混摻纖維對(duì)水工隧洞噴射混凝土力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究

劉 美

(深圳市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，廣東 深圳 518000)

1 概 述

在地下洞室工程建設(shè)過程中，噴射混凝土作為初支結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其質(zhì)量對(duì)工程建設(shè)的順利進(jìn)行和后期的維護(hù)管理都存在直接影響，因此提高初支噴射混凝土性能具有十分重要的意義和作用。根據(jù)相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，在混凝土中摻入一定量的纖維對(duì)彌補(bǔ)混凝土的固有缺陷、改善混凝土物理力學(xué)性能具有重要作用[1]。目前，可用于混凝土制作的外摻纖維數(shù)量眾多，性能單一，單摻纖維對(duì)混凝土性能的提升往往也是單方面的。如果在混凝土中混合摻入兩種纖維，可以有效發(fā)揮不同纖維性能的協(xié)同性，從不同方面提升噴射混凝土的性能[2]。但是，纖維的種類和摻量以及混摻比例都是混摻效果的影響因素，只有兩種纖維以最佳的摻入體積和摻入比例摻入噴射混凝土，方可獲得最佳工程效果[3]?；诖耍舜窝芯窟x擇高彈性模量的玄武巖纖維和高延伸率的聚丙烯纖維，以混合摻入的方式研究其對(duì)噴射混凝土性能的影響，以便為工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)噴射混凝土的使用規(guī)范和要求，此次研究選擇P.O42.5普通硅酸鹽水泥[4]。對(duì)水泥樣品的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表1。由表1可知，水泥材料的各指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求，可以用于此次試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)用粉煤灰為安徽淮南常華電力實(shí)業(yè)總公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，其細(xì)度為20.6%，需水量比為100%，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果符合 C30 混凝土技術(shù)指標(biāo)。

試驗(yàn)用砂為普通河沙，其細(xì)度模數(shù)2.59，為中砂，其含泥量小于2.1%，堆積密度為1 870 kg/m3，用于噴射混凝土的拌制較為理想。

表1 水泥樣品主要性能指標(biāo)測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)中使用的纖維為上海啟辰化工有限公司出品的玄武巖纖維和聚丙烯纖維。其中,玄武巖纖維的彈性模量為106 GPa，延伸率為3.5%；聚丙烯纖維的彈性模量為35.5 GPa，延伸率為8.7%。

噴射混凝土的粗骨料適合使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒徑不宜大于12 mm[5]。此次研究選擇的是人工石灰?guī)r碎石，質(zhì)地堅(jiān)硬，壓碎率小于2.3%，粒徑范圍為5.2～10 mm。

試驗(yàn)中使用的速凝劑為四川凱彤建筑材料有限公司生產(chǎn)的KTA-08型速凝劑，減水劑為四川凱彤建筑材料有限公司生產(chǎn)KTA-01聚羥酸效減水劑；試驗(yàn)用水為普通自來水[6]。

2.2 試驗(yàn)方案

結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和要求，此次研究選擇水工隧洞初支施工中常用的C30噴射混凝土作為研究對(duì)象，并以《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(DL/T 5330--2005)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)確定試驗(yàn)配合比[7]。其中，水泥、水、砂、粗骨料、粉煤灰、減水劑和速凝劑的每立方米用量分別為380、190、780、1 100、156、2.5和15.2 kg。鑒于不同纖維在密度上的差異性，試驗(yàn)中以體積比進(jìn)行摻加試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)。將兩種纖維分別以單摻0.2%、0.4%和0.6%的比例摻加進(jìn)再生混凝土，以沒有摻加纖維的噴射混凝土作為試驗(yàn)對(duì)照方案，共獲得7種單摻試驗(yàn)方案。在混摻方案中，設(shè)定玄武巖纖維占比為25%、50%和75%來確定混摻方案，分別記作混摻比1、混摻比2和混摻比3?；鞊嚼w維的總摻加率仍舊為0.2%、0.4%和0.6%，共獲得9種不同的混摻試驗(yàn)方案。對(duì)上述16種試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開分析。

2.3 試驗(yàn)方法

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)條件，試驗(yàn)中利用二次攪拌法進(jìn)行噴射混凝土的試件制作[8]。同時(shí)，為了提高試件的密實(shí)度，避免密實(shí)度不同對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能造成的顯著影響，在試件的制作過程中需要利用抹刀進(jìn)行人工插搗，再將試模放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)。將制作好的試件放置陰涼通風(fēng)處，靜置25 h拆模并編號(hào)，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。

