鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能研究及應(yīng)用

任 崇 財(cái)

(1.山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006； 2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能研究及應(yīng)用

任 崇 財(cái)1,2

(1.山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030006； 2.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

以不同體積摻率的鋼纖維作為因變量，設(shè)計(jì)了鋼纖維噴射混凝土的配合比，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)了其力學(xué)性能，并通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)其在隧道工程中應(yīng)用效果進(jìn)行研究。室內(nèi)試驗(yàn)表明：當(dāng)鋼纖維體積摻率由0.0%增加到0.8%時(shí)，各齡期下鋼纖維噴射混凝土的抗拉與抗折強(qiáng)度得到了較大的提高；同時(shí)考慮滿(mǎn)足鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益的情況下，建議鋼纖維的最佳體積摻率取0.6%。工程應(yīng)用表明：在隧道二襯結(jié)構(gòu)中采用鋼纖維噴射混凝土后，具有施工方便、早期強(qiáng)度高、能夠與圍巖緊密接觸并提供支護(hù)抗力，對(duì)圍巖擾動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)，且襯砌結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力較小，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用前景廣闊。

鋼纖維；噴射混凝土；力學(xué)性能；室內(nèi)試驗(yàn)；工程應(yīng)用

鋼纖維噴射混凝土在普通混凝土中摻入一定比例的鋼纖維，均勻拌合后通過(guò)壓縮空氣快速?lài)娚渲两Y(jié)構(gòu)面可以形成一種抗彎拉、抗剪切、抗裂及抗磨性能優(yōu)異的一種新型復(fù)合材料[1-2]。目前，該種材料在道路、橋梁、隧道及地下工程中得到了較好的推廣，并取得了良好的工程應(yīng)用效果。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于鋼纖維混凝土的廣闊應(yīng)用前景，對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究。高爾新等[3]通過(guò)理論研究，基于鋼纖維的分布規(guī)律，從微觀上分析了其受力特性。范新等[4]在理論分析方法的基礎(chǔ)上，對(duì)其在各工程結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析及研究。韓玉芳等[5]論證研究了其在隧道工程中的應(yīng)用可行性及應(yīng)用效果。曹康建[6]介紹了在宜昌—巴東高速公路峽口隧道斜井中的應(yīng)用。宋艷等[7]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了鋼纖維噴射混凝土在深井軟巖隧道中的支護(hù)效果。由于鋼纖維混凝土的運(yùn)用日益增長(zhǎng)，對(duì)材料、力學(xué)性能與應(yīng)用的研究尤為重要，但國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能缺乏系統(tǒng)的研究，其在工程中的應(yīng)用效果亦需論證。

本文以不同體積摻率的鋼纖維作為因素變量，設(shè)計(jì)了鋼纖維噴射混凝土的配合比，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)了其力學(xué)性能，并通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)例對(duì)其在隧道工程中應(yīng)用效果進(jìn)行研究，具有重要意義。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

(1) 鋼纖維。采用破浪彎曲型剪切鋼纖維，其當(dāng)量直徑平均為0.5 mm，抗拉強(qiáng)度不小于500 MPa，長(zhǎng)徑比為55。

(2) 集料。粗骨料采用隧道工程現(xiàn)象基質(zhì)石灰?guī)r碎石，采用連續(xù)級(jí)配，其粒徑為6.0 mm～10.8 mm。細(xì)骨料采用普通河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.6。

(3) 水泥及外加劑。水泥采用海螺CONCH牌42.5R普通硅酸鹽水泥。外加劑為SY-7A型無(wú)堿液體速凝劑；硅粉的摻入量為1.8%水泥用量，拌合所用水為自來(lái)水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

綜合考慮抗壓、抗彎強(qiáng)度及抗折性能進(jìn)行混合料的配合比設(shè)計(jì)，速凝劑的摻入量取6%，制備試件時(shí)，分別取鋼纖維的體積摻率分別為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。拌和方法采用先干拌后濕拌，各試件的材料質(zhì)量配合比組成如表1所示。

表1 鋼纖維噴射混凝土配合比

1.3 試件制備

試件將基于隧道現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行制備，采用實(shí)地噴射裝模。對(duì)試件實(shí)地養(yǎng)護(hù)2 d后進(jìn)行拆模，脫模后轉(zhuǎn)移至試驗(yàn)室進(jìn)行28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方可進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)方案

