混凝土帆布護(hù)坡設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

劉慧艷

(遼寧省凌源市水務(wù)局設(shè)計(jì)院，遼寧 凌源 122500)

近幾十年來(lái)，提高水泥的力學(xué)性能以適應(yīng)更復(fù)雜的施工環(huán)境是一個(gè)重要的研究課題。為了減少對(duì)環(huán)境的影響，建筑中不斷使用新材料，其中，混凝土帆布是一種理想的護(hù)坡建筑材料[1-3]。

通常，像混凝土帆布這樣的布料是由制造商卷起并密封在一個(gè)包裝中的。它可以被運(yùn)送到部署地點(diǎn)以便于使用?；炷练荚试S在不需要攪拌/澆鑄/精整設(shè)備或框架的情況下進(jìn)行施工，工程師只需噴水就可以將混凝土帆布定位在目標(biāo)表面。混凝土帆布硬化后，形成剛性保護(hù)層。與傳統(tǒng)的護(hù)坡層材料(如噴射混凝土層)相比，混凝土帆布可以進(jìn)行更快、更容易和更具成本效益的產(chǎn)品安裝，并且具有減少環(huán)境影響、縮短施工周期和降低勞動(dòng)力成本的優(yōu)異效益[4-6]。在耐久性方面，混凝土帆布的耐磨性是標(biāo)準(zhǔn)OPC混凝土的兩倍，具有優(yōu)異的耐化學(xué)性、良好的耐候性，并且不會(huì)在紫外線(xiàn)下降解?；炷练季哂懈吣途眯?，預(yù)期壽命至少為50年。此外，混凝土帆布具有良好的抗?jié)B性，材料的滲透性主要取決于顆粒大小、顆粒密度、顆粒形狀或骨料周?chē)目紫督Y(jié)構(gòu)[7-9]。

混凝土帆布在邊坡防護(hù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[10-12]。然而，據(jù)作者所知，文獻(xiàn)中關(guān)于對(duì)混凝土帆布護(hù)坡的巖土工程性狀的研究很少。為了給混凝土帆布在邊坡防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)依據(jù)，文章對(duì)混凝土帆布護(hù)坡的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。首先，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)；其次，研究了混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的抗壓強(qiáng)度發(fā)展、拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度。最后簡(jiǎn)要介紹了混凝土帆布護(hù)坡的施工過(guò)程，分析了混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布層的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和位移，并對(duì)混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的拉伸和剪切強(qiáng)度進(jìn)行了比較。研究了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的混凝土和噴射混凝土邊坡的穩(wěn)定性。

1 機(jī)械性能

噴射混凝土是公路工程中廣泛應(yīng)用于路堤邊坡快速施工的一種工程材料。本節(jié)介紹了混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的組成和制備工藝。然后，測(cè)試了混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的抗壓強(qiáng)度延展、拉伸和剪切性能，并與噴射混凝土進(jìn)行了比較。

1.1 原材料及制備

混凝土帆布是一種三層復(fù)合構(gòu)件(如圖1所示)，其中底層是由復(fù)絲纖維制成的實(shí)心織物(SF層)，中間層是3D單絲纖維增強(qiáng)(間隔紗線(xiàn))無(wú)機(jī)基質(zhì)，頂層是由復(fù)絲纖維制成的網(wǎng)狀織物(MF層)。中間層填充一種水泥材料，它最初是柔性的，濕潤(rùn)后幾分鐘就會(huì)硬化。

圖1 混凝土帆布的三維結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，3D間隔織物是用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維編織而成的。本研究中，3D間隔織物的厚度為15mm。SF層和MF層通過(guò)間隔紗線(xiàn)連接。這些間隔紗線(xiàn)可以改善水泥層和織物層之間的黏合，并防止基體開(kāi)裂。在制備混凝土帆布的過(guò)程中，將一定比例的干粉混合物倒入混合器，以94r/min的速度攪拌10min，然后將混合好的粉末從MF層逐漸振動(dòng)到3D間隔織物中。當(dāng)三維間隔織物與粉末緊密浸漬時(shí)，在MF層上用環(huán)氧樹(shù)脂黏合一層PVC膜，以密封混凝土帆布。環(huán)氧樹(shù)脂固化后，混凝土帆布產(chǎn)品即可投入使用，需要提高混凝土帆布強(qiáng)度時(shí)，可在SF層表面噴自來(lái)水。如果水稍微滲入SF層，噴水將立即停止。樣品制備在25°C的室溫和75%的相對(duì)濕度下進(jìn)行。本研究所用的混凝土帆布初凝時(shí)間小于20min，終凝時(shí)間僅為40min。

