濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土強(qiáng)度對比分析

馬雙獅 孫金坤 周文峰 蔣中友 楊 倩

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土強(qiáng)度對比分析

馬雙獅1孫金坤2周文峰2蔣中友1楊 倩2

（1.西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039；2.攀枝花學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000）

考慮噴射混凝土和普通混凝土一樣存在抗彎、抗拉能力較低及韌性較差等問題，對濕噴混凝土與濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的力學(xué)性能優(yōu)于普通濕噴混凝土，其中鋼纖維的摻入使得高鈦重礦渣混凝土的力學(xué)性能大幅增強(qiáng)，相較于普通濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度提升34.34%、抗拉強(qiáng)度提升57.06%、抗折強(qiáng)度提升36.32%，具有更好的柔韌性與抗裂性。

濕噴混凝土；濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土；抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；抗折強(qiáng)度

0 引言

噴射混凝土最初是由機(jī)噴砂漿發(fā)展而來，距今已經(jīng)有一百多年的發(fā)展歷史。最早使用噴射混凝土支護(hù)技術(shù)的是20世紀(jì)40年代修建奧地利卡普隆水力發(fā)電站的米爾隧洞，在初始階段，人們只會使用干噴法，但其噴射成型的襯砌強(qiáng)度低、易開裂、韌性差以及施工過程中粉塵濃度高、回彈率高等問題[1]。20世紀(jì)70年代濕噴法逐步興起，相對于干噴法降低了粉塵濃度和高回彈率改善了施工環(huán)境，但難以避免噴射混凝土本身抗變形差、易開裂、抗?jié)B性差、耐久性差等問題，直到纖維混凝土的出現(xiàn)使得這一問題得以改善[2]。在噴射混凝土內(nèi)部加入纖維改善其本身的結(jié)構(gòu)，通過纖維與水泥基體復(fù)合，增加其抵抗變形、開裂和耐久性差的問題，其中鋼纖維應(yīng)用較為廣泛因?yàn)槠渚哂休^高抗拉強(qiáng)度、握裹力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。高鈦重礦渣多孔的特性使得鋼纖維與高鈦重礦渣的內(nèi)聚力與摩擦力大大提高，與水泥基體的親和力也會隨之增強(qiáng)，加上高鈦重礦渣本身抗沖擊韌性、耐久性能、抗?jié)B性能好以及干燥收縮小[3-4]，與鋼纖維的復(fù)合提高了噴射混凝土抵抗變形、開裂和耐久性差的能力。通過對濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土與普通濕噴混凝土的強(qiáng)度性能對比分析，可以對濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土在工程的應(yīng)用提供一種思路。

1 力學(xué)性能對比分析

1.1 抗壓強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)方案根據(jù) GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]采用立方體抗壓強(qiáng)度Fcu強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，制作立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)非標(biāo)準(zhǔn)試塊，尺寸邊長100 mm，采用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)連續(xù)且均勻地以0.05~0.08 MPa/s的速度對試件進(jìn)行加載直到破壞，測得極限抗壓強(qiáng)度，根據(jù)規(guī)范該強(qiáng)度有一個換算系數(shù)為0.95，實(shí)測抗壓強(qiáng)度的0.95倍得到實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度，根據(jù)以下公式計算：

式中：Fcu--噴射混凝土立方體試件抗壓強(qiáng)度（MPa）；

F--試件破壞載荷（N）；

A--試件承壓面積（mm2）。

通過上述試驗(yàn)方法實(shí)際測得普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土立方體抗壓強(qiáng)度如下表。

表1 立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表1可知：普通濕噴混凝土7d抗壓平均破壞荷載為346.21kN，平均抗壓強(qiáng)度是32.89MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土7d抗壓平均破壞荷載為463.16MPa，平均抗壓強(qiáng)度為44.0MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了33.78%；14d普通濕噴混凝土抗壓平均破壞荷載為428.31kN，平均抗壓強(qiáng)度是40.69MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗壓平均破壞荷載為593.16MPa，平均抗壓強(qiáng)度為56.35MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了38.49%；28d普通濕噴混凝土抗壓平均破壞荷載為479.68kN，平均抗壓強(qiáng)度是45.57MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗壓平均破壞荷載為644.41MPa，平均抗壓強(qiáng)度為61.22MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強(qiáng)度提高了34.34%。

1.2 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度主要體現(xiàn)材料的柔韌性，本實(shí)驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm 的非標(biāo)準(zhǔn)棱柱體試件，根據(jù) GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范中尺寸換算系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)對測得的結(jié)果進(jìn)行換算，換算系數(shù)一般為 0.85。測定噴射混凝土抗折破壞載荷F，然后根據(jù)下列公式計算得到Ff：

式中：Ff--噴射混凝土抗折強(qiáng)度（MPa）；

F--破壞載荷（N）；

l--支座間跨度（mm）；

師：這幾位同學(xué)真不簡單，敢于大膽的質(zhì)疑教材，還能分析得如此深刻。這種懷疑精神，我們每一位學(xué)生最好都應(yīng)該具有的。

b、h--試件截面的高度和寬度（mm）。

通過上述試驗(yàn)方法實(shí)際測得普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土棱柱體抗折強(qiáng)度如下表。

