适用于高岩温隧道中的高性能隔热轻骨料喷射混凝土

高岩温环境中隧道的结构体系通常以"普通喷射混凝土+防水层+有机隔热材料+模筑混凝土衬砌"为主,因高岩温影响普通喷射混凝土的性能降幅显著,有机隔热材料的耐久性也得不到保障,很难满足隧道工程100年的设计使用寿命要求。基于以上背景,提出一种全新的高岩温环境中隧道的隔热思路和方法:即采用"高性能隔热轻骨料喷射混凝土"代替"普通喷射混凝土初期支护+有机隔热材料",喷射混凝土兼做结构层与隔热层。设想通过胶凝材料和骨料改性,添加无机纤维等技术,利用宏观试验和低场核磁共振微观分析方法,实现喷射混凝土在特定环境的使用功能,研制形成适用于高岩温环境的高性能隔热轻骨料喷射混凝土材料,为进一步拓展喷射混凝土的应用范畴和提升高岩温环境中隧道修建技术奠定理论基础。

轻骨料喷射混凝土用于喀斯特地区渗水隧道处治的探讨分析

受益于喷射混凝土技术的成熟,它的使用范围越来越大,但是受限于喷射混凝土抗渗性能,在隧道渗水处治的方面还未能广泛的推广。在此背景下,在对喷射混凝土以及混凝土防水技术调研的基础上,结合轻骨料喷射混凝土力学和耐久性试验的成果,研制出一种新型轻骨料喷射混凝土,与普通喷射混凝土相比综合提升了力学性能和耐久性能,并讨论将之用于喀斯特地区渗水隧道处治工程的可行性。

轻骨料喷射混凝土工作性能及早期强度试验研究

轻骨料喷射混凝土是用轻骨料代替普通混凝土中粗骨料或细骨料应用于隧道的喷射混凝土中。本文采用正交试验对喷射混凝土较为关注的工作性能和早期强度进行了测试,根据实验结果,将配合比进行优化,在贵州马尾坡隧道进行现场施工,并对现场施工效果进行了钻芯取样测试。现场测试效果良好,满足实际工程需要,验证了轻骨料喷射混凝土在隧道锚喷支护中应用的可行性,为轻骨料在喷射混凝土中的应用提供理论依据。

轻骨料纤维喷射混凝土力学性能及破坏特征数值研究

以喷射混凝土配比为基准,将3种不同掺量的陶粒和玄武岩纤维进行组合,配制出9组轻骨料喷射混凝土(Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,简称"LAFS")来探究陶粒与玄武岩纤维对LAFS抗压、抗拉及抗剪强度的影响规律,根据试验结果建立了LAFS强度预测模型,同时借助RFPA~(2D)软件模拟得到了LAFS受力过程中陶粒及玄武岩纤维的受力特征和破坏规律。结果表明:陶粒掺量与玄武岩纤维掺量对LAFS抗压、抗拉及抗剪强度的影响是交互的。试验分析得到陶粒掺量为116.248 kg/m~3、玄武岩纤维掺量为5.26 kg/m~3时LAFS性能最优。陶粒与LAFS的充分粘结是保证LAFS强度的关键,纤维在LAFS受力过程中整体性良好,在LAFS破坏之前可与混凝土基体共同受力。本研究可为工程上发展LAFS提供试验及理论依据。

氯盐侵蚀轻骨料纤维喷射混凝土力学性能试验研究

本文以地下水氯离子含量高、受动压影响显著环境应用轻骨料纤维喷射混凝土(Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,简称"LAFS")喷层支护的情况为背景,设计出了以不同的氯化钠溶液侵蚀龄期与侵蚀浓度、陶粒掺量以及纤维种类为影响因素的正交试验,进行抗压、劈裂抗拉以及动态压缩一维SHPB冲击试验,并借助扫描电镜对氯盐侵蚀及纤维增强机理进行分析。研究结果表明:影响氯盐侵蚀LAFS抗压、劈裂抗拉及冲击性能的影响因素主要是侵蚀龄期和陶粒掺量,随侵蚀龄期和陶粒掺量的增加均呈现出先增加后下降的趋势。适量陶粒的掺入,使LAFS在氯盐侵蚀环境中具有一定的弹性缓冲性能,从而使其力学及抗氯盐侵蚀性能得到提升,本试验条件下,陶粒取代石子14%体积率的LAFS掺量最佳。结合LAFS冲击破坏形态,宜选用钢纤维来进行增强LAFS力学性能,其次为玄武岩、聚丙烯纤维。

