混雜纖維噴射混凝土的彎曲韌性

夏冬桃，張周強，張嚴方，祝玉亭

(湖北工業大學 土木工程與建筑學院，武漢 430064)

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混雜纖維噴射混凝土的彎曲韌性

夏冬桃，張周強，張嚴方，祝玉亭

(湖北工業大學 土木工程與建筑學院，武漢 430064)

噴射;纖維混凝土;方板;彎曲韌性

噴射混凝土是利用壓縮空氣或其他動力，借助噴射機械，將按一定比例配合的拌合料，通過管道輸送并高速噴射到受噴面上凝結硬化而成的一種混凝土。噴射混凝土因其自身材料和工藝等特點在工程上得到極大應用，但噴射混凝土韌性差，且破壞常呈脆性，這也在一定程度上限制了其應用[1]。纖維的摻入能明顯改善其韌性[2]，摻入纖維后的噴射混凝土被廣泛應用于礦井、巷道、隧道、邊坡等工程的支護及房建橋梁的加固工程中[3-5]。中國目前用來評價纖維噴射混凝土韌性所采用的指標主要為彎曲韌性，所采用的試驗方法大部分是以美國ASTM-C1018方法和日本JSCE方法為代表的梁彎折試驗[6-9]，但梁彎折試驗所采用的梁試件因與實際纖維噴射混凝土受載作用機理存在較大的差別，故其試驗結果只能反映纖維噴射混凝土材料所具備的部分性能[10]。在實際工程應用中纖維噴射混凝土更多的是以類板式構件的形式存在的，故相較于基于梁試件的梁彎曲試驗，研究所采用的編入于《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13∶2009)[11]中的方板法更符合纖維噴射混凝土的應用實際，能更客觀、準確地反映纖維噴射混凝土的彎曲韌性。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 原材料與配合比

試驗原材料：標號42.5的普通硅酸鹽水泥；普通的自然水；碎石粒徑為5～15 mm；砂子的細度模數為2.6；活性材料選用高爐微粉，其質量取體積分數與水泥質量的乘積，其主要性質如下：比表面積為459 m2/kg，密度是2.91 g/cm3，燒失量為0.5%，28 d的活性指數有108%，其中三氧化硫、氯離子及玻璃體等組分的含量分別為0.12%、0.005 7%和95%；外加劑為FDN-2高效減水劑和DE-5型無堿液體速凝劑。基準配合比見表1，鋼纖維及聚丙烯纖維的基本參數見表2。試驗共采用5組試件，各組纖維噴射混凝土板的鋼纖維、聚丙烯纖維及高爐微粉的體積分數參照表3。試驗組的編號如S8P2意思為鋼纖維(Steel fiber)摻量為0.8%，高爐微粉(blast furnace Powder)摻量為20%，并默認聚丙烯纖維摻量為0.11%；S8P0P2中間的P0意思為未摻入聚丙烯纖維(Polypropylene fiber)，而S8和P2的含義與前述含義一致。

表1 纖維噴射混凝土的基準配合比

表2 鋼纖維和聚丙烯纖維參數

表3 各組板中纖維及高爐微粉的體積摻量

1.2 試件制作工藝

試件采用濕噴法制作，模板統一選用650 mm×650 mm×120 mm的加固木模板，其中一部分用于切割成100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊和100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊,另一部分則切割成600 mm×600 mm×100 mm的方板試件。試件的基本制作過程如下所示：先采用強制式攪拌機對各組分進行添加攪拌，在這個過程中每次加料攪拌3 min后再進行下一次的加料攪拌，加料的順序為砂、石、水泥和高爐微粉→鋼纖維和聚丙烯纖維→80%的水→20%的水和減水劑，待全部組分添加完畢后再拌合攪拌3 min即鏟出并裝入濕噴機的進料口中，而后在噴嘴處用空壓機將速凝劑摻合到纖維混凝土料中后一并噴射到加固木模板中。噴射成型的試件在養護1 d后拆模，養護15 d后進行切割并表面打磨，最后在養護28 d后進行強度試驗和方板實驗。

1.3 試驗方法

基本強度試驗選用基于100 mm×100 mm×100 mm立方體的立方體抗壓強度試驗和基于100 mm×100 mm×300 mm棱柱體的軸心抗壓強度試驗，2種試驗方法均參照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13∶2009)[11]中的有關規定。考慮到2個試驗所采用試件均為非標準試件，故參考文獻[11]，其對應的抗壓強度折減系數均取0.9，各組經折減后的立方體抗壓強度值(ffcu)和軸心抗壓強度值(fc)參見表4。參考文獻[12]，基于各組纖維混凝土的軸心抗壓強度值(fc)可換算出各組的劈裂抗拉強度值(ffts)，換算公式為

