鋼纖維混凝土的基本特性及其在隧道工程中的應(yīng)用

楊 美

（山西長興路橋工程有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展及中西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步推進(jìn)，我國高速公路建設(shè)規(guī)模越來越大，其面臨的水文地質(zhì)條件、地形地貌、氣象等條件更加復(fù)雜，使得隧道工程在施工及運(yùn)營過程中面臨極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著新材料、新技術(shù)、新工藝的不斷發(fā)展，高速公路隧道建設(shè)技術(shù)也在飛速發(fā)展。鋼纖維混凝土作為一種新型建筑材料，其將鋼纖維作為一種加筋材料，利用鋼纖維的等向、高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)，使其具有較好的抗壓、抗拉、抗彎強(qiáng)度及抗裂性能等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效避免傳統(tǒng)混凝土的抗拉性能低、延展性差、易干裂的缺點(diǎn)。因此，鋼纖維混凝土逐步得到工程技術(shù)人員的青睞，其在隧道工程中的應(yīng)用逐步得到推廣。

國內(nèi)外學(xué)者們針對鋼纖維混凝土已開展了大量的研究工作，也取得了一系列的研究成果，極大促進(jìn)了鋼纖維混凝土技術(shù)的發(fā)展。韓玉芳[1]結(jié)合某隧道的工程案例，深入研究了鋼纖維噴射混凝土的工程特性，詳細(xì)闡述了采用濕噴法的鋼纖維混凝土的施工工藝及施工效果；胡磊[2]采用室內(nèi)試驗手段研究鋼纖維混凝土在隧道襯砌應(yīng)用時的力學(xué)特性，并利用理論分析手段研究鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系；王志杰[3]對比分析了普通混凝土、鋼筋混凝土及鋼纖維混凝土的變形特性，深入分析了鋼纖維混凝土隧道襯砌結(jié)構(gòu)的破壞特性及力學(xué)特性；曹康建[4]結(jié)合某公路隧道斜井的工程案例，深入研究了鋼纖維噴射混凝土在隧道工程中的支護(hù)機(jī)理及其力學(xué)特性。本文結(jié)合某高速公路隧道的工程案例，利用室內(nèi)試驗研究鋼纖維混凝土的基本特性，并結(jié)合工程實際情況分析其施工技術(shù)，為鋼纖維混凝土在隧道工程中的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

某高速公路隧道為上下行分離的雙向四車道分離式隧道，其左右線全長均為3 540 m，為特長公路隧道。該隧址區(qū)圍巖崇山峻嶺地帶，且?guī)r溶分布較多，屬典型的喀斯特地貌，其地層主要為坡崩積塊石土（Q4dl+el）、粉砂土、碎石土等，其抗壓、抗剪強(qiáng)度較差，透水性較強(qiáng)。同時，隧址區(qū)圍巖受地層斷裂帶及地質(zhì)構(gòu)造的影響，其破碎程度較高，節(jié)理裂隙較發(fā)育。由于碎石土中含有部分可塑性黏土，其具有一定的遇水膨脹性，導(dǎo)致其在施工過程中極易變形，施工難度較大。

該隧道左右洞均采用分段式送排結(jié)合通風(fēng)方式，左右洞均布設(shè)有1個斜井，其中左線斜井出口位于ZK9+235處，其距離隧道中心135 m，斜井長度為875 m，傾角為22°。結(jié)合本項目的實際情況，該斜井支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼纖維噴射混凝土。該斜井的具體情況見圖1。

圖1 隧道斜井現(xiàn)場情況圖

2 鋼纖維混凝土的基本特性

2.1 鋼纖維混凝土支護(hù)的基本原理

鋼纖維混凝土利用噴射機(jī)械，形成高壓，將鋼纖維、硅粉等材料加入到普通混凝土中，利用鋼纖維的抗拉性強(qiáng)、韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并充分發(fā)揮其阻裂作用，尤其在混凝土中處于跨裂縫及裂縫尖端位置的鋼纖維，能夠?qū)⒒炷翑嗔褧r所需的能量提高100倍左右，從而在混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，鋼纖維極大地防止了裂縫的發(fā)生，且在混凝土結(jié)構(gòu)受力過程中，鋼纖維極大地阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展?？傊?，鋼纖維的“加筋”作用，較大程度地增強(qiáng)了混凝土的承載力，有利于維持混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及耐久性。

