框格梁用噴射鋼纖維混凝土的性能研究

陳 釗，尹 誠，韓雪剛

（岳陽市公路橋梁基建總公司 湖南岳陽414021）

0 引言

為維持人工開挖邊坡坡體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保證周邊建筑物及人員安全，常需對開挖后的高陡邊坡進行穩(wěn)定性分析［1-3］，并對其采取針對性的支護加固方案［4-5］。錨桿（索）框格梁體系作為邊坡加固結(jié)構(gòu)，已被廣泛應用于破碎的巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)邊坡的加固工程之中，錨桿（索）框格梁體系通過錨桿（索）的拉力將滑動的坡體與穩(wěn)定的基巖體連接為一體，增加了巖土體各層面的抗滑力，同時又通過坡面上的框格梁將各錨桿（索）連成為整體，形成一個由表至里的被覆式加固體系，有效提升了邊坡結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性［6］。

然而，目前框格梁通常采用現(xiàn)澆方法進行施工，框格梁現(xiàn)澆施工常存在諸多問題：①支模難度大，澆筑振搗混凝土易產(chǎn)生脹?；蚺苣栴}；②在高陡坡面上布設(shè)鋼筋籠施工困難，施工質(zhì)量難以保證；③坡面上澆筑混凝土，在混凝土自身重力作用下，易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。因此，為確保高陡邊坡框格梁的質(zhì)量并提高施工效率，擬采用性能優(yōu)異的鋼纖維混凝土及噴射施工工藝對其進行施工。

鋼纖維混凝土是一種新型的多相復合材料，而噴射鋼纖維混凝土多用于地鐵、基坑、隧道等地下結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域［7-10］，目前，采用噴射鋼纖維混凝土來施做高陡邊坡框格梁還鮮見報道。如采用噴射鋼纖維混凝土施做框格梁，具備施工效率高，施工過程不需振搗，開槽后不需支模板等優(yōu)點，同時可根據(jù)實際工程需求施做出任何形狀的結(jié)構(gòu)。

為此，本試驗選取工程中常用的波浪型鋼纖維和端鉤型鋼纖維為研究對象，通過室內(nèi)試驗探討鋼纖維類型及不同摻量對鋼纖維混凝土流動性、抗壓、抗拉以及抗折強度的影響規(guī)律，同時對錨桿與鋼纖維混凝土的粘結(jié)行為進行了分析，以期為噴射鋼纖維混凝土在高陡邊坡框格梁中的工程應用提供支撐。

1 鋼纖維混凝土室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料

水泥采用P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用粒徑5～15 mm 連續(xù)級配的碎石；細骨料選用河砂，表觀密度為2.58 g/cm3，細度模數(shù)為2.8；減水劑采用聚羧酸系減水劑，減水率為26%，含氣量為1.8%，堿含量（折固）為2.65%，pH 值=6.0；速凝劑采用JY 型速凝劑，初凝時間≤4 min，終凝時間≤7 min；采用上海某公司生產(chǎn)的波浪型鋼纖維和端鉤型鋼纖維，其規(guī)格均為30 mm×0.55 mm（長度×直徑），長徑比均為55，波浪型鋼纖維抗拉強度≥600 MPa，端鉤型鋼纖維抗拉強度≥1100 MPa；波浪型鋼纖維如圖1?所示，端鉤型鋼纖維如圖1?所示。

圖1 鋼纖維Fig.1 Steel Fiber

1.2 試驗配合比設(shè)計

參照《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程：JGJ 55—2011》及《噴射混凝土應用技術(shù)規(guī)程：JGJ/T 372—2016》，對噴射鋼纖維混凝土配合比進行設(shè)計。以素混凝土配合比（見表1）為基準，通過室內(nèi)試驗研究鋼纖維類型（波浪型鋼纖維，端鉤型鋼纖維）和體積摻量（0.0%，0.5%，1.0%，1.5%）對噴射鋼纖維混凝土流動性、力學性能及與鋼筋粘結(jié)性能的影響。