經換算后的各組劈裂抗拉強度值(ffts)見表5。

表4 各組經折減的立方體抗壓強度值和軸心抗壓強度值

表5 各組經換算的劈裂抗拉強度值

試驗采用的方板法是按照《纖維混凝土試驗方法標準》(CECS 13∶2009)[11]中彎曲韌性試驗(方板法)方法，實驗裝置如圖1所示，600 mm×600 mm×100 mm的纖維噴射混凝土板的四邊支撐在剛性金屬框架上，采用YAW-3000G電液伺服高剛性壓力試驗機并通過置于試件表面的100 mm×100 mm×100 mm的加載墊塊對試件進行中心加載，在加載過程中用TestMaster數據采集系統實時采集荷載與板中心撓度數值，試驗加載方式選用通過置于中心板底的CY050-2A型變形計(量程為50 mm)的變形變化量來進行的等位移控制，加載速率為1.5 mm/min,加載至板中心撓度至25 mm時停止。

圖1 試驗裝置Fig.1 The test device

2 試驗結果及分析

2.1 纖維對混雜纖維噴射混凝土板彎曲韌性的影響

圖2 S0P2、S8P2和S12P2組荷載撓度曲線Fig.2 The load-deflection curves of group S0P2,S8P2 and S12P2

圖3 S0P2、S8P0P2和S8P2組荷載撓度曲線Fig.3 The lond-deflection curves of group S0P2,S8P0P2 and S8P2

表6 方板各組特征數值列表

進一步來看圖2、圖5和表6，S12P2組相對于S8P2組，最大峰值荷載提升了18%，其后的下降段曲線更加的豐滿平緩，同等撓度下的承載力和能量吸收值更高，板中心撓度達到25 mm時的能量吸收值提高了25.6%，表現出了更好的彎曲韌性。這可能是因為隨著鋼纖維摻量的增加，當混凝土基體的受拉區出現裂縫時，橫跨裂縫的鋼纖維數量也會增加，故與基體傳遞粘結力的能力也在增加，鋼纖維在脫粘和拔出過程中吸收的能量也在增加，曲線下降段更豐滿且平緩，彎曲韌性也會明顯增加[13]。由以上分析可以看出：對于混雜纖維噴射混凝土板而言，當其它各組分摻量相同時，鋼纖維摻量越高，所表現的彎曲韌性越好。

由圖3、圖5及表6可知：二元混雜的S8P2組相較于僅摻入鋼纖維的S8P0P2組，雖然在第1次峰值荷載和最大峰值荷載上只提高了0.2%和3.8%，但在最大峰值荷載后的下降段，同等撓度下的荷載和能量吸收值明顯提高，板中心撓度至25 mm時的能量吸收值更是提高了28.5%，表現出了更優的彎曲韌性。這是因為聚丙烯纖維雖只是低彈模纖維，但因延展性好，直徑小，根數多(0.11%的摻量在每立方米噴射混凝土中的數量能達到3×107根)等特點能有效緩解裂縫處的應力集中，并在變形伸長中消耗掉大量能量[14]，這既能在混凝土基體出現微裂縫時因參與受力而抑制微裂縫的進一步擴展和延伸，又能在裂縫出現時協助鋼釬維限制裂縫的開裂寬度，從而延后部分鋼釬維被拔出的時間。因此當鋼纖維摻量相同時，混雜了小摻量聚丙烯纖維的S8P2組板的彎曲韌性會因兩種纖維的正混雜效應而明顯優于未摻入聚丙烯纖維的S8P0P2板。

2.2 高爐微粉對混雜纖維噴射混凝土板彎曲韌性的影響

由圖4、圖5及表4可以看出：摻入20%高爐微粉的S8P2組相較于摻入10%高爐微粉的S8P1組，第1次峰值荷載提高了3.1%，最大峰值荷載提高了14.2%，板中心撓度至25 mm時的能量吸收值增加了7.4%，下降段中同等撓度值下的荷載值和能量吸收值也略有提高。這可能是由于高爐微粉具有顆粒細、活性高等特點，摻入混凝土基體后，一方面與富集在界面上的Ca(OH)2反應而生成C-H-S凝膠，從而大量減少Ca(OH)2晶體、鈣礬石和孔隙；另一方面可以減少內泌水，消除骨料下部的水膜，使界面過渡區的原生微裂縫大大減少，界面過渡區厚度變薄，骨料與漿體的粘結力得到增強[15]。高爐微粉摻量越多，上述增強作用越明顯，抑制混凝土中原生微裂縫出現的能力越強，也就能更好地降低混凝土的脆性。故隨著高爐微粉摻量的增加，混雜纖維噴射混凝土板的彎曲韌性會有提高。

圖4 S8P1和S8P2組荷載撓度曲線Fig.4 The load-deflection curves of group S8P1 and S8P2

圖5 5組能量撓度曲線Fig.5 The energy-deflection curves of five groups

2.3 混雜纖維噴射混凝土板裂縫發展過程及破壞形式分析

由實驗過程觀察可知，在水平方向上，混雜纖維噴射混凝土板會首先在板底中部出現裂縫并向底面四邊發展；在垂直方向上，板底面會先出現裂縫并向頂面發展。呈現這樣的裂縫發展可能是因為在試驗的荷載作用和支撐條件下，板上部受壓，下部受拉，板底中部會因拉應力最大而最先開裂，隨著撓度的增大，板底面裂縫會沿拉應力較大的中部區域向著拉應力較小的各底邊呈放射狀發展；當已開裂底面處的跨裂縫纖維全部被拔出，板的受拉區會因其范圍減小而使中和軸向上移，板上部原本參與受壓的部分開始承受拉力，此時，底面裂縫會向上發展至頂面。同時，由觀察可知，上述裂縫發展的過程是緩慢進行的。故幾組混雜纖維噴射混凝土板均展示出了良好的裂縫控制能力。

