噴射混凝土試驗方法述評

2006-08-31 00:00  留言

關鍵詞：噴射混凝土；抗壓強度；混凝土試件

0 引言

　　噴射混凝土的歷史可以追溯到20世紀90年代，美國史密森學會的Carl Akeley申請了一種把砂漿噴射在網(wǎng)格骨架模型上以便附著動物外皮的專利， 1910年美國的Allentown Cement Gun 公司購買了CarlAkeley的專利，開創(chuàng)了噴射混凝土的大規(guī)模商業(yè)應用的歷史。早期的噴射混凝土主要以砂漿為主，僅僅用作防止土石風化的一種封閉措施。經(jīng)過整整一個世紀的發(fā)展，如今噴射混凝土因施工迅捷方便、成本優(yōu)勢明顯、結構性能具有顯著的優(yōu)越性等，已成為公認的加固方法之一，廣泛應用于隧道、地下硐室、邊坡等的支護，以及建筑結構的加固、抗裂防滲工程等輔助結構措施。

　　值得注意的是，噴射混凝土工作性能的評價仍然局限于傳統(tǒng)的材料強度觀念。文獻檢索表明，當前評價噴射混凝土工作性能的試驗測試方法大致可分為： ① 抗壓強度測試方法； ② 梁試件彎折測試方法； ③ 板試件彎曲測試方法。本文比較全面地評價各測試方法的差異，以作為進一步開展相關研究工作的基礎。分析表明，國外的測試方法已經(jīng)超越單純的材料強度和材料性質測試，而以具備構件特征的試件性能作為測試標準，測試指標和測試方法的變化反映了素噴射混凝土向噴射混凝土結構的轉變。

1 強度型測試方法

　　用于評價噴射混凝土工作性能的強度型試驗方法，主要包括各種尺寸規(guī)格試件的抗壓強度試驗、抗劈裂強度試驗、噴射混凝土與受噴面的粘結強度試驗、類似于針入度試驗的抗刺入強度試驗等。

　　另外，包括國內工程界常用的“噴大板試驗”，也就是《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（ GB 50086 -2001）推薦的試驗方法其實也是一種強度型試驗方法。但是，這些試驗方法不能合理地反映噴射混凝土實際工作性能，尤其是不能反映如鋼筋網(wǎng)等增強/增韌材料的作用。

2 梁試件彎折試驗方法

　　梁試件彎折試驗（BEAM BEND TESTS）通常用來測定混凝土的開裂強度、極限強度、極限應變以及評價混凝土的彎曲性能。該試驗方法能一定程度上反映噴射混凝土的工作性能，包括抗裂、抗折及其延性和塑性的性能，是一種比較常用的混凝土材料性能試驗方法，國內外也用作噴射混凝土性能測試的參考方法。該方法相應的試驗規(guī)范有美國ASTM （American Society of TestingMaterials） C1018韌度指數(shù)法，日本JC I（Japan Concrete Institute） SFRC委員會的JSCE - SF4彎曲韌度系數(shù)法以及EFNARC （ European Federa2tion of Producers and App licators of Specialist Products for Structures）的“European Specification for Sp rayedConcrete”的抗彎強度方法。這三種規(guī)范試驗方法基本相同，只是整理結果的方法不同，ASTM C1018 得出的彎曲韌性是一個相對值， JSCE - SF4得到的是絕對彎曲韌性值， EFNARC的“European Specification forSp rayed Concrete”得到的是初裂抗彎強度和殘余抗彎強度。

　　ASTM C1018 方法利用理想彈塑性體作為材料韌性的參考標準，選用初裂點撓度δ的倍數(shù)作為終點撓度， 即3 倍（3δ）、5。 5倍（ 5。 5δ）、15。 5倍（ 15。 5δ）， 如圖1所示。韌度指數(shù)用I₅、I₁₀、I₃₀等表示，即：

　　該方法的優(yōu)點在于： ①參數(shù)指標有明確的物理意義，能比較確切地反映噴射混凝土的工作性能； ②韌度指數(shù)類似于工程常用的延性比，便于在工程中應用； ③不受試件形狀、尺寸的影響； ④因制定撓度為初裂點撓度的倍數(shù)，故初裂點偏移、撓度點位置、支座變形對I₅、I₁₀、I₃₀等影響不大。

　　但是，該試驗方法采用的梁試件與實際噴射混凝土受載作用機理存在較大的差別，其試驗結果只能表明噴射混凝土材料所具備的某些性能，不便于直接用于設計和指導施工。另外，由于試件尺寸和試件形式的限制，梁試件彎折試驗在用于評價鋼筋網(wǎng)增強/增韌噴射混凝土工作性能時存在先天的不足，鋼筋網(wǎng)在梁試件中如何考慮是一個突出問題，至今國內鮮有鋼筋網(wǎng)增強/增韌噴射混凝土工作性能研究的報道。

3 板試件彎曲試驗方法

　　板彎曲試驗（ SLAB BEND TESTS）是直接制作板試件來研究噴射混凝土的工作性能，因板試件比較符合噴射混凝土的實際工作形式，能更客觀、全面、確切地反映噴射混凝土的實際工作性能，便于直接設計和施工，盡管起步較晚，已取得了很多有價值得研究成果，該試驗方式得應用也正不斷擴大和逐步規(guī)范化。