表2 棱柱體抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：14d普通濕噴混凝土抗折平均破壞荷載為16.196kN，平均抗折強(qiáng)度是4.13MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗折平均破壞荷載為26.471MPa，平均抗折強(qiáng)度為6.75MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗折強(qiáng)度提高了63.44%；28d普通濕噴混凝土抗折平均破壞荷載為19.176kN，平均抗折強(qiáng)度是4.89MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗折平均破壞荷載為30.134MPa，平均抗折強(qiáng)度為7.68MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗折強(qiáng)度提高了57.06%。

1.3 抗折強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度是衡量混凝土抗開裂性能的主要指標(biāo)。噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度高則可以保障噴射混凝土在巷道圍巖之間起到很好的支護(hù)作用，保證支護(hù)的穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)根據(jù) GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于采用軸向拉伸試驗(yàn)在夾具處易發(fā)生應(yīng)力集中導(dǎo)致局部破壞，加載過程中軸線校準(zhǔn)困難易發(fā)生偏拉現(xiàn)象使測試結(jié)果發(fā)生較大誤差，故制作150mm×150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過下式進(jìn)行計算得到劈裂抗拉強(qiáng)度。

式中：Fts--立方體劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）；

F--試件破壞載荷（N）；

A--試件劈裂面面積（mm2），A=bh；

b、h--劈裂面試件寬度、高度（mm）。

表3 立方體抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：普通濕噴混凝土14d能夠承受的平均破壞荷載為113.383kN，平均抗拉強(qiáng)度是3.21MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗拉平均破壞荷載為163.540MPa，平均抗拉強(qiáng)度為4.63MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了44.23%；28d普通濕噴混凝土抗拉平均破壞荷載為138.108kN，平均抗拉強(qiáng)度是3.91MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗拉平均破壞荷載為188.106MPa，平均抗拉強(qiáng)度為5.33MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗拉強(qiáng)度提高了36.32%。

2 柔韌性與抗裂性對比

噴射混凝土的柔韌性和抗裂性存在正相關(guān)關(guān)系，一般來說提高噴射混凝土柔韌性，能夠減緩噴射混凝土的開裂趨勢，其抗裂性也越好。柔韌性可以通過抗折強(qiáng)度進(jìn)行表征，而抗裂性可以粗略的使用折壓比系數(shù) λ 來表征。

式中： λ--折壓比系數(shù)；

Ff--噴射混凝土抗折強(qiáng)度（MPa）；

Fcu--噴射混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）。

折壓比系數(shù)是個定義性的概念，這樣的比值正好和抗裂性成對應(yīng)的比例關(guān)系[6]，普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的折壓比系數(shù)見表4。

表4 噴射混凝土折壓比系數(shù)

通過表4可以看出：普通濕噴混凝土28d折壓比系數(shù)為0.107，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d折壓比系數(shù)為0.125，說明其抗裂性優(yōu)于普通濕噴混凝土，整體來看濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的柔韌性和抗裂性更好，更適合于巷道圍巖的支護(hù)。

3 結(jié)論

（1） 濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土7d的抗壓強(qiáng)度是44.0MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升33.78%；14d的抗壓強(qiáng)度是56.35MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升38.49%；28d的抗壓強(qiáng)度是61.22MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升 34.34%。

（2）濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d的抗折強(qiáng)度是6.75MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升63.44%；28d的抗折強(qiáng)度是7.68MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升57.06%。

（3）濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗拉強(qiáng)度是4.63MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升44.23%；28d抗拉強(qiáng)度是5.33MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升36.32%。

（4）摻入鋼纖維的全高鈦重礦渣濕噴混凝土相較于普通濕噴混凝土具有更高的強(qiáng)度、柔韌性及抗裂性。

[1]李伏虎，馬芹永.纖維材料在噴射混凝土中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2013（8）：169-171.

[2]朱廣兵.噴射混凝土研究進(jìn)展[J].混凝土，2011（4）：105-109.

[3]孫金坤.全高鈦重礦渣混凝土應(yīng)用基礎(chǔ)研究[D].重慶大學(xué)，2006.

[4]楊賀，梁賀之，迭健，等.高鈦重礦渣纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].鋼鐵釩鈦，2020，41(02):69-74.

[5]混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T50081—2019[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2019.

[6]任禹，成云海，王貫東，等.濕噴混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)分析及高應(yīng)力巷道支護(hù)應(yīng)用[J].混凝土，2013（3）：128-130+133.

馬雙獅（1994- ），男，四川省攀枝花市，漢族，學(xué)歷：碩士研究生，單位：西華大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，研究方向：建筑材料。

孫金坤（1975- ），男，云南省江川縣，漢族，學(xué)歷：博士研究生，職稱：教授，單位：攀枝花學(xué)院土木建筑與工程學(xué)院。

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1007-6344（2021）01-0035-02