部分試件不同角度的破壞圖如圖6、圖7和圖8所示。圖6所示的僅加入0.11%低彈模聚丙烯纖維的S0P2組板在加載到達最大峰值荷載后會形成裂縫，并因聚丙烯纖維與基體的粘結力過小而使得裂縫迅速發展，破壞時板已沿裂縫完全斷開，斷口處較整齊，板整體呈現一定的脆性破壞。與之相比，對于圖7、圖8所示的混雜纖維噴射混凝土板，在底面上，其最大裂縫寬度雖達到了15～20 mm(S8P2組板在此區間內)，但板底并未沿裂縫處完全斷開；在側面上，其裂縫寬度會隨著高度的增加而不斷減小，近底面的裂縫寬度明顯大于遠底面的，板整體呈現裂而不斷的延性破壞。這是由于在加載的過程中，隨著板中心撓度的增加，雖然板的受壓區面積逐漸減少，板中越來越多的受拉區域會出現裂縫，乃至試驗后期板會出現大量裂縫，但是許多跨越裂縫且未被拔出或拉斷的混雜纖維能通過橋接作用與基體產生粘結力，使得板仍保有一定程度的殘余強度，從而保持板的完整性[16]，故幾組混雜纖維噴射混凝土板整體呈延性破壞。

圖6 S0P2頂面破壞圖Fig.6 The failure graph of top in group S0P2

圖7 S8P1底面破壞圖Fig.7 The failure graph of bottom in group S8P1

圖8 S12P2底面及側面裂縫圖Fig.8 The cracks graph of bottom and side in group S12P2

由以上分析可知，從裂縫發展過程和破壞形式來看，混雜纖維噴射混凝土板均展示出了良好的裂縫控制能力，板整體呈延性破壞。

3 結論

1)對于混雜噴射纖維混凝土板而言，其他各組分摻量相同的情況下，鋼纖維摻量越高，所表現的彎曲韌性越好。

2)因兩種纖維的正混雜效應，當鋼纖維摻量相同時，混雜了小摻量聚丙烯纖維的混雜纖維噴射混凝土板的彎曲韌性明顯優于未摻入聚丙烯纖維的板。

3)隨著高爐微粉摻量的增加，混雜纖維噴射混凝土板的彎曲韌性會有提高。

4)混雜纖維噴射混凝土板均表現出了良好的裂縫控制能力，板整體呈延性破壞。與梁彎曲試驗相比，基于方板法的研究更便于混雜纖維噴射混凝土的設計與施工提供理論參考。

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(編輯 胡英奎)

Flexural toughness of hybrid fiber reinforced shotcrete

XiaDongtao，ZhangZhouqiang，ZhangYanfang，ZhuYuting
(College of Civil and Building Engineering，Hubei Unversity of Technology，Wuhan 430064，P. R. China)

The flexural toughness of hybrid fiber reinforced shotcrete was studied with hybrid fiber including different contents of steel fiber，polypropylene fiber and blast furnace powder super composite were used to reinforce in cemetition matrix. 600 mm×600 mm×100 mm hybrid fiber reinforced shotcrete panels were adopted and placed on the rigid support frame and the equal displacement was used to control the load on the center of panels. The load-deflection curves and the energy absorption value were used to comprehensively evaluate the flexural toughness of each group，and by analyzing the process of the panels failure the ability of the panels to limit the cracks could be assessed. The results showed that,the jet panels with 0.8% steel fiber and 0.11% polypropylene fiber showed better flexural toughness than the jet panels with 1.2% steel fiber and 0.11% polypropylene fiber，and the peak load increased by 18% and the energy absorption increased by 25.6% when the the deflection was 25 mm.When jet panels with 0.8% steel fiber mixed with 0.11% polypropylene fiber，the energy absorption increased by 28.5% because of the positive synergy effect of steel and polypropylene fiber. The flexural toughness of hybrid fiber reinforced shotcrete panels were reinforced and toughed with more blast furnace powder. All of the hybrid fiber reinforced shotcrete panels showed great ability to limit the cracks，and the whole of panels where the cracks appeared but not ran through presented ductile failure.

shot; fiber reinforced concrete;panel; flexural toughness

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.011

2014-09-17 基金項目：國家自然科學基金(51108164)

夏冬桃(1975-)，女，副教授，主要從事纖維混凝土研究，(E-mail)xdtxy@126.com。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China(No. 51108164)

TU528.572

A

1674-4764(2015)02-0067-06

Received：2014-09-17

Author brief：Xia Dongtao (1975- ), associate professor, main research interest:fiber reinforced concrete，(E-mail)xdtxy@126.com.