玄武巖纖維噴射混凝土在熱害環(huán)境下的性能試驗(yàn)研究

周平　王志杰　楊躍　季曉峰

摘要：以隧道熱害問(wèn)題為背景，通過(guò)模型試驗(yàn)、近似模擬濕噴技術(shù)、定量分析及微觀測(cè)試相結(jié)合的方法研究不同摻量玄武巖纖維噴射混凝土劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，橫向?qū)Ρ葮?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和干熱養(yǎng)護(hù)下的不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能，同時(shí)也加入硅灰以及鋼釬維作為參照，以便從機(jī)理程度上提出更有效的解決熱害措施。試驗(yàn)研究表明：在混凝土中加入玄武巖纖維，對(duì)混凝土起到了增強(qiáng)和阻裂的作用，改善了混凝土的脆性易裂的破壞狀況。干熱環(huán)境下，加入少量的玄武巖纖維能夠提高混凝土的力學(xué)性能。當(dāng)玄武巖摻量為0.1%玄+5%硅灰時(shí)，噴射混凝土的力學(xué)性能最好，加入0.2%玄武巖纖維摻量，也有一定程度的改善。實(shí)際隧道施工中，可通過(guò)加入適量的玄武巖纖維和適量的硅灰，可降低混凝土在熱害環(huán)境下的危害。

關(guān)鍵詞：熱害；玄武巖纖維；噴射混凝土；劈裂強(qiáng)度；粘結(jié)強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2016）01006908

Abstract：

We studied the effect of different amount of basalt fiber on the splitting strength， bond strength and other mechanical properties of shotcrete under the context of tunnel heatharm by using a combined method of model test， approximate simulation wet shotcrete technique， quantitative analysis and microscopic testing. Then we compared mechanical properties of shotcrete with different amount of basalt fiber both under standard curing and dry heating curing， and added silica fume and steel fiber into shotcrete to find an effective way to solve heatharm. The results show that the basalt fiber added to the shotcrete can increase the strength of the shotcrete and resist cracks， which improves the fragility of shotcrete. Moreover， in dry and hot environment， a small amount of basalt fiber added can improve the mechanical properties of shotcrete. When the mixing amount of basalt consists of 0.1 percent basalt fiber and 5 percent silica fume， the mechanical properties of shotcrete is the best， and 0.2 percent basalt fiber added can also improve to a certain degree. In practice， adding moderate amount of basalt fiber and silica fume into shotcrete can reduce the damage of concrete under heatharm.

Keywords：heatharm； basalt fiber； shotcrete； splitting strength； bond strength

中國(guó)是世界上隧道數(shù)量最多的國(guó)家[1]。隨著長(zhǎng)大深埋隧道逐漸增多[2]，建設(shè)過(guò)程中會(huì)遇到高地?zé)岬茸匀粸?zāi)害[3]。高地?zé)嶂饕詢(xún)煞N形式出現(xiàn)，干熱和濕熱[4]。工程調(diào)研表明，在高地?zé)岘h(huán)境中，干熱環(huán)境普遍存在，干熱環(huán)境噴射混凝土性能劣化嚴(yán)重[5]，特別是粘結(jié)強(qiáng)度損失嚴(yán)重，甚至脫粘開(kāi)裂，對(duì)圍巖的支護(hù)作用基本失效，是制約高地溫噴射混凝土功能的關(guān)鍵要素。

玄武巖纖維作為中國(guó)最近幾年剛剛研發(fā)出的一種新型纖維材料[6]，在土木工程中的應(yīng)用研究還處于剛起步的階段。國(guó)外學(xué)者[711]玄武巖纖維復(fù)合材料力學(xué)方面的進(jìn)行了相關(guān)研究。中國(guó)學(xué)者如潘慧敏[12]和鄭捷 [13]將其合理地?fù)饺雵娚浠炷林?，利用玄武巖纖維和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“性能與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)超疊加”的復(fù)合材料設(shè)計(jì)理念。為改善混凝土脆性大、易開(kāi)裂等弊端，其他學(xué)者[1415]把玄武巖纖維材料引入到噴射混凝土中，更好的優(yōu)化噴射混凝土與巖石的界面性質(zhì)，提高粘結(jié)強(qiáng)度。對(duì)于熱害環(huán)境下的混凝土性能試驗(yàn)，鮮有學(xué)者對(duì)玄武巖纖維、硅灰以及鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行性能探究。

