鋼纖維噴射混凝土的物理力學(xué)性能分析

王國珍 楊 科

（山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引言

20世紀(jì)60年代中期，英國人Majumdar首先研制成功了鋼纖維并申請了專利，此后英國專家學(xué)者相繼投入到鋼纖維生產(chǎn)工藝研究工作上來，并對鋼纖維混凝土物理力學(xué)性能開展了研究工作。20世紀(jì)90年代初，專家們在荷蘭召開的“國際會(huì)議”上認(rèn)為提高鋼纖維維的耐堿性擁有一定限度，通過降低水泥水化物溶液的堿度以提高水泥與鋼纖維的相容性。此后，鋼纖維混凝土開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，相繼在各個(gè)國家推廣使用并迅速實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。1975年之后，我國才開始針對鋼纖維混凝土開展大量研究與應(yīng)用。1983年，我國將鋼纖維的應(yīng)用技術(shù)研究納入到國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。此后，相繼研發(fā)了輕質(zhì)鋼纖維保溫板、隔墻板等，并將其投入到實(shí)際工程領(lǐng)域中，擁有較強(qiáng)的應(yīng)用效果。

經(jīng)過四十多年以來國內(nèi)外對鋼纖維性能研究，為了使得鋼纖維噴射混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度得以提高，可以在普通噴射混凝土中加入鋼纖維。將鋼纖維維摻入到水泥基體中可改善水泥的力學(xué)性能。針對鋼纖維這種特殊復(fù)合材料而言，鋼纖維維在水泥基體中的強(qiáng)度與韌性的大小能夠影響鋼纖維維最終的增強(qiáng)增韌效果。因水化后溶液對鋼纖維維造成大量腐蝕，大量專家學(xué)者嘗試多種方法對鋼纖維的耐腐蝕性進(jìn)行改善。其一，增強(qiáng)鋼纖維維自身耐堿能力；其二，對水泥基體材料進(jìn)行改性，主要以向水泥基體中加入火山灰質(zhì)材料、聚合物的方式進(jìn)行改進(jìn)，或者研究堿度較低的水泥水化溶液，以降低水化產(chǎn)物中堿含量。

目前，伴隨著鋼纖維生產(chǎn)技術(shù)逐漸提高，研究工作不斷深入，生產(chǎn)成本不斷降低，針對鋼纖維混凝土這種復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)、理論分析、設(shè)計(jì)方法的研究不斷完善，鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用研究工作更是如火如荼。

JD Krupa Abel等研究了鋼纖維混凝土混合組成的復(fù)合材料，并分析了硬度、沖擊強(qiáng)度、摩擦系數(shù)、等因素對這種復(fù)合材料的影響規(guī)律。Mohammadreza Eftekhari等利用芬德利功率法和時(shí)間-應(yīng)力等效原理（TSS）用以代表非線性粘彈性蠕變曲線，并研究了鋼纖維增強(qiáng)混凝土在室溫與高溫條件下的蠕變強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律。GJ Ma，HQ Xue 等研究了對不同摻量鋼纖維混凝土進(jìn)行了單向拉伸試驗(yàn)，分析了不同摻量的鋼纖維對混凝土抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。M.A.Ali，A.J.Majumdar等研究不同摻量、體積分?jǐn)?shù)、長徑比的鋼纖維對混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件隧道施工開挖之后，需要及時(shí)向圍巖噴射鋼纖維混凝土來控制圍巖的變形和松弛。噴射鋼纖維混凝土?xí)r，需要快速施工，混凝土快速達(dá)到一定的強(qiáng)度，但目前針對鋼纖維噴射混凝土的物理力學(xué)性能研究的相關(guān)文獻(xiàn)屈指可數(shù)，鋼噴射混凝土在隧道錨噴支護(hù)中的應(yīng)用更是少之又少。因此，我們很有必要的進(jìn)行鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能研究，為更加深入地研究鋼纖維噴射混凝土應(yīng)用于隧道錨噴支護(hù)中奠定基礎(chǔ)。

1 劈拉強(qiáng)度

鋼纖維混凝土最大優(yōu)點(diǎn)是起具有極優(yōu)良的拉伸性能，其中抗拉強(qiáng)度是鋼纖維噴射混凝土最重要的力學(xué)參數(shù)之一?？估瓘?qiáng)度能夠間接反應(yīng)鋼纖維噴射混凝土的其他力學(xué)指標(biāo)，如抗剪強(qiáng)度、沖切強(qiáng)度和鋼纖維與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度等。通過試驗(yàn)證明采用抗折試驗(yàn)和圓柱體或立方體的劈拉試驗(yàn)，也能夠確定混凝土的抗拉強(qiáng)度。鋼纖維噴混凝土的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法采用劈拉試驗(yàn)，劈拉強(qiáng)度就為鋼纖維噴射混凝土的整體抗拉強(qiáng)度。

鋼纖維噴射混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法與普通混凝土的試驗(yàn)方法相同，都是采用邊長為150mm立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)；但當(dāng)纖維長度小于等于40mm時(shí)，可以采用邊長為100mm立方體試件，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要乘以0.8的換算系數(shù)。在具體試驗(yàn)時(shí)還需考慮試驗(yàn)的加載速度，加載速度宜選取速度為0.02～0.05Mpa/s，當(dāng)試件在接近破壞且變形加速的狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)油門，記錄下試件破壞過程中的最大荷載，精確至0.01MPa。