噴射混凝土是邊坡防護(hù)快速施工的常用材料[13-15]。噴射混凝土的典型配合比被用作與混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的對(duì)比參考。噴射混凝土配合比見(jiàn)表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

受混凝土厚度的限制，用于抗壓試驗(yàn)的混凝土帆布試樣尺寸為15mm×15mm×30mm，而噴射混凝土試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。文章研究了它們1、3、7、28、60、180d的抗壓強(qiáng)度。使用尺寸為270mm×80mm×15mm的板，在養(yǎng)護(hù)28d后獲得普通混凝土、FRP增強(qiáng)混凝土帆布試樣和噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度。

當(dāng)邊坡防護(hù)層受到較大的側(cè)向荷載作用時(shí)，邊坡防護(hù)層可能發(fā)生剪切破壞。文章研究了固化10d后混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布在經(jīng)緯面內(nèi)方向的抗剪強(qiáng)度。剪切試驗(yàn)用混凝土帆布試樣的尺寸為120mm×40mm×15mm。用雙面剪切試驗(yàn)(如圖2所示)測(cè)試混凝土帆布和FRP在厚度方向上的抗剪強(qiáng)度。樣品尺寸為120mm×40mm×15mm。所有樣品儲(chǔ)存在養(yǎng)護(hù)室(20±2°C，60±5%RH)中，直到試驗(yàn)當(dāng)天。

圖2 雙面剪切試驗(yàn)

2 結(jié)果分析

混凝土帆布和噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖3所示?；炷练己蛧娚浠炷猎?80d的抗壓強(qiáng)度大致相同，混凝土帆布的1d抗壓強(qiáng)度約為42.92MPa(超過(guò)最終強(qiáng)度的80%)，而噴射混凝土的1d抗壓強(qiáng)度僅為10.21MPa(約為最終強(qiáng)度的35%)?；炷练嫉?0d抗壓強(qiáng)度幾乎達(dá)到其最終強(qiáng)度的90%，而噴射混凝土僅達(dá)到其最終強(qiáng)度的40%左右。顯然，早期高增長(zhǎng)率的保護(hù)層抗壓強(qiáng)度對(duì)于邊坡工程的快速施工具有重要意義。

圖3 混凝土帆布和噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度分析

混凝土帆布、噴射混凝土和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的28d拉伸性能如圖4所示。與噴射混凝土相比，混凝土帆布的抗拉強(qiáng)度在經(jīng)向上提高了1.43MPa，在緯向上提高了0.82MPa。如圖4(a)和圖4(b)所示，由于3D織物的加入，混凝土帆布表現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化行為，其極限拉伸應(yīng)變超過(guò)20%，而噴射混凝土表現(xiàn)出脆性行為。經(jīng)編混凝土帆布試樣在第一次裂紋處的拉伸應(yīng)力(0.72MPa)高于緯編混凝土帆布試樣(0.17MPa)。在第一道裂紋之外，緯紗混凝土帆布表現(xiàn)出更迅速的拉應(yīng)力增加。當(dāng)經(jīng)緯混凝土帆布的應(yīng)變進(jìn)一步增加到15.1%和22.0%時(shí)，其最大拉應(yīng)力分別為1.43MPa和0.82MPa。經(jīng)緯向角減小時(shí)，增強(qiáng)效率系數(shù)大幅度提高，經(jīng)緯向試樣產(chǎn)生差異。這是由于經(jīng)紗/緯紗強(qiáng)力的貢獻(xiàn)較大，沿加載方向的取向角減小。

FRP增強(qiáng)混凝土帆布的拉伸性能如圖4(c)所示。AFRP的加入使纖維增強(qiáng)混凝土的初始裂紋強(qiáng)度提高了5倍。此外，F(xiàn)RP增強(qiáng)混凝土帆布試樣的拉伸曲線(xiàn)表明，在應(yīng)變?yōu)?.06%(經(jīng)紗)和3.74%(緯紗)時(shí)，拉伸應(yīng)力達(dá)到峰值。超過(guò)峰值應(yīng)力后，拉應(yīng)力突然減小，并伴有局部裂紋擴(kuò)展?；炷练寄z接AFRP的塑性較低是由AFRP與混凝土帆布材料楊氏模量的差異造成的?；炷练?約30GPa)和3D間隔織物(約10GPa)的楊氏模量遠(yuǎn)低于AFRP(123GPa)的楊氏模量。因此，AFRP可以在很小的拉伸應(yīng)變下顯著提高FRP增強(qiáng)混凝土帆布的拉應(yīng)力。FRP增強(qiáng)混凝土帆布的承載力主要取決于AFRP的力學(xué)性能。但AFRP的極限應(yīng)變遠(yuǎn)低于3D間隔織物，一旦破壞，AFRP就不能再加固混凝土帆布。然后，連鑄機(jī)的應(yīng)力迅速下降到普通連鑄機(jī)的承載能力水平。

