纖維對噴射混凝土抗折強度的影響

王嘉旋 王家赫 渠亞男 仲新華 蘇婉玉 李連吉 孔慶欣

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室， 北京 100081

噴射混凝土是一種通過機械將混合的拌和料噴射至受噴面上硬化成型的混凝土。由于其獨特的施工工藝和免于支護、成型迅速的優(yōu)點，在鐵路隧道初期支護中取得了廣泛的應(yīng)用。隨著我國鐵路隧道越來越多地途經(jīng)不良地質(zhì)地帶，工程沿線巖爆、軟巖大變形等地質(zhì)問題突出，給隧道建設(shè)施工進度、人員安全帶來極大挑戰(zhàn)。素噴射混凝土強度低、韌性差、破壞呈脆性［1］，亟須提升其性能以適應(yīng)隧道建設(shè)要求。任崇財［2］通過試驗研究了波紋鋼纖維對混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維體積摻量為0.8%時，混凝土28 d抗折強度提高幅度為83.8%。劉新榮等［3］發(fā)現(xiàn)在端鉤型鋼纖維0.5%、0.8%的體積摻量下，噴射混凝土的抗彎、抗拉強度隨著摻量增加均顯著提高。田文元［4］研究了濕噴仿鋼纖維噴射混凝土，當(dāng)摻入1 kg/m3的仿鋼纖維時相較于對照組混凝土抗折強度提升了45.8%。楊健輝等［5］研究發(fā)現(xiàn)，摻入0.7%端鉤型鋼纖維與0.3%的仿鋼纖維，28 d抗折強度較普通混凝土提高了18.2%。從上述研究可以看出，摻入纖維可極大地提升混凝土性能，進而提高噴射混凝土的適用性，從而保障隧道施工與服役安全。

本文選取工程中常用的纖維，開展纖維噴射混凝土抗折強度、應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗，研究纖維對噴射混凝土強度的影響規(guī)律，提出抗折強度發(fā)展公式，探究不同纖維對混凝土抗折強度增強機理。本文成果可為纖維噴射混凝土的工程應(yīng)用提供一定參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

水泥為P·O 52.5硅酸鹽水泥，燒失量2.43%，密度3.12 g/cm3；硅粉的SiO2含量86.9%，密度2.214 g/cm3，粒徑0.31 μm，比表面積20 m2/g；碎石粒徑為5 ~10 mm；機制砂，細度模數(shù)3.16；速凝劑，堿含量0.19%，含固量51.84%；聚羧酸減水劑，減水率32%；端鉤型鋼纖維長度30 mm，直徑0.50 mm；波紋型鋼纖維長度30 mm，直徑0.97 mm；仿鋼纖維長度30 mm，直徑0.60 mm。

1.2 配合比

水膠比為0.37，砂率為51%，膠材摻量為470 kg/m3，其中硅灰摻量35 kg/m3，基準(zhǔn)組粗細骨料摻量分別為833、883 kg/m3；端鉤型鋼纖維設(shè)置10、20、30 kg/m3 三個摻量；波紋型鋼纖維摻量為30 kg/m3；仿鋼纖維摻量為7.6 kg/m3；摻入纖維后混凝土增大的體積量從砂石骨料中按砂率不變原則等體積扣除。下文配合比編號中JZ表示基準(zhǔn)組，DG表示單摻端鉤型纖維，BW表示單摻波紋型纖維，F(xiàn)G表示單摻仿鋼纖維，數(shù)字表示纖維摻量（kg/m3）。

1.3 試驗方法

抗折試件參照JGJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》噴射成550 mm × 450 mm × 120 mm的大板，隨后切割為100 mm × 100 mm × 400 mm棱柱體開展試驗。試驗方法參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》、JGJ/T 372—2016進行。采用切割而成的100 mm × 100 mm × 300 mm棱柱體試件開展受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗。試驗中以0.3 MPa/s的初始加載速度對試件進行預(yù)壓，加載至破壞荷載的40%。正式加載時，加載速度為0.5 mm/min，等速率位移加載直至破壞。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 端鉤型鋼纖維對噴射混凝土抗折強度的影響

