摻玄武巖纖維混凝土隧道噴射施工技術研究

雷銳鋒

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

0 前 言

玄武巖是伴隨火山噴發(fā)過程中沉積、凝結的一種高溫穩(wěn)定性礦石材料，在超過1 200 ℃高溫環(huán)境的熔煉后，可以借助目前最先進的合金拉絲漏板工藝將其加工為顆粒細度較高的纖維材料；與傳統(tǒng)的碳纖維、鋼纖維等材料相比，玄武巖纖維材料在高溫穩(wěn)定性、抗變形剛度、耐久性等方面優(yōu)勢突出，是典型的環(huán)境友好型和綠色低碳型土工外加材料。顧名思義，玄武巖纖維混凝土材料就是在傳統(tǒng)的混凝土材料中添加一定比例的玄武巖纖維材料，在滿足混凝土基本力學特性的基礎上，提升了混凝土材料的抗?jié)B性、抗變形剛度及耐久性，對外部滲透和不良環(huán)境影響起到較好的阻隔和密封作用，非常適用于山區(qū)復雜地質圍巖環(huán)境下的隧道襯砌噴射混凝土施工工況。

本文以摻玄武巖纖維混凝土為研究對象，以襯砌混凝土施工工況為研究基礎，量化分析了不同玄武巖摻量對襯砌噴射混凝土的力學影響程度，并就具體的襯砌噴射施工技術進行分析，以豐富和發(fā)展現(xiàn)有的摻玄武巖纖維混凝土襯砌的施工質量。

1 玄武巖纖維對襯砌噴射混凝土的力學特性影響

為了提高摻玄武巖纖維混凝土襯砌材料的力學特性，最大程度發(fā)揮玄武巖纖維材料和傳統(tǒng)混凝土材料的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)兩種材料的性能優(yōu)化配制，應對玄武巖纖維摻加量進行量化分析和評價，得到合理化的玄武巖纖維摻加比例值。本文特選定抗壓強度、抗剪強度及回彈值作為力學特性評價反饋指標進行研究。

1.1 抗壓強度指標

表1為摻加不同比例玄武巖纖維襯砌混凝土的抗壓強度指標統(tǒng)計結果。

表1 摻加不同比例玄武巖纖維襯砌混凝土的抗壓強度指標統(tǒng)計結果

分析表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，以摻加纖維材料的襯砌混凝土為例，選取摻加金屬纖維和玄武巖纖維兩種試驗對象為研究案例，論證了玄武巖纖維混凝土的抗壓強度優(yōu)勢。橫向對比可知，玄武巖纖維混凝土對素混凝土的抗壓能力改善程度明顯高于金屬纖維混凝土，提升比例可達7%；縱向對比可知，在纖維密度為5 mm/18 μm3、纖維直徑指標為25 mm/18 μm的情況下，玄武巖纖維混凝土的抗壓強度提升指標最高，較對比組提高了約4%。

1.2 材料韌性指標

除了抗壓強度指標以外，摻加玄武巖纖維混凝土材料的韌性指標也是評價纖維混凝土材料的重要指標之一，通過分析既有的試驗試件韌性指標可知，摻加玄武巖纖維混凝土材料，在韌性指標方面高于摻加金屬纖維混凝土材料和素混凝土材料，從數(shù)據(jù)量化角度分析，三種不同類型的混凝土材料的韌性指標由大到小的順序依次為：摻加玄武巖纖維混凝土、摻加金屬纖維混凝土及素混凝土。

以摻加纖維類型和纖維直徑作為控制變量，通過正交試驗得到了最優(yōu)化的摻加方案，即：摻加直徑為30 mm/18 μm的玄武巖纖維混凝土材料的韌性指標最高，以最新的土工材料韌性指標作為判定依據(jù)，該型纖維混凝土材料的韌性指標達到優(yōu)等。

1.3 回彈值指標

摻加玄武巖纖維的改性混凝土材料的回彈值也是控制和影響其性能和施工質量的關鍵指標之一，摻加玄武巖纖維混凝土的回彈指標借助回彈試驗確定，同時對比分析摻加金屬纖維和玄武巖纖維混凝土兩種試驗對象，采用抽樣試驗法得到的試驗結果如下表2所示。