對(duì)養(yǎng)護(hù)完畢的噴射混凝土試件進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)采用FTC-2000力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)中，每組試驗(yàn)方案進(jìn)行3次試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

根據(jù)單摻方案的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖1。由圖1可以看出，兩種纖維的抗壓強(qiáng)度變化特征明顯不同，但是單摻玄武巖纖維具有一定的優(yōu)勢(shì)，最佳摻量為0.4%。與對(duì)比方案相比，其抗壓強(qiáng)度值提高約6.97%，聚丙烯纖維的最佳摻量為0.2%，但是對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升作用相對(duì)比較有限。

根據(jù)混摻方案試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖2。由圖2可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度，與單摻纖維相比有明顯的優(yōu)勢(shì)。究其原因，主要是兩種不同性質(zhì)、不同優(yōu)勢(shì)的纖維混摻進(jìn)噴射混凝土，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的更好改善，從而有效抑制混凝土內(nèi)部不同屬性裂縫的發(fā)展，因此進(jìn)一步提高了噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。從不同的混摻比例來看，混摻比1和混摻比2條件下，抗壓強(qiáng)度隨著纖維總摻量的增加而增大，也就是總產(chǎn)量越大，抗壓強(qiáng)度的提升效果越明顯。而在混摻比3的條件下，增加纖維總摻量并不能有效提升噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。總體來看，混摻比2不僅在相同摻量下的抗壓強(qiáng)度值較大，同時(shí)總摻量在0.4%時(shí)即可獲得較好的工程效果。

圖1 單摻方案抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖2 混摻方案抗壓強(qiáng)度變化曲線

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

根據(jù)單摻方案的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，單摻纖維有助于提高試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，從具體的變化規(guī)律來看，無論是摻加玄武巖纖維還是摻加聚丙烯纖維，劈裂抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)，均為摻加量為0.2%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度最大。兩種纖維相比，單摻聚丙烯纖維更有優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)混摻方案試件的劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖4。

圖3 單摻纖維劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

圖4 混摻纖維劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

由圖4可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，與單摻纖維相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，其原因與抗拉強(qiáng)度類似，這里不再贅述。從具體的變化趨勢(shì)來看，噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維總摻量的增加均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)。由此可見，單純提高纖維摻量并不能獲得更好的劈裂抗拉強(qiáng)度提升效果，原因是纖維摻量的大幅增加，會(huì)影響到混凝土內(nèi)部的密實(shí)度。從不同的纖維占比方案來看，混摻比3在纖維總摻量4%時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度最大，為最優(yōu)纖維配比和纖維總摻加量。

3.3 抗折強(qiáng)度

根據(jù)單摻方案的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，單摻纖維有助于提高試件的抗折強(qiáng)度。此外，噴射混凝土的抗折強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。摻加玄武巖纖維和摻加聚丙烯纖維方案均為摻加比例為0.4%時(shí)，抗折強(qiáng)度達(dá)到最大。從兩種纖維的對(duì)比來看，聚丙烯纖維的效果更佳。

根據(jù)混摻方案試件的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土抗折強(qiáng)度隨纖維摻量的變化曲線，結(jié)果見圖6。

圖5 單摻纖維抗折強(qiáng)度變化曲線

圖6 混摻纖維抗折強(qiáng)度變化曲線

由圖6可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的抗折強(qiáng)度，與單摻纖維相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，其原因與抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度類似，這里不再贅述。從具體的變化趨勢(shì)來看，混摻比3條件下，抗折強(qiáng)度隨纖維總摻量的增加而增大；混摻比1和混摻比2條件下，抗折強(qiáng)度隨纖維總摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。從不同纖維摻加比例方案的對(duì)比來看，摻加比2在總摻量為0.4%時(shí)的抗折強(qiáng)度最大，為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了混摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維對(duì)水工噴射混凝土物理力學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：

1) 在水工噴射混凝土中摻加一定量的纖維，可以有效提升其力學(xué)性能，摻加聚丙烯纖維的工程效果更佳。

2) 混摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維與單摻纖維相比，具有更為明顯的優(yōu)勢(shì)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

3) 當(dāng)玄武巖纖維和聚丙烯纖維的體積摻量為1∶1、總摻量為0.4%時(shí)，可以獲得最佳效果。