圖4 混凝土帆布、噴射混凝土和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的28d拉伸性能

綜上所述，F(xiàn)RP增強(qiáng)混凝土帆布的極限應(yīng)變低于混凝土帆布，AFRP的加入提高了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，但降低了延性。此外，AFRP的摻入可以顯著提高混凝土帆布的抗彎強(qiáng)度。FRP增強(qiáng)混凝土帆布的抗彎抗拉強(qiáng)度可達(dá)到50MPa，而混凝土帆布的抗彎抗拉強(qiáng)度僅為4MPa。

混凝土帆布和FRP加固混凝土帆布在10d的抗剪強(qiáng)度如圖5所示。經(jīng)向抗剪強(qiáng)度為3.5MPa，緯向?yàn)?.0MPa。FRP增強(qiáng)混凝土帆布的極限抗剪強(qiáng)度在經(jīng)紗方向?yàn)?.0MPa，在緯紗方向?yàn)?.4MPa。高抗剪強(qiáng)度避免了邊坡土層承受較大水平荷載時(shí)的剪切破壞?；炷练己虵RP增強(qiáng)混凝土帆布的厚度方向抗剪強(qiáng)度分別為6.5MPa和13.5MPa?；炷练己虵RP增強(qiáng)混凝土帆布在厚度方向的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于經(jīng)緯向的抗剪強(qiáng)度。

圖5 混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的剪切性能

述試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布具有高拉伸強(qiáng)度、快速硬化、高早期強(qiáng)度和高剪切強(qiáng)度的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使混凝土帆布成為快速施工護(hù)坡的理想材料。

3 結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)混凝土帆布和FRP增強(qiáng)混凝土帆布的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的測(cè)試，得出以下結(jié)論：

(1) 混凝土帆布的抗壓強(qiáng)度發(fā)展比噴射混凝土快得多，最終抗壓強(qiáng)度基本相同。盡管混凝土帆布的極限拉伸應(yīng)變是噴射混凝土的2.0倍，但混凝土帆布在緯向的初始裂紋抗拉強(qiáng)度與噴射混凝土相似，約為0.5MPa。FRP加固能顯著提高其抗拉強(qiáng)度，達(dá)9MPa，在厚度方向上其剪切強(qiáng)度可達(dá)10MPa。FPR加筋混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，作為應(yīng)急工程和復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡防護(hù)層具有更大的優(yōu)勢(shì)。

(2) FRP增強(qiáng)混凝土帆布具有較高的抗拉強(qiáng)度，顯著提高了安全系數(shù)。采用FRP加固混凝土帆布作為護(hù)坡層時(shí)，高度為10m的土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)達(dá)到2.0，而混凝土帆布僅能在6m以下的高度進(jìn)行防護(hù)。由于混凝土帆布具有較高的早期抗拉強(qiáng)度和楊氏模量，F(xiàn)RP加固混凝土帆布層邊坡在養(yǎng)護(hù)后24h內(nèi)的安全系數(shù)至少達(dá)到1.4，而噴混凝土保護(hù)層邊坡的安全系數(shù)小于1.2。這說(shuō)明FRP加固混凝土帆布更適合作為快速施工的邊坡防護(hù)層。

(3) 由于土體抗剪強(qiáng)度降低，邊坡穩(wěn)定性隨降雨入滲降低。然而，由于保護(hù)層的低滲透性和高抗拉強(qiáng)度，由FRP加固混凝土帆布層保護(hù)的10m高的斜坡可以保持其穩(wěn)定性。結(jié)合強(qiáng)度發(fā)展快的特點(diǎn)，在邊坡工程中應(yīng)用混凝土，對(duì)于在惡劣條件下(如強(qiáng)烈的落水、洪水、泥石流等)的快速施工具有重要意義。