塑鋼纖維噴射混凝土力學(xué)性能及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

柴榮山 CHAI Rong-shan；孔二偉 KONG Er-wei；叢凱 CONG Kai；倪效學(xué) NI Xiao-xue

（山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014）

0 引言

隨著我國(guó)大規(guī)模隧道工程的建設(shè)，噴射混凝土作為新奧法施工中必不可少的技術(shù)手段，應(yīng)用十分廣泛。普通的噴射混凝土凝結(jié)硬化后為脆性材料，只能承受壓力，抗拉、抗彎、抗剪和抗折能力很弱，造成大量噴層開裂，嚴(yán)重影響圍巖整體穩(wěn)定性，給硐室安全帶來(lái)隱患。尤其在破碎圍巖的硐室中，普通噴射混凝土開裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重[1-2]。

20世紀(jì)70年代，提出鋼纖維增強(qiáng)噴射混凝土襯砌的新技術(shù)，并進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)研究[3-6]。隨后，由于新型合成纖維的大力開發(fā)，使得纖維噴射混凝土有了較大的進(jìn)展。目前纖維類型主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維和芳綸纖維等[7-11]。在噴射混凝土應(yīng)用中，鋼纖維使用最早，從理論到試驗(yàn)都相對(duì)成熟，但存在噴射施工中不易攪拌、回彈量大、易銹蝕等問(wèn)題；玻璃纖維性脆，其中含有的二氧化硅成分易與噴射混凝土外加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；聚丙烯單絲纖維和聚乙烯醇纖維（PVA）分散性不好，施工時(shí)易結(jié)團(tuán)，不能均勻的混合在拌合料中；碳纖維和芳綸纖維造價(jià)太高。

因此，提出一種新型塑鋼纖維，它是由聚丙烯單絲纖維與纖維網(wǎng)混合而成的高強(qiáng)度復(fù)合纖維，具有耐腐蝕、易分散、強(qiáng)度高、不損害拌合設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)塑鋼纖維混凝土開展室內(nèi)試驗(yàn)，得出不同摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，并通過(guò)開展現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)，對(duì)塑鋼纖維噴射混凝土試驗(yàn)段的隧道周邊收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，研究塑鋼纖維噴射混凝土對(duì)圍巖的支護(hù)作用。塑鋼纖維噴射混凝土具有良好的韌性和抗彎拉性能，在圍巖支護(hù)中，起到讓壓卸載作用，減少噴層開裂，為塑鋼纖維噴射混凝土在破碎圍巖或軟弱圍巖隧道支護(hù)中的推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 塑鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

①水泥。

水泥選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，密度為3.1g/cm3，其凝結(jié)時(shí)間、抗壓抗折強(qiáng)度、細(xì)度均滿足規(guī)范要求。

②骨料。

粗骨料：選用5～10mm的碎石。

細(xì)骨料：選用清洗過(guò)的河沙，表觀密度為2.58g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.8。

③塑鋼纖維。

塑鋼纖維也稱仿鋼纖維或聚丙烯粗纖維，表面粗糙、凹凸不平、截面形狀及比表面積和鋼纖維相似，其各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 塑鋼纖維性能參數(shù)

④減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的1%。

⑤速凝劑：使用液態(tài)速凝劑，摻量為水泥質(zhì)量的4%～6%。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)主要研究不同摻量塑鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，纖維摻量設(shè)計(jì)為每方混凝土2kg、4kg、6kg和8kg，相當(dāng)于體積摻量分別為0.21%、0.42%、0.63%和0.84%。塑鋼纖維混凝土力學(xué)性能包括抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際C25噴射混凝土配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，水泥、砂子、石子和水的質(zhì)量比C∶S∶G∶W=1∶2.2∶2∶0.45，水泥質(zhì)量450kg/m3、砂子990kg/m3、石子900kg/m3、水202.5kg/m3，砂率為52.4%，水灰比為0.45。

試驗(yàn)按照《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（CECS 13:2009）進(jìn)行試驗(yàn)，抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)采用型號(hào)為YAW-2000的微機(jī)控制全自動(dòng)混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，試件選用150mm×150mm×150mm的立方體塊，加載速率為0.5～2mm/min；抗彎試驗(yàn)采用四分點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為WE-300B型電液式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試件選用150mm×150mm×600mm的小梁，加荷速度取每秒0.03～0.06MPa。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

1.3.1 塑鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，分別測(cè)定7d和28d的抗壓強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 塑鋼纖維不同摻量下混凝土抗壓強(qiáng)度

由圖1所示，塑鋼纖維摻量在2kg時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度比不摻纖維時(shí)反而降低?？紤]到少量纖維的摻入，纖維分散于基體之間，造成空隙和裂縫，反而降低混凝土的整體性和密實(shí)性，因此造成混凝土強(qiáng)度降低。摻量在4kg時(shí)，隨著摻量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，是因?yàn)樗茕摾w維在基體開裂中起到橋連作用，但整體強(qiáng)度提高不明顯。不摻纖維時(shí)，混凝土28d強(qiáng)度為41.8MPa，每方混凝土摻入8kg纖維時(shí)，混凝土28d強(qiáng)度為46.2MPa，強(qiáng)度提高10.5%。塑鋼纖維混凝土7d和28d抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

1.3.2 塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，分別測(cè)定7d和28d的劈裂抗壓強(qiáng)度，如圖2所示。