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[8]，對(duì)鋼纖維噴射混凝土試件分別進(jìn)行抗壓、抗拉與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。其中，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)立方體試件，抗拉與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的采用標(biāo)準(zhǔn)小梁試件。試驗(yàn)采用WAW-2000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)定應(yīng)變率為10-4/s作為加載控制方式。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

配合比相同的情況下，對(duì)比A組與D組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可得兩類(lèi)混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。

圖1不同類(lèi)型混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知，兩種類(lèi)型混凝土的抗壓強(qiáng)度值相差不大，其值受鋼纖維的摻入影響并不明顯。相比于普通混凝土，鋼纖維混凝土的彈性模量值要略低，且在相同峰值應(yīng)力下，其峰值應(yīng)變?cè)黾?。另一方面，由圖1可知，普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降時(shí)斜率較大，曲線陡峭，呈脆性破壞特征。而鋼纖維噴射混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降幅度較為平緩，有一定的緩沖，呈塑性變形破壞特征，這是因?yàn)?，鋼纖維的摻入，大大提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，使得混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂時(shí)，由于鋼纖維與混凝土緊密粘結(jié)在一起，充分發(fā)揮了鋼纖維的抗拉性能，從而使混凝土的韌性明顯提高，由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性變形破壞。

2.2 纖維體積摻率對(duì)鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

相應(yīng)齡期下，不同鋼纖維體積摻率下的混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2鋼纖維體積摻率對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知，對(duì)于鋼纖維噴射混凝土，相應(yīng)齡期下，隨著鋼纖維體積摻率的增加，其抗壓強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)，但增加幅度不大，曲線平緩增長(zhǎng)，其中纖維摻率為0.8%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度提高幅度為20.7%。觀察圖2可知，鋼纖維體積摻率為0.4%時(shí)，鋼纖維噴射混凝土的14 d抗壓強(qiáng)度發(fā)生了降低，這是因?yàn)殇摾w維混凝土試件在制備時(shí)由于振搗不均勻而造成內(nèi)部密實(shí)度較低，從而降低了早期抗壓強(qiáng)度。

2.3 纖維體積摻率對(duì)鋼纖維噴射混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

14 d與28 d齡期下，不同鋼纖維體積摻率下的混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3鋼纖維體積摻率對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

由圖3可知，當(dāng)鋼纖維體積摻率由0.0%提高到0.8%時(shí)，各齡期下鋼纖維噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度得到了大幅度提高。其中，當(dāng)鋼纖維體積摻率為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%時(shí)，相比于普通混凝土，28 d抗拉強(qiáng)度提高幅度分別達(dá)到了31.2%、55.5%、89.3%、97.6%。因此，當(dāng)鋼纖維體積摻率為0.6%時(shí)，混凝土抗拉強(qiáng)度已得到了很好的增強(qiáng)，繼續(xù)提高纖維摻率，增強(qiáng)效果已不明顯。因此，就增加混凝土的抗拉強(qiáng)度而言，工程應(yīng)用中可取其最佳體積摻率為0.6%。分析抗拉強(qiáng)度增強(qiáng)機(jī)理可知，鋼纖維摻入拌合后，其與混凝土將緊密結(jié)合在一起形成統(tǒng)一整體，當(dāng)混凝土材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，鋼纖維與水泥膠體的界面粘結(jié)力將阻止裂縫的擴(kuò)展，同時(shí)鋼纖維將拉應(yīng)力向周?chē)D(zhuǎn)移并承擔(dān)大部分拉應(yīng)力，使得混凝土抗拉強(qiáng)度得到大幅度增強(qiáng)。

2.4 纖維摻率對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度與抗折初裂強(qiáng)度的影響

制備不同纖維摻率試件，待試件養(yǎng)護(hù)至28 d后，對(duì)其進(jìn)行抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鋼纖維噴射混凝土的抗折試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，在普通混凝土中分別摻入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的纖維體積摻率后，其抗折初裂強(qiáng)度分別提高了9.57%、38.03%、62.50%、69.41%；抗折強(qiáng)度分別提高了14.07%、48.19%、76.55%、83.80%。因此，鋼纖維摻入后，混凝土的抗折初裂強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度得到了有效的改善，其中抗折強(qiáng)度改善效果優(yōu)于抗折初裂強(qiáng)度。同時(shí)，當(dāng)鋼纖維體積摻率由0.6%提高到0.8%時(shí)，其抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果已不顯著，鋼纖維的摻率接近飽和。因此，針對(duì)抗折強(qiáng)度而言，考慮經(jīng)濟(jì)效益，工程應(yīng)用中可取鋼纖維的最佳體積摻率為0.6%。