表1 素混凝土配合比Tab.1 Plain Concrete Mix Proportion

1.3 試件制作

制備150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件，測定鋼纖維混凝土的抗壓、抗拉強度；制備100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件，測定抗折強度。為研究鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)性能，試驗所用HRB400級月牙肋鋼筋的規(guī)格為直徑15 mm、長度420 mm，配置于150 mm×150 mm×150 mm 的立方體拉拔試件中心位置，其與混凝土基體的有效粘結(jié)長度為鋼筋直徑的5倍，即75 mm，采用PVC 管在試件內(nèi)部隔離出無粘結(jié)段以避免加載端混凝土受到局部擠壓，并在鋼筋的加載端和自由端分別預留240 mm、30 mm 長，如圖2?所示。試件制作時，首先所需材料按設(shè)計配合比稱量備用，先將水泥、河砂、碎石、速凝劑投入SID60 強制式單臥軸混凝土攪拌機中干拌3～5 min，持續(xù)攪拌的同時將鋼纖維緩慢加入攪拌機內(nèi)，最后將減水劑和拌合水的混合液連續(xù)均勻地澆入攪拌機的干混料中，當拌合物表面無氣泡冒出后即停止攪拌，隨后進行坍落度測試和試件澆筑。成型試件在室內(nèi)養(yǎng)護1 d 后脫模，再放置于標養(yǎng)室養(yǎng)護至28 d齡期，試件如圖2?所示。

圖2 拉拔試驗及養(yǎng)護中的試件Fig.2 Specimens of Drawing Test and Specimens in Curing

1.4 試驗方法

所有試驗均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準：GB/T 50080—2016》、《混凝土物理力學性能試驗方法標準：GB/T 50081—2019》及《鋼纖維混凝土試驗方法：CECS 13∶89》進行；室內(nèi)試驗內(nèi)容包括坍落度測試、抗壓強度、抗拉強度、抗折強度試驗以及鋼筋拉拔試驗；所用儀器包括TYA-2000A 型壓力試驗機、電液伺服萬能試驗機；抗壓強度試驗加載速率為0.50 MPa/s，抗拉、抗折強度試驗加載速率均為0.05 MPa/s，鋼筋拉拔試驗前進行預加載，取預施加荷載為20 kN，重復3次，正式加載方式為位移加載，加載速率為3 mm/min。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 鋼纖維類型及摻量對流動性的影響

鋼纖維混凝土的坍落度測試結(jié)果如圖3 所示，整體而言，摻入鋼纖維降低了拌合物的坍落度，而且降低效果隨鋼纖維摻量的增加越發(fā)明顯。當鋼纖維摻量為0.5%，波浪型鋼纖維混凝土和端鉤型鋼纖維混凝土的坍落度分別為195 mm 和190 mm，較素混凝土分別降低了13.3%和15.6%；逐漸提高鋼纖維摻量，兩者的坍落度持續(xù)降低，這是由于隨著鋼纖維摻量的增加，增大了拌合物內(nèi)部的摩擦力，從而流動性有所降低。當鋼纖維摻量增加到1.5%，波浪型鋼纖維混凝土和端鉤型鋼纖維混凝土的坍落度分別為170 mm 和160 mm，較素混凝土分別降低了24.4%和28.9%，此時拌合物振搗成型的難度較大，鋼纖維出現(xiàn)成團現(xiàn)象。對比波浪型鋼纖維混凝土可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼纖維摻量的增加，端鉤型鋼纖維混凝土的坍落度下降幅度更大；這是由于波浪型鋼纖維在拌合物中能均勻分散，而端鉤型鋼纖維由于兩頭彎鉤的存在，使得在攪拌過程中易搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而顯著增大拌合物內(nèi)部的摩阻力，因此拌合物的坍落度下降更為明顯，流動性較差。

圖3 坍落度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系Fig.3 Relationship between Slump and Types and Content of Steel Fiber

2.2 鋼纖維類型及摻量對抗壓強度的影響

鋼纖維混凝土1 d、28 d 抗壓強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系曲線如圖4 所示。從圖4 中可以看出，在混凝土基體中摻入鋼纖維，抗壓強度會有所提高，這表明在基體內(nèi)部呈三維亂向分布的鋼纖維起到了約束試件受壓膨脹的“套箍”作用。當鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%時，波浪型鋼纖維混凝土1 d 抗壓強度較素混凝土分別提高了2.2%、4.3%、5.4%，28 d抗壓強度較素混凝土分別提高了2.5%、4.0%、5.1%，而端鉤型鋼纖維混凝土1 d 抗壓強度分別提高了5.4%、7.6%、8.7%，28 d 抗壓強度分別提高了3.6%、6.2%、6.5%；由此可見，隨著鋼纖維摻量的增加，兩種鋼纖維混凝土的抗壓強度均有所提高，而抗壓強度增長速率逐漸降低。在鋼纖維摻量相同的條件下，端鉤型鋼纖維混凝土的抗壓強度略高于波浪型鋼纖維混凝土，這是由于兩頭有彎鉤的端鉤型鋼纖維在混凝土基體中錨固效果更好，能更好地發(fā)揮“套箍”作用。

圖4 抗壓強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系Fig.4 Relationship between Compressive Strength and Types and Content of Steel Fiber

