用钢纤维混凝土结构性加固方案的试验结果和控制掺和料的措施

佛子岭水库是我国解放初期兴建的大型水库，其影响大，知名度高，对其大坝进行加固各方面都非常重视。在经过深入细致地研究和分析后，在诸多的加固方案中，选择了用钢纤维混凝土对其进行结构性加固。钢纤维混凝土作为一种新型材料，虽然在国内外多个工程中得到应用，但主要是用于地下工程，在公路、桥梁、建筑和机场等工程也有应用，在水利工程上虽也隅见应用，但主要是利用钢纤维混凝土的抗渗和耐磨性能，多用于溢流面抗冲刷和坝面防渗。将钢纤维混凝土特别是喷射钢纤维混凝土大规模地应用于结构性加固，在其他土木工程应用也不多，在水利工程还找不到先例。由于喷射钢纤维混凝土技术在我国正处于发展阶段，还没有关于喷射钢纤维混凝土方面的设计和施工规程规范，对喷射钢纤维混凝土的性能及其应用，还需要作大量的基础研究和试验。在佛子岭水库除险加固工程建设过程中，设计单位大胆地提出了采用喷射钢纤维混凝土这一新技术进行大坝加固的设计方案，为了将其付诸实施，建设、科研和施工等单位与设计部门一起，进行了大量着有成效的试验研究工作，取得了丰硕的成果，并将其成功地应用于佛子岭大坝加固这一工程实践，为喷射钢纤维混凝土在水库大坝结构性加固方面的应用开创了一个先例。

在大量的试验研究和工程实施中，主要取得了以下认识和成果：

（1）喷射钢纤维混凝土的机械性能对喷射钢纤维混凝土的性能影响较大。通过试验对泵送式和风送式两种国产喷射机械进行了比较，在弄清其固有工艺条件和参数的前提下，都可以正常进行喷射施工。国产设备对钢纤维混凝土拌和物的和易性要求低，适应性强，不易堵管，但存在工效低，脉动大，输送距离短，速凝剂计量不准确，易造成钢纤维混凝土质量不稳定等缺陷。而进口设备，对钢纤维混凝土拌和物的和易性要求高，适应能力差，易堵管，但优点是工效高，输送距离远，无脉动现象，速凝剂掺量准确，相对而言钢纤维混凝土质量比较稳定。如采用机械手操作，其优点就更为明显。

（2）钢纤维混凝土拌和物的粘聚性，直接与所使用的掺和料有关，这对钢纤维混凝土拌和物的性能要求较高的进口设备的泵送性影响较大。在试验过程中，在其他材料几乎不变的情况下，使用水泥用量6.76%的硅粉代替W后，明显改善了钢纤维混凝土拌和物的粘结性和凝聚力等性能，使其粘稠性显著增加，不仅增强了麦斯特湿喷机的可泵性，同时也改善了喷射效果。

（3）在其他材料几乎不变的情况下，仅通过改变粗骨料的形状，其钢纤维混凝土拌和物对喷射设备的适应性没有显著改善。

（4）在其他条件都可行的情况下，适当改变输送管道的长度，对钢纤维混凝土的拌和物的泵送性能没有决定影响。

（5）从佛子岭大坝加固工程中钢纤维混凝土测试结果来看，无论采用喷射还是采用模注施工的钢纤维混凝土，层面粘结力具有较大的离散性，新老混凝土结合面的粘结强度（轴拉试验）实测值在0～2.0MPa。

（6）在施工条件都允许的情况下，可优先采用模注钢纤维混凝土的施工工艺，不仅可以充分发挥钢纤维混凝土的各项性能，减小回弹损失，降低工程成本，工程质量也比较稳定。试验结果表明，在水泥和钢纤维用量均能节省的条件下，模注钢纤维混凝土的力学性能较喷射钢纤维混凝土有所提高。佛子岭大坝加固中，仅将原垛内喷射钢纤维混凝土改为模注泵送钢纤维混凝土，可节省近1000万元的工程投资。(www.xing528.com)

（7）对于特定的施工条件，如地下洞室、斜（拱）坡立模较为困难的结构面，采用喷射钢纤维混凝土的施工工艺也是可行的。不仅可以加快施工进度，也可以降低工程成本，工程质量也比较可靠。对于佛子岭大坝两端拱的加固，就是利用喷射钢纤维混凝土的施工工艺解决了这一施工难题的。

（8）钢纤维的回弹是喷射钢纤维混凝土施工中主要问题之一。通过试验对此问题进行了全面的分析，得出了在影响钢纤维回弹量的诸因素中，操作工艺的影响是主要的。在熟练操作手的手工操作下，进行正常喷射钢纤维混凝土施工时，总的钢纤维混凝土回弹量并不大，大约在12%以内。但在回弹料中钢纤维的含量较高，即喷射钢纤维混凝土施工中钢纤维的回弹率较高，达到30%左右。

（9）控制喷射钢纤维混凝土的干缩、防止收缩裂缝，对加固工程的质量和结构的耐久性具有重要作用。试验中分析了胶凝材料、骨料、外加剂和养护条件等对喷射钢纤维混凝土收缩的影响，特别是由于设计要求钢纤维混凝土有较高的强度，钢纤维混凝土配合比中有较多的胶凝材料，为了使钢纤维充分发挥作用，使用了较小的骨料，这些都对防止钢纤维混凝土的收缩不利。研究结果表明，控制微硅粉等掺和料的掺量，加强洒水养护是控制喷射钢纤维混凝土收缩，防止收缩裂缝的主要措施。

（10）在混凝土中掺入一定量的钢纤维后，混凝土的各项力学性能都有一定的改善。抗压强度提高不十分明显，而抗拉、抗韧、抗折和其韧性都有显著改善。

（11）钢纤维在拌和中易结团，这是散体钢纤维施工中遇到的实际问题。佛子岭大坝加固工程施工，大量使用长50mm的钢纤维，通过试验摸索，通过改变投料顺序，延长搅拌时间，成功解决了这一问题，降低了工程成本。

（12）通过佛子岭大坝加固工程的试验研究和工程实施，总结出麦斯特湿喷机手工操作的最佳状态为：喷射距离为0.8～1.2m、钢纤维混凝土输送方量为5～6m3/h、枪口风压为0.5～0.7MPa、喷枪口与受喷面夹角在80°～90°时喷射效果较优。

（13）喷射钢纤维混凝土的一次喷厚虽然与其拌和物的粘聚性关系密切，但主要取决于速凝剂本身的性能和掺量。现场试验摸索过程中，在掺用了速凝剂后，不论是使用W作为外加剂，还是使用硅粉，喷射钢纤维混凝土的厚度都曾达到40～50cm，成型的钢纤维混凝土也没有出现明显的下坠现象。