圖2 塑鋼纖維不同摻量下混凝土劈裂抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，塑鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大。不摻纖維時(shí)，28d劈裂抗拉強(qiáng)度為3.4MPa，每方混凝土摻入8kg纖維時(shí)，28d劈裂抗拉強(qiáng)度為5.8MPa，強(qiáng)度提高70.6%。纖維摻量在4kg和6kg時(shí)，強(qiáng)度提高幅度較大。摻入6kg時(shí)，28d劈裂抗拉強(qiáng)度為5.6 MPa，相對(duì)于空白混凝土試樣，強(qiáng)度提高為64.7%，所以纖維摻量在6kg以上時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高不明顯。塑鋼纖維混凝土7d和28d劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。

1.3.3 塑鋼纖維混凝土抗彎強(qiáng)度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，測(cè)定28d的抗彎強(qiáng)度，如圖3所示。

圖3 塑鋼纖維不同下?lián)搅炕炷量箯潖?qiáng)度

由圖3可知，隨著塑鋼纖維摻量的增大，抗彎強(qiáng)度逐漸增大，每方混凝土摻入8kg塑鋼纖維時(shí)的抗彎強(qiáng)度為4.5MPa，不摻纖維的空白試樣抗彎強(qiáng)度為2.4MPa，抗彎強(qiáng)度提高87.5%。每方混凝土摻入6kg塑鋼纖維時(shí)的抗彎強(qiáng)度為4.3MPa，抗彎強(qiáng)度提高79.2%。表明塑鋼纖維摻量在6kg以上時(shí)，混凝土抗彎強(qiáng)度提高不大。

2 工程應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場(chǎng)概況

某高速公路隧道隧道左線軸線起止樁號(hào)為ZK40+900～ZK42+510，長(zhǎng)1610.0m，隧道右線軸線起止樁號(hào)為K40+913～K42+511，長(zhǎng)1598.0m，為小凈距隧道，雙向六車道。隧址區(qū)海拔高程254.2～460.3m，相對(duì)高差約206.1m，整體較陡，隧道最大埋深約128.0m。隧址區(qū)出露和揭露地層為第四系殘坡積層（Q3dl+el）及奧陶系（O）地層，主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和中風(fēng)化灰?guī)r、局部夾泥灰?guī)r。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖支護(hù)由C25噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組成，噴射混凝土厚度為24～28cm。

2.2 塑鋼纖維混凝土現(xiàn)場(chǎng)噴射試驗(yàn)

按設(shè)計(jì)要求，選擇在左洞Ⅴ級(jí)圍巖處進(jìn)行50m塑鋼纖維噴射混凝土試驗(yàn)，并與普通噴射混凝土段進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)塑鋼纖維力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，塑鋼纖維的摻量為每方噴射混凝土6kg。噴射過(guò)程中，進(jìn)行噴大板試驗(yàn)，測(cè)定抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)定噴射混凝土回彈率。結(jié)果表明：隧道邊墻回彈率為7.8%，拱頂回彈率為15.6%。測(cè)定塑鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度為29.4MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度為5.3MPa，普通噴射混凝土抗壓強(qiáng)度為26.9MPa、劈裂抗拉強(qiáng)度為3.2MPa。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

隧道周邊收斂是測(cè)量隧道表面兩點(diǎn)間的距離變化，收斂曲線結(jié)果如圖4所示。

圖4 隧道周邊收斂曲線

從圖4可以看出，塑鋼纖維噴射混凝土隧道周邊收斂較普通噴射混凝土稍大，尤其是在隧道支護(hù)前期，兩者位移相差較大，隨著時(shí)間的增加，兩者位移相差越來(lái)越小，最后都趨于穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，塑鋼纖維噴射混凝土在早期支護(hù)中，能允許隧道有一定的變形，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，且能有效控制圍巖的收斂變形。隧道在剛開挖后，圍巖產(chǎn)生應(yīng)力卸載，此時(shí)，應(yīng)適當(dāng)?shù)淖寚鷰r應(yīng)力進(jìn)行釋放，并能及時(shí)提供支護(hù)抗力。當(dāng)圍巖應(yīng)力較大時(shí)，對(duì)于施加的普通噴射混凝土，韌性較差，很容易使噴層開裂。因此，對(duì)于有較好韌性的塑鋼纖維噴射混凝土，噴射后與圍壓密貼，共同受力變形，能對(duì)圍巖起到有效的支護(hù)作用。

3 結(jié)論

①塑鋼纖維對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度提高不大，但能有效提高噴射混凝土的抗拉和抗彎性能；塑鋼纖維摻量在每方混凝土6kg時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高64.7%，抗彎強(qiáng)度提高79.2%。

②塑鋼纖維混凝土在噴射時(shí)，能有效降低回彈量和粉塵量，邊墻回彈率為7.8%，拱頂回彈率為15.6%。

③塑鋼纖維噴射混凝土能起到讓壓卸載的作用，與圍巖密貼，共同受力。由于塑鋼纖維的韌性，在噴射混凝土初期支護(hù)中，與隧道圍巖共同變形，允許開挖圍巖應(yīng)力釋放，并能提供支護(hù)抗力，限制圍巖過(guò)度變形。使用塑鋼纖維噴射混凝土，能有效減少噴層開裂，提高圍巖整體穩(wěn)定性。