通過抗壓強度可知，素混凝土試件呈現(xiàn)開裂并立即被壓碎的脆性破壞特征，同時出現(xiàn)剝離、掉塊現(xiàn)象。鋼纖維混凝土較素混凝土表現(xiàn)出一定的塑性破壞特征，試件在達到極限強度時無崩裂、無碎塊，僅產(chǎn)生了豎向裂縫和表面少量的剝落，基本保持了完整的外形，同時裂縫處有鋼纖維被扯出或拉斷的跡象。

2.3 鋼纖維類型及摻量對抗拉強度的影響

鋼纖維混凝土28 d 抗拉強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系曲線如圖5 所示。可以發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入鋼纖維后，抗拉強度相比于同配比的素混凝土有較大程度的提高。當鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%時，波浪型鋼纖維混凝土抗拉強度較素混凝土分別提高了42.4%、56.4%、60.6%，而端鉤型鋼纖維混凝土分別提高了60.6%、77.0%、84.8%；由此可見，在鋼纖維摻量相同的條件下，端鉤型鋼纖維對混凝土的抗拉強度的提升幅度更大。鋼纖維對混凝土抗拉強度的提高效果主要是通過鋼纖維在基體內(nèi)部的橋接作用來實現(xiàn)，在受荷情況下，鋼纖維將裂縫擴展界面的應力向四周傳遞，有效限制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展；端鉤型鋼纖維的兩頭彎鉤處有圓弧段，鋼纖維從基體拔出的阻力有所增大，能分擔更多由裂縫擴展界面?zhèn)鬟f來的應力，因此，相比于波浪型鋼纖維，端鉤型鋼纖維對抗拉強度的提升幅度更大。

圖5 抗拉強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系Fig.5 Relationship between Tensile Strength and Types and Content of Steel Fiber

當摻量達到1.0%后，隨著鋼纖維摻量繼續(xù)增加，抗拉強度提升幅度逐漸放緩；由于隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維與基體黏結(jié)界面間的缺陷逐漸增多，在受荷作用下內(nèi)部缺陷極易發(fā)展成細小裂縫，隨著荷載持續(xù)施加，試件內(nèi)部裂縫逐漸與表面裂縫貫通，直至破壞。

2.4 鋼纖維類型及摻量對抗折強度的影響

噴射鋼纖維混凝土應用在邊坡支護中主要是承受彎曲應力。鋼纖維混凝土28 d 抗折強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系曲線如圖6 所示。可以看出，無論采用何種類型的鋼纖維，抗折強度都隨著鋼纖維摻量的增加而有所提升；這表明鋼纖維摻量越大，纖維間距越小，更能抑制鋼纖維混凝土裂縫的發(fā)展，其韌性性能也越好。當鋼纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%時，波浪型鋼纖維混凝土的抗折強度較素混凝土分別提高了39.7%、58.8%、64.8%，而端鉤型鋼纖維混凝土分別提高了66.6%、84.5%、92.5%；表明在對抗折強度提高的貢獻中，纖維的增韌效果起到了關(guān)鍵作用，同時可以看出，在鋼纖維摻量相同的條件下，端鉤型鋼纖維混凝土的抗折強度高于波浪型鋼纖維混凝土，這充分說明鋼纖維的形狀對混凝土增韌效果影響顯著。由于端鉤型鋼纖維兩頭彎鉤的錨固作用，與基體的咬合力大于波浪型鋼纖維，這增加了鋼纖維被拉直及從基體中拔出所需的能耗，從而可以更大程度地承受裂縫擴展界面?zhèn)鬟f的應力，大幅提高混凝土的增韌效果。

圖6 抗折強度與鋼纖維類型及摻量的關(guān)系Fig.6 Relationship between Flexural Strength and Types and Content of Steel Fiber

通過抗折試驗發(fā)現(xiàn)，裂縫最先出現(xiàn)在小梁試件下部受拉區(qū)。對素混凝土而言，受荷條件下，小梁試件下部逐漸有細小裂縫產(chǎn)生，隨著荷載持續(xù)施加，裂縫迅速擴展并貫穿整個截面，試件發(fā)生了折斷破壞，破壞斷面較為平整，且呈現(xiàn)出脆性破壞特征，見圖7?。對端鉤型鋼纖維混凝土而言，小梁試件開裂后，可以聽到基體內(nèi)鋼纖維被拉斷或拔出的聲音，由于鋼纖維與基體之間的黏結(jié)作用，延緩了裂縫的擴展速率，并在達到最大荷載后，仍可繼續(xù)承載，但此時的強度不再增長；在小梁試件粗糙的破壞斷面周圍存在若干細小裂縫，與素混凝土小梁試件相比，裂縫數(shù)量更多、寬度更小，這是由于鋼纖維將荷載向四周傳遞所導致的；同時可以觀察到破壞斷面處鋼纖維有被拔出、拉斷和變形（兩頭彎鉤趨于平直）的現(xiàn)象，呈明顯塑性破壞特征，見圖7?。波浪型鋼纖維混凝土小梁試件的抗折試驗現(xiàn)象與端鉤型鋼纖維混凝土類似，同樣觀察到了破壞斷面處鋼纖維有被拔出、拉斷的現(xiàn)象。