2.5 纖維摻率對(duì)鋼纖維噴射混凝土彎曲性能的影響

工程中，隧道支護(hù)時(shí)的噴射混凝土將受到彎矩作用，其彎曲性能可通過(guò)彎曲韌性進(jìn)行表征。本文參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]，采用ASTMC1018韌度指數(shù)方法分別計(jì)算設(shè)定撓度所對(duì)應(yīng)下的彎曲韌度指數(shù)ηm5、ηm10、ηm30，其中，撓度分別設(shè)定為3.0、5.5、15.5倍初裂撓度。鋼纖維噴射混凝土的實(shí)測(cè)荷載-撓度曲線如圖4所示，其彎曲韌度指數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

圖4鋼纖維噴射混凝土的實(shí)測(cè)荷載-撓度曲線

由圖4可知，對(duì)于鋼纖維噴射混凝土，其在大撓度與開(kāi)裂的情況下，仍具備相當(dāng)高的韌性，而普通混凝土荷載-撓度曲線開(kāi)裂后極速下降。因此，鋼纖維的摻入顯著提高了混凝土的韌性，彎曲性能得到了有效增強(qiáng)。

表3 鋼纖維噴射混凝土的彎曲韌度指數(shù)

由表3可知，對(duì)于鋼纖維噴射混凝土，當(dāng)鋼纖維體積摻率由0.2%增加到0.8%的過(guò)程中，其彎曲韌度指數(shù)得到了有效的增加。其中當(dāng)鋼纖維的體積摻率大于0.6%后，彎曲韌度指數(shù)增長(zhǎng)幅度開(kāi)始減緩。而普通混凝土開(kāi)裂后即發(fā)生折斷，呈脆性破壞。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

某隧道處于新建高速公路上，隧道全長(zhǎng)6.5 km，地處構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)，地形復(fù)雜，隧道出口處500 m范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)層間破碎。實(shí)際踏勘并進(jìn)行專(zhuān)家會(huì)審后，決定對(duì)II類(lèi)、III類(lèi)圍巖采用鋼纖維噴射混凝土技術(shù)，并確定隧道左線ZK64+235—ZK64+259 、右線YK63+500—YK73+501采用全斷面鋼纖維濕式噴射混凝土進(jìn)行施工取待掛網(wǎng)噴射混凝土施工。其中鋼纖維的體積摻率取0.6%，各材料的性能、配合比設(shè)計(jì)均同室內(nèi)試驗(yàn)。

3.2 施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1) 拌合。采用強(qiáng)制式拌合工藝，按試驗(yàn)配合比確定各材料用量，先加集料、水泥及鋼纖維干拌30 s左右，再加水及外加劑濕拌70 s左右出料。

(2) 巖面處理。采用濕噴法進(jìn)行噴射，噴射前應(yīng)對(duì)巖面進(jìn)行處理，采用高壓水沖去巖面殘留巖塊及石粉；為保證噴射濕度及粘附力，噴射前應(yīng)在工作面上適當(dāng)灑水。

(3) 噴射工藝。噴射混凝土?xí)r，噴射角度應(yīng)在80°～90°內(nèi)，噴嘴至需要噴射面的距離宜為0.8 m～1.0 m，應(yīng)按螺旋形軌跡進(jìn)行移動(dòng)噴射，每次噴射厚度應(yīng)小于5 cm。

(4) 養(yǎng)護(hù)。噴射完成后并當(dāng)纖維噴射混凝土終凝2 h后，應(yīng)對(duì)襯砌處進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不低于14 d。

3.3 鉆芯取樣分析

對(duì)隧道左線ZK64+235—ZK64+259(共兩段，每段10 m)、右線YK63+500—YK73+501(共5段，每段20 m)鋼纖維噴射混凝土段進(jìn)行鉆芯取樣，對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)鋼纖維噴射混凝土的強(qiáng)度。檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 鋼纖維噴射混凝土段鉆芯取樣檢測(cè)結(jié)果

由表4可知，各路段鉆芯取樣結(jié)果表明，鋼纖維噴射混凝土在各齡期下抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均大于室內(nèi)試驗(yàn)值，且較好的滿(mǎn)足相應(yīng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，具有良好的強(qiáng)度。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