噴射混凝土抗折強度與端鉤型鋼纖維摻量的關(guān)系見圖1。可知：未摻纖維的試件1、3、28 d抗折強度分別為3.7、4.3、6.0 MPa。摻入10 kg/m3端鉤型鋼纖維1、3、28 d抗折強度相較于未摻纖維分別提升了10.8%、7.0%、10.0%；摻入20 kg/m3端鉤型鋼纖維1、3、28 d抗折強度相較于未摻纖維分別提升了27.0%、34.9%、25.0%；摻入30 kg/m3端鉤型鋼纖維，1、3、28 d抗折強度相較于未摻纖維分別提升了43.2%、67.4%、46.7%?？梢钥闯觯算^型鋼纖維起到了阻礙混凝土內(nèi)部裂縫擴張的作用，從而大大提升了抗折強度。

圖1 混凝土抗折強度與端鉤型鋼纖維摻量的關(guān)系

2.2 不同纖維對噴射混凝土抗折強度的影響

配合比DG30、BW30以及FG7.6的纖維體積摻量均為0.38%，對噴射混凝土抗折強度影響對比見圖2?？芍簩娚浠炷量拐蹚姸忍嵘Ч筛叩降鸵来螢槎算^型鋼纖維、波紋型鋼纖維、仿鋼纖維。端鉤型鋼纖維的彎鉤以及波紋型鋼纖維的異形表面的存在增大了混凝土強度提升效果，而仿鋼纖維外表平直光滑，故對混凝土抗折強度提升最小。隨著齡期發(fā)展混凝土基體強度提升，與異形表面的握裹更為緊密，使得波紋型鋼纖維后期對抗折強度的提升接近端鉤型鋼纖維。

圖2 不同纖維對抗折強度的影響對比

2.3 端鉤型鋼纖維對噴射混凝土延性的影響

通過試驗得到受壓應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€試驗峰值應(yīng)變。配合比DG30的峰值應(yīng)變（4.52 × 10-3）相較于JZ（3.87 × 10-3） 提升了16.8%。端鉤型鋼纖維摻入到噴射混凝土中，提升了噴射混凝土的延性與變形能力。

參考文獻［6-7］，采用上升段為多項式，下降段為有理分式的混凝土全曲線方程，對應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€進行擬合分析。多項式具體形式為

式中：y為應(yīng)力（σ）與峰值應(yīng)力（fc）的比值；x為應(yīng)變（ε）與峰值應(yīng)變（ε0）的比值；a、b為多項式參數(shù)。

不同配合比的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線見圖3?？芍?，DG30下降段較為平緩，峰后曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積明顯增大，表明端鉤型鋼纖維對纖維噴射混凝土增強作用明顯。

圖3 不同配合比的應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線

當(dāng)擬合方程中上升段參數(shù)a值增大，下降段參數(shù)b值減小時，則曲線更為平緩，混凝土的延性越好。摻入端鉤型鋼纖維有效提高了試件的延性與韌性。

2.4 纖維噴射混凝土抗折強度發(fā)展規(guī)律

由于摻入速凝劑纖維噴射混凝土強度發(fā)展迅速，對抗折強度隨齡期的發(fā)展規(guī)律進行分析可知，1 d強度可達到28 d強度的40% ~ 60%，3 d強度可達到28 d強度的70% ~ 80%。引用規(guī)范MC10《CEB‐FIP Model Code 2010》［8］中的強度發(fā)展公式［式（2）］，對抗折強度隨齡期的發(fā)展進行擬合分析，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 抗折強度發(fā)展公式參數(shù)

式中：f(t)為t齡期時混凝土的強度；A為與混凝土自身性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；B為28 d齡期時混凝土強度。

由表2可知，相關(guān)系數(shù)（R2）很高，說明該強度發(fā)展模型與纖維噴射混凝土的實際情況擬合良好，可反映強度發(fā)展規(guī)律。對A值取均值；B值與28 d強度接近，將B取為28 d強度。則不同齡期纖維噴射混凝土抗折強度公式為