在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中，通常采用鋼纖維噴射混凝土，其通過高速噴射使得混凝土受到連續(xù)沖擊，同時及時對隧道圍巖進(jìn)行封閉，防止風(fēng)化、卸荷的快速發(fā)展，使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了圍巖的自承能力。

2.2 鋼纖維混凝土極限抗壓性能

為全面掌握鋼纖維混凝土的極限抗壓性能，本文采用SYE-2000型萬能壓力試驗機(jī)進(jìn)行鋼纖維混凝土的極限抗壓試驗。該試驗機(jī)最大壓力可達(dá)2 000 kN，其加載速度精度可達(dá)0.1 MPa/s，其具體情況如圖2所示。

圖2 SYE-2000型萬能壓力試驗機(jī)

本次試驗的試樣采用現(xiàn)場濕噴法進(jìn)行制樣，采用模板制作成100 mm×100 mm×100 mm尺寸的立方體試塊，按照常規(guī)的養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)28 d，采用萬能壓力試驗機(jī)壓制試塊，其具體情況如圖3所示。

圖3 鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗情況

采用上述試驗測得鋼纖維混凝土極限抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)45.28 MPa，遠(yuǎn)大于普通C25鋼筋混凝土。從其破壞形態(tài)中可以看出，該鋼纖維混凝土試塊達(dá)到破壞狀態(tài)時并未發(fā)生崩裂、碎塊現(xiàn)象，僅出現(xiàn)了裂縫及剝落現(xiàn)象，且其橫向變形量較小，其破壞形式為延性破壞。

2.3 鋼纖維混凝土早期抗壓強(qiáng)度

為深入研究鋼纖維混凝土的早期抗壓強(qiáng)度的基本特性，本文采用《水泥混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗方法》中關(guān)于早期強(qiáng)度的測定方法，首先按照配合比進(jìn)行制樣，其試樣分兩種工況：普通噴射混凝土、鋼纖維噴射混凝土，其尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm立方體，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（溫度20℃，相對濕度不小于90%）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別選取齡期為8 h、12 h、1 d、3 d、7 d的試樣，進(jìn)行早期抗壓強(qiáng)度試驗，所得試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 早期抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

從圖4中可以看出，在不同齡期中，鋼纖維混凝土早期抗壓強(qiáng)度均明顯大于普通混凝土，且鋼纖維混凝土在齡期1 d時即達(dá)到了10.5 MPa，滿足隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)中對噴射混凝土強(qiáng)度不小于5 MPa的要求；且在齡期為3 d時，鋼纖維混凝土早期抗壓強(qiáng)度較普通混凝土的增幅最大，達(dá)到18%?？梢?，鋼纖維混凝土具有較強(qiáng)的早期抗壓強(qiáng)度，能夠滿足隧道掌子面開挖后的圍巖初期變形。

3 鋼纖維混凝土的施工技術(shù)

3.1 原材料

3.1.1 鋼纖維

本項目采用的鋼纖維為冷拉端鉤型，其鋼纖維直徑為0.35 mm，長度為50 mm，其抗拉強(qiáng)度不小于800 MPa，彎折性能不小于90%，其具體情況如圖5所示。

圖5 冷拉端鉤型鋼纖維

3.1.2 水泥

為保證鋼纖維與噴射混凝土的充分耦合，本項目所采用的噴射混凝土中水泥需進(jìn)行和易性試驗。經(jīng)和易性試驗后，本項目選用425號普通硅酸鹽水泥，其初凝時間不大于2 min，終凝時間不大于5 min，且保持了良好的水泥和易性。

3.1.3 粗骨料及細(xì)骨料

本項目采用的粗骨料為隧址區(qū)內(nèi)的采石場生產(chǎn)的碎石，其最大粒徑為10 mm，呈渾圓狀，表觀密度不小于2 800 kg/m3，骨料中細(xì)粒含量不大于20%。同時，為保證混凝土具有良好的配合比，本項目所采用的細(xì)骨料為河砂和人工砂進(jìn)行調(diào)配而成，其配合比為45%∶55%。