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)狀況下和干熱環(huán)境下研究不同玄武巖纖維慘量噴射混凝土的力學(xué)性能，設(shè)置不同纖維體積摻量對(duì)噴射混凝土劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的影響，優(yōu)化玄武巖纖維的摻量。同時(shí)對(duì)比探究鋼纖維以及玄武巖纖維與硅灰共同作用對(duì)噴射混凝土性能的影響，以便從不同角度尋找熱害環(huán)境下的最優(yōu)混凝土性能，對(duì)后期研究起到幫助作用。

1工況設(shè)計(jì)及試件成型

為減小試驗(yàn)偶然誤差，本次試驗(yàn)分兩批進(jìn)行，且兩批試驗(yàn)獨(dú)立進(jìn)行。

1.1試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

項(xiàng)目總共進(jìn)行兩次試驗(yàn)，分別對(duì)兩次試驗(yàn)進(jìn)行工況設(shè)計(jì)，如表1、表2所示。

1.2試件選擇

通過(guò)試驗(yàn)室現(xiàn)有的條件，進(jìn)行材料的組配試驗(yàn)，并用混凝土振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)成型混凝土近似模擬噴射技術(shù)，分析熱害環(huán)境對(duì)不同玄武巖纖維慘量的噴射混凝土性能的影響。表3和表4是試驗(yàn)試件尺寸規(guī)范和換算系數(shù)。

2混凝土原材料及配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)（JGJ55—2000）《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》和 （GB50086—2001）《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》計(jì)算得到各原材料配比情況如表5、表6所示。

第1批試驗(yàn)

試驗(yàn)準(zhǔn)備：晾曬砂子，清洗小石頭，并進(jìn)行烘箱加熱。準(zhǔn)備材料數(shù)據(jù)：mc0=440 kg，mw0=198 kg，ms0=950 kg，mg0=810 kg，m速=22 kg

各組用料情況如表5所示。

3試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境玄武巖纖維噴射混凝土性能研究

對(duì)經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)好的玄武巖纖維混凝土進(jìn)行性能試驗(yàn)，探索標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和干熱環(huán)境下的玄武巖纖維噴射混凝土的劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，如圖2和圖3所示。按照試驗(yàn)步驟，規(guī)范操作，得出一組劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為了減少誤差，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果更具說(shuō)服力，本組進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，第2次試驗(yàn)驗(yàn)證第1次試驗(yàn)。

玄武巖纖維噴射混凝土在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下（即20 ℃）養(yǎng)護(hù)，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：1）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，當(dāng)加入0.1%玄+5%硅灰時(shí)，玄武巖纖維噴射混凝土在劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度將大大提高。特別是針對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度，提高比例明顯。2）加入0.2%的玄武巖纖維，在劈裂強(qiáng)度中提高不明顯，但在粘結(jié)強(qiáng)度中強(qiáng)度大大提高。3）隨著玄武巖纖維含量的增加，劈裂強(qiáng)度先減小后增加，呈對(duì)數(shù)形式；粘結(jié)強(qiáng)度隨玄武巖纖維的增加而增加。

3.2干熱環(huán)境玄武巖纖維噴射混凝土性能研究

3.2.1劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

干熱環(huán)境下第1次試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如表11所示。

烘箱模擬干熱環(huán)境（即70 ℃），并在規(guī)定期限進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。對(duì)混凝土進(jìn)行劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出一些結(jié)論：1）在噴射混凝土中加入0.1%玄+5%硅灰時(shí)，將大大提高噴射混凝土的劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度。在劈裂強(qiáng)度中，相對(duì)于0%玄武巖纖維混凝土性能提高2 MPa。2）在第1次試驗(yàn)中，當(dāng)加入2%的玄武巖纖維，在劈裂強(qiáng)度中也提高了混凝土的劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，但在第2次試驗(yàn)中對(duì)其劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度提高性能不明顯。