式中：f（ft）為纖維噴射混凝土齡期（t）時的抗折強度；ff28為28 d齡期時的抗折強度。

2.5 纖維噴射混凝土增強機理

依據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論得到纖維噴射混凝土的抗折強度計算公式［9］

式中：σfc為纖維混凝土的抗折強度；α為纖維噴射混凝土抗折強度與抗拉強度的比值，參考文獻［10］，α取2；lf為纖維長度；df為纖維直徑；ηθ為纖維分布方向系數(shù)，纖維在混凝土內(nèi)的分布方式為三維亂向分布，當(dāng)纖維方向與受力方向相同時，具有最佳增強效果；Vf為纖維的體積摻量；τeq為纖維與基體間的等效黏結(jié)錨固強度；σfm為基體的抗折強度。

為了確定纖維分布系數(shù)，選取摻量30 kg/m3端鉤型鋼纖維混凝土鉆芯試件進行CT掃描，結(jié)果見圖4。通過電腦圖形軟件分析得到試件受彎時拉力方向與纖維的夾角（θi）。統(tǒng)計多次掃描結(jié)果，所有夾角均小于50°，約40%的夾角在0 ~ 10°內(nèi)，15%的夾角在10° ~ 20°內(nèi)，45%的夾角在20° ~ 50°內(nèi)。統(tǒng)計結(jié)果表明，由于噴射成型工藝，試件中纖維存在明顯的定向分布特點。

圖4 CT掃描結(jié)果

利用統(tǒng)計結(jié)果計算纖維分布系數(shù)［11］：

式中：ni為試件中纖維數(shù)量。

端鉤型鋼纖維、波紋型鋼纖維、仿鋼纖維均為硬纖維，噴射工藝對纖維分布的影響類似，可認為三種纖維在噴射混凝土中的分布系數(shù)相同。將CT掃描結(jié)果代入，得出ηθ為0.910，代入式（4）中，可得到不同纖維與混凝土基體的等效黏結(jié)錨固強度，見圖5?？芍?，在三種纖維體積摻量同為0.38%時，隨齡期增長，等效黏結(jié)錨固強度均增大。鋼纖維的等效黏結(jié)錨固強度相較于仿鋼纖維更大，且端鉤型鋼纖維相較于波紋型鋼纖維1、3 d等效黏結(jié)錨固強度大，28 d小。兩端彎鉤可提供較強的錨固咬合作用，早齡期基體強度不高，波紋型鋼纖維的黏結(jié)錨固作用不及端鉤型鋼纖維。隨著齡期發(fā)展，基體強度升高，基體與波紋型鋼纖維的握裹越來越緊密，波紋型鋼纖維波浪形的外表面可提供更高的等效黏結(jié)錨固強度。

圖5 等效黏結(jié)錨固強度對比

上述對比分析表明，不同纖維增強機理有所不同。屬于有機合成材料的仿鋼纖維具有較高的疏水性，與混凝土的黏結(jié)附著力不及鋼纖維，在試件所受拉力傳遞至纖維后會因頸縮而導(dǎo)致脫黏，從混凝土基體拔出過程中只能通過纖維伸長變形消耗能量。平整光滑的表面不能與基體錨固、咬合，故增強效果較差。鋼纖維則更為親水，有利于增加周圍混凝土水化程度，從而與基體產(chǎn)生更強的黏結(jié)力［12］。在纖維拔出過程中，端鉤型鋼纖維、波紋型鋼纖維表面化學(xué)黏結(jié)力更強。同時彎鉤和異形表面的存在提供了錨固效果，有效限制了裂縫發(fā)展，在拔出過程中纖維變形消耗大量能量，從而產(chǎn)生了相較于仿鋼纖維更強的性能提升效果。

3 結(jié)語

1）端鉤型鋼纖維具有大幅提高抗折強度的作用，隨著摻量上升，噴射混凝土的抗折強度近似呈線性增長。

2）三種纖維均能提升噴射混凝土的抗折強度，在摻量相同的情況下，端鉤型鋼纖維對噴射混凝土抗折強度具有最明顯的提升效果，其次為波紋型鋼纖維，最次為仿鋼纖維。

3）端鉤型鋼纖維可提升噴射混凝土的延性。本文提出了纖維噴射混凝土的抗折強度發(fā)展公式，對不同纖維增強機理的分析表明，端鉤型鋼纖維、波紋型鋼纖維由于端部彎鉤和波紋型表面結(jié)構(gòu)的存在，提供了更大的黏結(jié)錨固作用，更利于混凝土強度的提升。