,目前,采用纤维间距学说和混合物法则还不完善,都包含了许多假设条件,由于理论尚欠完善,影响了钢纤维混凝土更经济合理的利用,并将影响其进一步提高。-钢纤维和基体的粘结强度不够,这是影响复合材料性能进一步提高的重
14、要原因。在钢纤维混凝土试验时,往往是纤维被拔出而不是被拉断,纤维增强效果没完全发挥,既要继续研究钢纤维与混凝土界面粘结机理,进一步提高纤维和基体的粘结强度,才能显著地改善钢纤维混凝土材料的性能。-还没求出最佳钢纤维掺入率与较好纤维分散工艺,配合比设计的原则是在符合施工要求的工作性的前提下,使硬化后混凝土具有理想的性能。钢纤维掺入过少,不能发挥其增强作用,理论上讲,如能使钢纤维在基体中均匀分布,则掺量越大,力学性能越好。可掺入过多,在搅拌过程中容易结成团,抗压强度等各项力学性能反会下降。-钢纤维价格太高,导致初期应用成本增加,这是阻碍钢纤维混凝土推广应用的主要因素,因此,应用钢纤维混凝土,必须综
15、合考虑各方面因素,从长远来看,比较经济。3 钢纤维混凝土的应用展望3.1.1 在深部软岩巷道应用钢纤维混凝土支护当前好多煤矿都进入了深部开采,深部岩石普遍存在破坏状态,且在浅部是十分坚硬的岩石,在深部表现出软岩的特征:易变形、易风化、变形压力大; 有些巷道底臌、变形量很大,严重影响巷道正常使用。深部巷道破坏的根本原因并不是整个支护系统没有足够的承载能力,而是支护系统中因某个支护体不适应巷道大变形的特点,最终导致巷道破坏。对大松动圈情况9 12,围岩变形很大,设计中以锚杆支护为主体,网和喷层作为锚杆间围岩支护。而普通的混凝土喷层常出现断裂、剥落甚至坍塌等现象,为了保持围岩的封闭,往往需要多次复喷
16、混凝土予以加固。如果将钢性混凝土喷层变为柔性混凝土喷层,使混凝土喷层应变率足够大,达到大变形而不坏,坏而不碎、碎而不断,有较大的变形能力,就可减少或不要复喷,显著减少喷层厚度,节省大量人力、物力,提高经济效益。虽然钢纤维混凝土在地下工程中已经做了研究应用,但由于钢纤维混凝土支护机理、软岩巷道破坏原因很复杂,至今还没能找到两者切合点,导致未能在地下工程特别是在煤矿软岩工程中推广应用,因此,试验研究出钢纤维含量对混凝土强度的影响规律以及抗拉曲线峰后变形特点,再结合围岩松动圈理论,用数值模拟等手段研究钢纤维混凝土支护地下工程特点很有现实意义。3.1.2 在经受动载的硐室应用钢纤维混凝土支护在采矿工程
17、、国防军事工程和抗震结构中,主要特点是结构要承受速率很大的荷载13。如,采矿的爆破法破岩和落矿,炸药爆炸将岩石破碎,同时产生震动波在岩体中传播,影响着邻近巷道或其它工程的稳定性。由于钢纤维具有阻裂的作用,能快速传递应力应变,大大加强了混凝土吸收能量的能力,初裂后还具有韧性。而一般的喷锚支护如处于爆源近区,应力波大,喷层中产生较大的拉、压应变,可导致素混凝土喷层剥层破坏出现 14 。因此,钢纤维混凝土更适于防爆、抗震结构的支护。这样,研究掺入一定钢纤维的混凝土喷层材料在爆炸波作用下响应情况,将能更好的指导遭受动载的地下工程支护。4 结语由于钢纤维混凝土有较大的抗拉强度和显著的韧性,能在围岩变形时
18、使混凝土破坏减少,能吸收和消减变形的能力使混凝土具有适应围岩变形的特性。钢纤维混凝土应用于地下工程有优越性,特别是适应软岩变形大的特点。钢纤维混凝土具有较好的减少载面、强度高、韧性好、施工简便等优点,在隧道和隧硐工程中对于防止岩石的风化及松动起着封闭作用,可大大增加岩层与喷射物的粘着力,从而增加软弱岩层的强度。钢纤维混凝土在我国地下工程中已经得到了应用,也获得了很好的经济效益,但尚缺更系统的理论指导,没能在地下工程特别在煤矿上推广应用。由于钢纤维价格较高,如何在较少的掺入率的情况下显著提高喷射混凝土的韧性、很好的工作性能及实际应用于地下工程支护的作用机理都有待于进一步研究。参考文献:1 程庆国
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