表2 回彈指標試驗結果

分析上表2數(shù)據(jù)可知，通過摻加纖維改性的方式能夠明顯控制混凝土材料的回彈指標，相較于金屬纖維改性材料，使用玄武巖纖維材料能夠充分發(fā)揮玄武巖纖維的粘性特點，提高玄武巖纖維和混凝土材料的粘附力，從而起到控制回彈指標的目的 。

2 玄武巖纖維襯砌噴射混凝土施工技術研究

2.1 配合比指標對玄武巖襯砌混凝土噴射施工特性的影響

在隧道襯砌混凝土結構噴射施工實踐中，為了保證襯砌結構的施工質量和效率，必須控制好襯砌混凝土結構的抗壓強度、回彈指標、噴射支護厚度及綜合生產效率等指標，通過工程實踐可知，以上參數(shù)均受限于玄武巖纖維混凝土的配合比設計值。表3為素混凝土與摻玄武巖纖維混凝土襯砌材料的施工主要數(shù)據(jù)。

表3 素混凝土與摻玄武巖纖維混凝土襯砌材料的施工主要數(shù)據(jù)

分析上表3可知，素混凝土和摻玄武巖纖維混凝土在隧道襯砌噴射施工過程中的主要區(qū)別在于配合比設計值，歸根結底在于摻加纖維材料的占比、級配混合料占比及碎石粒徑值，在具體的襯砌支護施工過程中，為了保證施工質量，滿足噴射施工的高壓要求，建議應在滿足較高的噴射壓力的基礎上，盡量控制襯砌混凝土回彈，通過試驗數(shù)據(jù)可知，摻加玄武巖纖維混凝土很好地滿足了襯砌施工要求。在設計摻玄武巖纖維混凝土襯砌材料配合比過程中，應以兼顧混凝土強度和控制回彈率為基本目的；摻加玄武巖纖維混凝土的坍落度、水灰比等指標直接受制于配合比值，而塌落度和水灰比也是控制襯砌混凝土強度和施工和易性的重要指標。

2.2 摻玄武巖纖維襯砌混凝土噴射施工質量控制

噴射施工技術有別于傳統(tǒng)的混凝土澆筑技術，借助噴射混凝土的高壓特性能夠使襯砌混凝土的骨料更加密實，以提升玄武巖纖維混凝土的粘結性；但是，摻加一定比例的玄武巖纖維材料后，混凝土材料的施工和易性和流動性受到較大影響，在高強度施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)材料“卡頓”問題，嚴重影響襯砌噴射施工的均勻性和密實性，因此，必須嚴格控制玄武巖纖維混凝土材料的配合比，以保證其水灰比和塌落度指標滿足施工要求。在大規(guī)模施工前，應選定若干配合比組分進行試噴射，試驗用噴射混凝土應充分拌和均勻，防止在拌和過程中出現(xiàn)不均勻結塊問題，通過梯度對比試驗選擇出最佳的摻玄武巖纖維混凝土的最佳配合比指標。

在具體噴射施工過程中，應先檢查噴射施工機械內部是否通暢，噴射壓力機是否工作正常；在噴射前應先使用高壓水槍清洗圍巖表面，對于節(jié)理發(fā)育成熟、存在剝離破壞風險的圍巖應使用鼓風機清理，做好施工界面維護工作，保證襯砌混凝土材料和隧道圍巖的可靠貼和性能；在襯砌噴射過程中應設置噴射厚度控制標示，為了便于現(xiàn)場施工，一般借助錨桿長度作為直接的厚度控制輔助標示工具，摻玄武巖纖維混凝土具備高強度、高粘性和低回彈特點，為了保證施工質量和襯砌表面平整度，應嚴格控制襯砌噴射施工厚度。

3 總 結

本文從力學特性、配合比設計及施工技術和質量控制層面論證了摻加玄武巖纖維混凝土在隧道襯砌噴射施工作業(yè)過程中的可行性和可靠性；通過與摻加金屬纖維混凝土和素混凝土進行對比，凸顯了玄武巖纖維混凝土襯砌混凝土的性能優(yōu)勢，建議在后續(xù)工程項目中逐步推廣。

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