3.3機(jī)理分析

比較在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和干熱環(huán)境下玄武巖纖維噴射混凝土的劈裂強(qiáng)度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可得出：1）在干熱環(huán)境下混凝土劈裂強(qiáng)度較標(biāo)養(yǎng)環(huán)境是下降的，即在現(xiàn)實(shí)熱害隧道工程中，干熱環(huán)境下的噴射混凝土性能劣化嚴(yán)重，所以有必要對(duì)混凝土進(jìn)行改善。2）從圖8可知，當(dāng)加入01%玄+5%硅灰時(shí)，其劈裂強(qiáng)度往上升趨勢(shì)，說(shuō)明適量的玄武巖與少量的硅灰將提高噴射混凝土的劈裂強(qiáng)度。干熱環(huán)境下，噴射混凝土容易過(guò)早裂化，硅灰的作用可減緩其裂化的時(shí)間。且在裂化過(guò)程中，玄武巖噴射混凝土受力初期應(yīng)變較小，玄武巖纖維承受的拉應(yīng)力小，混凝土起到主要的受力作用；隨著應(yīng)力逐漸增大，裂縫產(chǎn)生，應(yīng)力重分布，原來(lái)混凝土產(chǎn)生的應(yīng)力向玄武巖纖維轉(zhuǎn)移，使得裂縫處的玄武巖纖維能夠繼續(xù)承受荷載；如果裂縫處的玄武巖纖維越多，裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展的時(shí)間就越長(zhǎng)，從而提高劈裂的強(qiáng)度。

比較標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下和干熱環(huán)境下玄武巖纖維噴射混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖10和圖11所示。

1）相對(duì)于標(biāo)養(yǎng)環(huán)境，干熱環(huán)境下混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度降低。2）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在干熱環(huán)境下，加入0.1%玄+5%硅灰時(shí)，其粘結(jié)改善效果最好。另外，加入體積比2%的玄武巖纖維也可以較明顯的提高噴射混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。產(chǎn)生現(xiàn)象的原因在于混凝土在凝固過(guò)程中，由于體積減小，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的微小裂紋，這些裂紋的存在形成混凝土的初始缺陷，大大降低混凝土的抗拉強(qiáng)度。在干熱環(huán)境下，水份消失更快，凝固較早，裂紋產(chǎn)生加速。加入玄武巖纖維能夠減少因?yàn)樽冃味鸬牧鸭y，控制裂紋的數(shù)量，起到阻裂的效果。同時(shí)，玄武巖纖維在混凝土中形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，提供了拉拔或拔段荷載，從而提高了混凝土彎拉極限強(qiáng)度。熱害環(huán)境下的粘結(jié)強(qiáng)度效果比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的要差主要原因在于干熱環(huán)境下影響著玄武巖纖維與混凝土的相互作用力，但總體作用效果比普通混凝土好。

4結(jié)論

1）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：噴射混凝土在干熱環(huán)境下，其力學(xué)性能降低且劈裂強(qiáng)度較粘結(jié)強(qiáng)度降低幅度大。玄武巖纖維噴射混凝土在干熱環(huán)境下能夠改善混凝土因過(guò)早開(kāi)裂而失去承載能力，尤其是粘結(jié)強(qiáng)度大大提升。

2）研究結(jié)果表明：不同玄武巖纖維體積摻量對(duì)噴射混凝土性能的影響不一樣。當(dāng)加入0.1%玄+5%硅灰時(shí)，噴射混凝土的劈裂強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度改善效果明顯，加入0.2%玄武巖纖維慘量時(shí)，也有一定程度的改善。

3）干熱環(huán)境下以混雜玄武巖纖維和硅灰改性效果優(yōu)于單種玄武巖纖維噴射混凝土性能；鋼釬維在改性方面有待進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

4）在玄武巖纖維含量較少的情況下，玄武巖纖維噴射混凝土劈裂強(qiáng)度隨玄武巖纖維的含量變化影響小，實(shí)際試驗(yàn)中應(yīng)考慮加大玄武巖纖維的含量。

5）在實(shí)際工程中，噴射混凝土通過(guò)加入適量的玄武巖纖維和適量的硅灰，可有效降低熱害環(huán)境對(duì)混凝土的不利性能。

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（編輯王秀玲）