复掺轻骨料纤维喷射混凝土力学及导热性能试验研究

为有效隔绝高地温公路隧道、深部高温巷道施工过程中的围岩散热,利用正交试验方法,以不同复合陶粒、陶砂掺量、聚丙烯纤维为影响因素,设计出1种隔热效应的轻骨料纤维喷射混凝土(Lightweight Aggregate Fiber Shotcrete,LAFS),进行含水率、抗压、劈裂抗拉及导热性能试验,并借助X射线衍射、扫描电镜对LAFS进行机理分析。结果表明:3种因素对LAFS力学及导热性能的影响程度均为陶粒掺量>陶砂掺量>聚丙烯纤维掺量,本试验条件下,复合双掺陶粒、陶砂分别取代石子、砂子的最佳体积率为12%,6%,聚丙烯纤维的最佳掺量范围为0.2%~0.3%。建立的LAFS各性能预测模型可为工程应用LAFS确定其配比时提供试验依据。

轻骨料纤维喷射混凝土动态力学特性试验

为提高轻骨料喷射混凝土喷层支护承受动态抗压强度能力,以普通C20喷射混凝土配比为基准,将3种不同掺量的陶粒与聚丙烯纤维进行组合,配制出了9组轻骨料纤维喷射混凝土(lightweight aggregate fiber shotcrete,LAFS),进行了一维分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击及扫描电镜(SEM)试验,同时借助MATLAB数值计算软件,拟合出陶粒-聚丙烯纤维掺量与LAFS动态抗压强度预测模型。研究表明:陶粒掺量与聚丙烯纤维掺量对LAFS动态抗压强度的影响是交互的,同陶粒掺量下,不同的聚丙烯纤维掺量,对LAFS动态压缩性能有很大差异,反之亦然;混凝土基体中均匀分布的陶粒与乱向分布的聚丙烯纤维网,与混凝土基体共同受力,使得LAFS应力-应变曲线屈服平台明显、韧性增强;本试验条件下陶粒与聚丙烯纤维掺量较好的组合为:49.81 kg/m^(3)+0.91 kg/m^(3)、99.67 kg/m^(3)+1.82 kg/m^(3)。拟合得到的LAFS动态抗压强度模型与研究成果可为LAFS推广及配合比确定起到参考。

轻骨料混杂纤维喷射混凝土静动态力学性能试验研究

以富水地层近距离下穿地铁隧道、小净距双向隧道以及深部富水围岩回采、动压巷道应用轻骨料喷射混凝土喷层支护的情况为背景。以喷射混凝土配合比为基准,将3种不同掺量的陶粒、聚丙烯纤维以及玄武岩纤维按正交试验的方法进行设计,配制出9组轻骨料混杂纤维喷射混凝土(Lightweight Aggregate Hybrid Fiber Shotcrete,LAHFS)进行抗压、抗拉及抗剪强度试验,并将不同陶粒掺量下的LAHFS试件干湿循环0、30、60、90次后进行一维SHPB冲击试验。研究表明:陶粒掺量是影响LAHFS抗压、抗拉及抗剪强度的主要因素,随陶粒掺量的增加,LAHFS力学性能均显著降低;随玄武岩、聚丙烯纤维掺量的增加,LAHFS力学性能整体上呈现先增加后降低的趋势;干湿循环作用对LAHFS动态压缩力学性能有增强的效果,随干湿循环次数的增加,LAHFS受冲击荷载作用塑性阶段屈服平台较为明显。本试验得到,陶粒取代石子的较优取代率为7%,聚丙烯、玄武岩纤维的较优体积率范围分别为0.05%~0.1%、0.1%~0.2%。