2 抗折強(qiáng)度

在隧道襯砌、巷道加固、公路及機(jī)場路面工程等領(lǐng)域，往往會(huì)遇到構(gòu)件承受彎曲應(yīng)力的情況，這也是鋼纖維混凝土的優(yōu)勢。為了更好的為設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)必須對鋼纖維噴射混凝土的彎曲性能、抗折強(qiáng)度進(jìn)行研究，通過這些指標(biāo)對施工期混凝土質(zhì)量進(jìn)行有效控制。對普通混凝土梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)普通混凝土梁開裂即斷，呈現(xiàn)脆性破壞，因此把普通混凝土梁的初裂強(qiáng)度作為梁的整體的抗折強(qiáng)度。抗折強(qiáng)度是評(píng)價(jià)鋼纖維噴射混凝土以及噴射混凝土性能的重要指標(biāo)之一。鋼纖維噴射混凝土的彎曲性能在隧道襯砌、巷道加固等工程中表現(xiàn)尤為突出。同時(shí)，必須考慮到梁的界面尺寸、加載方式、跨高比、加載速度對梁抗折強(qiáng)度的影響。在鋼纖維噴射混凝土中，由于鋼纖維的阻裂增強(qiáng)和邊壁作用，使得與普通混凝土梁的強(qiáng)度存在很大差異，鋼纖維噴射混凝土的抗折強(qiáng)度與初裂強(qiáng)度有明顯提高，并且與鋼纖維的特征參數(shù)呈線性相關(guān)特性。

抗折強(qiáng)度作為鋼纖維噴射混凝土性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一，在摻入鋼纖維時(shí)，使得混凝土的強(qiáng)度發(fā)生了改變，此時(shí)在鋼纖維混凝土的邊緣界面上，鋼纖維所承受的承受一部分拉應(yīng)力，會(huì)使得混凝土的抗拉強(qiáng)度發(fā)生一定的降低，從而使得使混凝土的抗拉應(yīng)力重分布，試驗(yàn)表明混凝土的抗折強(qiáng)度也有顯著的提高。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)鋼纖維噴射混凝土的抗折試驗(yàn)試件尺寸之間的換算系數(shù)要比一般普通混凝土的換算系數(shù)大，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)是由于試模邊緣的鋼纖維受到一定的約束作用引起模型產(chǎn)生定向作用。通過試驗(yàn)表明，試件進(jìn)行試驗(yàn)測得的抗折強(qiáng)度值應(yīng)乘0.82換算系數(shù)。

3 早期抗壓強(qiáng)度結(jié)果及分析

根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件隧道施工開挖之后，需要及時(shí)向圍巖噴射鋼纖維混凝土來控制圍巖的變形和松弛。噴射鋼纖維混凝土?xí)r，需要快速施工，混凝土快速達(dá)到一定的強(qiáng)度，這樣既能防止圍巖變形和松弛，維護(hù)圍巖的自穩(wěn)能力，又能防止鋼纖維噴射混凝土因自重原因脫落，因此，鋼纖維噴射混凝土的早期強(qiáng)度對于隧道中快速施工、隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常重要。

根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及試驗(yàn)條件的局限性，在試件制作時(shí)，根據(jù)選定的鋼纖維噴射混凝土的配合比，對材料進(jìn)行攪拌，鋼纖維噴射混凝土的配合比與普通噴射混凝土相比，比除了摻入鋼纖維外，其它配合比與普通混凝土基本相同。

鋼纖維噴射混凝土與普通噴混凝土相比，鋼纖維噴射混凝土的早期強(qiáng)度得到明顯增高，早期抗壓強(qiáng)度增幅也不斷加大，因此在普通混凝土中摻入一定量的鋼纖維，能夠大大增加噴射混凝土的早期強(qiáng)度，在隧道單層襯砌的施工過程中，鋼纖維噴射混凝土能夠快速達(dá)到一定強(qiáng)度，防止圍巖變形，同時(shí)也能防止因自重鋼纖維噴射混凝土脫落。

4 結(jié)論

本文分析了鋼纖維噴射混凝土及普通噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、早期強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、以及不同纖維類型及摻量下的強(qiáng)度進(jìn)行了闡述，并對早期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析, 噴射鋼纖維混凝土?xí)r，需要快速施工，混凝土快速達(dá)到一定的強(qiáng)度，這樣既能防止圍巖變形和松弛，維護(hù)圍巖的自穩(wěn)能力，又能防止鋼纖維噴射混凝土因自重原因脫落。在隧道襯砌、巷道加固、公路及機(jī)場路面工程等領(lǐng)域，往往會(huì)遇到構(gòu)件承受彎曲應(yīng)力的情況，這也是鋼纖維混凝土的優(yōu)勢。為了更好的為設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)必須對它的彎曲性能、抗折強(qiáng)度進(jìn)行的研究，通過這些指標(biāo)對施工期混凝土質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。

[1]劉永勝, 王志亮, 李永池,等. 鋼纖維混凝土力學(xué)特性與本構(gòu)模型研究[J]. 低溫建筑技術(shù), 2009, 31(08):32-34.