3.1.4 外加劑

結(jié)合本項目的實際情況，采用速凝劑及減水劑作為主要外加劑。其中速凝劑主要作用在于加快水泥中C3A的水化速度，使其生成鋁酸鹽而進(jìn)行凝結(jié)，其黏度在280～320之間，初凝時間不大于2 min，終凝時間不大于5 min。減水劑的主要作用在于保持水泥混凝土坍落度不變的情況下減少拌合水的用量，其減水率應(yīng)大于18%。

3.2 混凝土配合比

根據(jù)本項目的實際情況，其采用鋼纖維噴射混凝土作為單層支護(hù)結(jié)構(gòu)，為滿足其支護(hù)強(qiáng)度要求，采用室內(nèi)正交試驗及現(xiàn)場測試，其鋼纖維噴射混凝土的最佳配合比情況如表1所示。

表1 鋼纖維噴射混凝土最佳配合比

3.3 關(guān)鍵施工工藝

3.3.1 混凝土拌合及運(yùn)輸

在鋼纖維混凝土拌合過程中，為保證鋼纖維的均勻度，規(guī)定每次拌合量應(yīng)小于總拌合量的30%，且碎石、砂、水泥等材料的投放應(yīng)分批次進(jìn)行。同時，為使得外加劑發(fā)揮其最佳效應(yīng)，應(yīng)使其與水進(jìn)行充分混合后再拌合入混合料中，嚴(yán)禁直接摻入混合料中。鋼纖維混凝土拌合完成后，應(yīng)盡快運(yùn)輸至隧道施工處，其存放時間不大于2 h，且在運(yùn)輸途中要不斷攪拌，保持其和易性。

3.3.2 噴射面的預(yù)處理

為保證鋼纖維混凝土與圍巖能夠良好黏合，在噴射前，應(yīng)對噴射面的碎屑進(jìn)行清理，即采用高壓風(fēng)槍清理，并隨后采用高壓水槍清洗，使得接觸面圍巖處于飽和狀態(tài)。為減少噴射混凝土的回彈量，首先噴射一層3～5 cm厚的水泥砂漿墊層，再噴射鋼纖維混凝土層。

3.3.3 噴射混凝土養(yǎng)護(hù)

鋼纖維噴射混凝土在施工過程中極易出現(xiàn)干縮裂縫，嚴(yán)重影響隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能及耐久性。為此，在鋼纖維噴射混凝土施工完成后2 h內(nèi)必須采取養(yǎng)護(hù)措施，采用鋪薄膜法或濕噴法，使混凝土表面保持濕潤狀態(tài)，氣溫應(yīng)保持在5℃～10℃，養(yǎng)護(hù)時間為14 d。

本項目采用鋼纖維噴射混凝土的施工效果如圖6所示。結(jié)合現(xiàn)場的觀察情況可知，通過上述一系列的關(guān)鍵施工工藝，鋼纖維混凝土在隧道斜井的支護(hù)體系中可發(fā)揮較好的作用。

圖6 鋼纖維噴射混凝土施工現(xiàn)場情況

4 結(jié)論

本文結(jié)合某隧道斜井的工程案例，總結(jié)分析其工程特性，深入分析鋼纖維混凝土的作用機(jī)理及基本特性，在此基礎(chǔ)上研究了鋼纖維混凝土的施工關(guān)鍵技術(shù)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）鋼纖維混凝土的作用機(jī)理主要在于鋼纖維的“加筋”作用，其大幅增強(qiáng)了混凝土的承載力，有利于維持混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及耐久性。

b）鋼纖維混凝土極限抗壓強(qiáng)度平均值達(dá)45.28 MPa，遠(yuǎn)大于普通C25鋼筋混凝土；且鋼纖維混凝土具有較強(qiáng)的早期抗壓強(qiáng)度，能夠滿足隧道掌子面開挖后的圍巖初期變形。

c）鋼纖維噴射混凝土的施工關(guān)鍵技術(shù)主要有3個方面：混凝土拌合及運(yùn)輸、噴射面的預(yù)處理、噴射混凝土養(yǎng)護(hù)，從而保證鋼纖維噴射混凝土達(dá)到較好的施工效果。