為對(duì)鋼纖維噴射混凝土路段襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)周?chē)鷰r層的擾動(dòng)情況以及自身實(shí)際力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，遂對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。選取右線YK63+500—YK73+501中第3段進(jìn)行圍巖應(yīng)力與鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控測(cè)量。

(1) 圍巖應(yīng)力。圍巖應(yīng)力的監(jiān)控設(shè)備采用JXY-3型雙模壓力盒進(jìn)行測(cè)量，壓力盒分別布設(shè)在墻腰、拱腰及拱頂處，圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 YK63+540—YK73+560段圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

由圖5可知，圍巖應(yīng)力在時(shí)間增長(zhǎng)的情況下呈增大趨勢(shì)，并逐漸趨于平穩(wěn)。圍巖最大應(yīng)力出現(xiàn)在墻腰右側(cè)，最大為0.28 MPa，且各測(cè)點(diǎn)的圍巖應(yīng)力均較小，在可控范圍內(nèi)。說(shuō)明鋼纖維襯砌結(jié)構(gòu)能夠與圍巖緊密接觸，提供支護(hù)抗力且對(duì)圍巖擾動(dòng)少。

(2) 鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力。采用振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量，應(yīng)變計(jì)分別布設(shè)在墻腰、拱腰及拱頂處的噴層中間，測(cè)試的方向選擇徑向應(yīng)力的方向。鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 YK63+540—YK73+560段鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

由圖6可知，鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力隨時(shí)間的增加緩慢增長(zhǎng)并逐漸趨于平穩(wěn)，最終增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎為0。鋼纖維噴射混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左側(cè)墻腰處，最大為0.52 MPa，且其余各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均較小，說(shuō)明襯砌結(jié)構(gòu)受力較小，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

(1) 鋼纖維摻入后與混凝土緊密粘結(jié)在一起形成統(tǒng)一整體，充分發(fā)揮了其抗拉性能，從而使混凝土的韌性明顯提高，由脆性破壞轉(zhuǎn)為塑性變形破壞。

(2) 當(dāng)鋼纖維體積摻率由0.0%增加到0.8%時(shí)，各齡期下鋼纖維噴射混凝土的抗拉與抗折強(qiáng)度得到了較大的提高；同時(shí)考慮滿(mǎn)足鋼纖維噴射混凝土的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)效益的情況下，建議鋼纖維的最佳體積摻率取0.6%。

(3) 工程應(yīng)用表明：在隧道二襯結(jié)構(gòu)中采用鋼纖維噴射混凝土后，具有施工方便、早期強(qiáng)度高、能夠與圍巖緊密接觸并提供支護(hù)抗力，對(duì)圍巖擾動(dòng)少等優(yōu)點(diǎn)。且襯砌結(jié)構(gòu)受壓應(yīng)力較小，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用前景廣闊。

(4) 由于隧道環(huán)境復(fù)雜，鋼纖維噴射混凝土的耐久性有待進(jìn)一步研究和探討。

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ExperimentalStudyonMechanicalPropertiesofSteelFiberReinforcedShotcreteanditsApplicationinTunnelEngineering

REN Chongcai1,2

(1.ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China; 2.KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyandTransportationIndustryinLoessArea,Taiyuan,Shanxi030006,China)

By taking different volume of steel fiber as a factor, this paper designed the mixture ratio of steel fiber shotcrete and then analyzed its mechanical properties by laboratory test, and discussed the application effects in tunnel engineering. Laboratory tests show that when the volume ratio of steel fiber increases from 0 to 0.8%, the tensile strength and flexural strength of steel fiber reinforced concrete under different ages can be improved dramatically, but the compressive strength change is not obvious. Considering the mechanical and economic benefits of steel fiber reinforced shotcrete, it is suggested that the optimum volume fraction of steel fiber should be 0.6%. The engineering application shows that the use of steel fiber shotcrete in tunnel lining structure has many advantages, such as convenient construction, high early strength and less disturbance to the surrounding rock. Moreover, the compressive stress of lining structure is small which could meet the requirement of structural safety design and has broad application prospects.

steelfiber;shotcrete;mechanicalproperty;laboratorytest;engineeringapplication

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.038

2017-06-15

2017-07-27

任崇財(cái)(1968—)，男，山西運(yùn)城人，高級(jí)工程師，主要從事公路橋梁工程的勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail: 646461088@qq.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)06—0189—05