3。1 初期的板彎曲試驗

　　初期研究噴射混凝土的板彎曲試驗直接參照噴射混凝土實際工作方式的模型試驗，其實是構件性能試驗。一般是制作比實際的錨桿間距（通常為1 m）稍大（如1． 6 m）的方形噴射混凝土板試件，在板的中央1 m²的方格上用4個螺栓將試驗板固定好，在試驗板的上表面中央1 m²的方格上按要求分級施加均布荷載（堆載或水袋的方式），在板底測量試驗板中心點的撓度，以測取板的荷載- 位移曲線為基礎來評價噴射混凝土的工作性能。

　　由于試驗板過于龐大，施加均布荷載等都造成試驗的難度較大，另外由于僅靠4個螺栓來固定試驗板，造成試驗結果的離散性較大，這種試驗方式逐步的被后期發(fā)展起來的試驗方式所取代，包括均布荷載或集中荷載作用下的方形板（簡支和固支）試驗、均布荷載或集中荷載作用下的圓板（簡支和固支）試驗，這些后期發(fā)展起來的試驗方式經(jīng)過不斷的驗證比較，一些較好的試驗方式被列為噴射混凝土規(guī)范的標準試驗。

3。2 EFNARC方板彎曲試驗

　　EFNARC的“European Specification for Sp rayed Concrete”方板彎曲試驗標準規(guī)定使用邊長為600 mm ×600 mm，厚100 mm，在邊長為500 mm ×500 mm的方形面積四周支撐的方板試件。在板的中心100 mm ×100 mm的面積上按要求加載，量測板底中心點的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對荷載- 撓度曲線積分計算板底中心撓度達到25 mm （相當于板的表面裂縫寬度達到5～10mm的情況）時試驗板所消耗的功（焦耳），以此為指標評價噴射混凝土的工作性能，該試驗的過程如圖2所示。

　　該試驗能比較合理地反映噴射混凝土的實際工作機理，而且比梁彎曲試驗簡便（盡管試件要重一些），試驗結果的歸一性也比梁彎曲試驗好。但由于很難做到板試件四邊支撐條件的完全一致，試驗結果依然存在較大的離散性。

3。3 ASTM C1550 - 03圓板彎曲試驗

　　澳大利亞的Bernard最先提出三點對稱支撐圓板彎曲試驗方法， ASTM已將其改進為“Standard TestMethod for Flexural Toughness of Fiber Reinforced Concrete （Using Centrally Loaded Round Panel） ”（ASTMC1550 - 03），該試驗方式有成為國際公認的噴射混凝土板試驗標準的趨勢。

　　ASTM C1550 - 03的標準圓板彎曲試驗如圖3所示。試驗使用的是直徑為800mm，厚75mm，板底三點（三個支撐點在一個750mm的圓周上）對稱簡支的圓板試件。在板的中心按要求施加集中荷載，量測板底中心點的撓度，得出荷載- 撓度曲線，對荷載- 撓度曲線積分計算板底中心撓度達到40mm （相當于噴射混凝土產(chǎn)生較大變形的情況）時試驗板所消耗的功（焦耳），以此為指標評價噴射混凝土的工作性能。

　　該試驗方式的簡便合理，而且試驗結果的歸一性很好。該試驗方式的發(fā)明者Bernard 經(jīng)過細致的比較后認為該方式是目前最合適、可靠的噴射混凝土工作性能評價方式。 Bernard 還在大量的試驗研究的基礎上總結出圓板彎曲試驗、方板彎曲試驗、以及梁彎曲試驗之間的關系：

　　1） EFNARC方板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為25 mm時）和圓板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為40 mm時）之間存在如式（4）的換算關系：

　　　　　　EFNARC_25mm （J ） = 215 ×RDP_40mm（ J ）（4）

　　式中， EFNARC_25mm（ J ） —EFNARC方板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為25 mm時）；RDP_40mm （ J ） —圓板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為40 mm時）。

　　2） JSCE SF4梁彎曲試驗的F_e₃ 值和圓板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為10 mm時）之間存在如式（5）的換算關系：

　　　　　　F_e₃ （MPa） = （RDP_10mm （J ） /92） ×1。33 （5）

　　式中， F_e₃ （MPa） —JSCE SF4梁彎曲試驗的F_e₃ 值； RD P_10mm （ J ） —圓板彎曲試驗板試件消耗的能量（板底撓度為10 mm時）。

4 結語

　　我國噴射混凝土的工程應用量很大，不僅用作開挖工程的臨時支護，很多工程結構物還將其作為永久性結構物的重要組成部分。因此，研究恰當?shù)膰娚浠炷列阅軠y試方法，不僅有利于保障工程結構物的安全性，也有利于開展新型噴射混凝土增強/增韌材料的基礎性研究。本文較全面地評述了當前國內外的測試方法和測試標準，發(fā)現(xiàn)國外已經(jīng)從單純的強度指標發(fā)展為工作性能的多指標測試，并且為新型噴射混凝土材料的應用提供了重要方向。作者建議加快噴射混凝土試驗方法和測試標準的研究，研制開發(fā)相關的測試設備，對于改進國內噴射混凝土性能評價體系、開展新材料和新技術研究、提高相關產(chǎn)業(yè)的技術水平都具有重要意義。基于此作者根據(jù)ASTM C1550 - 03的相關要求設計了如圖4所示的試驗系統(tǒng)，并在該試驗系統(tǒng)上進行了素噴射混凝土板、鋼筋網(wǎng)加強噴射混凝土板、FRP網(wǎng)片加強噴射混凝土板的工作性能評價試驗，限于篇幅，相關試驗結果將另文評述。

原作者：王勝輝袁勇

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