圖7 混凝土小梁試件抗折破壞形態(tài)Fig.7 Flexural Failure Mode of Concrete Small Beam Specimens

2.5 鋼纖維類型及摻量與錨桿粘結(jié)性能的影響

由于拉拔試驗中錨桿有效粘結(jié)長度較小，所以假設(shè)粘結(jié)應力沿錨桿的有效粘結(jié)長度均勻分布，有效粘結(jié)長度范圍內(nèi)粘結(jié)應力的平均值即為錨桿與鋼纖維混凝土的粘結(jié)強度。依據(jù)《纖維混凝土試驗方法標準：CESC 13∶2009》，錨桿與鋼纖維混凝土間的粘結(jié)強度按式⑴計算：

式中：τ為錨桿與鋼纖維混凝土間的粘結(jié)強度（MPa）；F為最大拔出荷載（N）；d為錨桿的直徑（mm）；l為錨桿的有效粘結(jié)長度（mm）。

鋼纖維類型及摻量對錨桿與鋼纖維混凝土粘結(jié)強度關(guān)系曲線如圖8?所示。從圖8?中可以看出，波浪型及端鉤型鋼纖維混凝土與錨桿的粘結(jié)強度均高于素混凝土，這是由于錨桿與鋼纖維混凝土接觸處受力機制不同于素混凝土，見圖8?，鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)作用主要包括：①錨桿肋紋處與鋼纖維混凝土的機械咬合力；②錨桿與鋼纖維混凝土凹凸接觸面、鋼纖維的摩擦力；③錨桿與鋼纖維混凝土中膠凝材料的膠著力。

圖8 鋼筋與鋼纖維混凝土的粘結(jié)性能Fig.8 Bonding Behavior between Steel Bar and Steel-fiber-reinforced Concrete

同時，隨著鋼纖維摻量的增加，粘結(jié)強度呈現(xiàn)出上升的趨勢，且端鉤型鋼纖維混凝土與錨桿粘結(jié)強度的上升幅度更大，其原因可歸納為2個方面：①鋼纖維間距減小，增加了與錨桿接觸界面的粗糙程度，產(chǎn)生更大的摩擦阻力；②肋紋突出處有較多鋼纖維，拉拔時受到的抵抗力更大，錨桿受到的拉拔力可以通過鋼纖維較快地向四周傳遞［11］，顯著抑制接觸界面環(huán)向拉應力的擴展，避免出現(xiàn)應力集中，因此鋼纖維混凝土與錨桿的界面粘結(jié)性能有所提升，這種提升效應在鋼纖維摻量較小時更為突出，隨著鋼纖維摻量的進一步增加，粘結(jié)強度上升幅度有所降低，這說明了鋼纖維對粘結(jié)強度的增強作用存在上限。

3 結(jié)論

為在高陡邊坡框格梁施工中推廣應用噴射鋼纖維混凝土，本文就不同鋼纖維類型及摻量下鋼纖維混凝土的性能展開了研究，獲得了如下有益的結(jié)論：

⑴鋼纖維的摻入，顯著降低了混凝土的流動性，且隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的坍落度持續(xù)降低；在鋼纖維摻量相同的條件下，端鉤型鋼纖維混凝土的流動性略低于波浪型鋼纖維混凝土。

⑵鋼纖維的摻入對混凝土抗壓強度略有提升，而對抗拉、抗折強度的提升較為明顯，且鋼纖維的摻量越大，其提升的幅度越大，同時改善了混凝土的破壞形態(tài)，其中端鉤型鋼纖維的增強效果更加明顯，但隨著鋼纖維摻量的進一步增加，這種增強效果逐漸降低。

⑶波浪型與端鉤型鋼纖維混凝土與鋼筋的粘結(jié)強度均高于素混凝土，且隨著鋼纖維摻量的增加，其粘結(jié)強度上升幅度逐漸降低。

⑷綜合考慮現(xiàn)場噴射施工要求及材料性能，高陡邊坡框格梁用噴射鋼纖維混凝土推薦選用端鉤型鋼纖維，而且其體積摻量宜為1.0%，抗壓、抗拉及抗折強度較素混凝土分別提高6.2%、77.0%和84.5%，其與錨桿的粘結(jié)強度較素混凝土提高37.8%，此時噴射鋼纖維混凝土能達到最佳工作狀況。