鋼纖維噴射混凝土的物理力學性能分析

王國珍 楊 科

（山東科技大學 土木工程與建筑學院， 山東 青島 266590)

0 引言

20世紀60年代中期，英國人Majumdar首先研制成功了鋼纖維并申請了專利，此后英國專家學者相繼投入到鋼纖維生產工藝研究工作上來，并對鋼纖維混凝土物理力學性能開展了研究工作。20世紀90年代初，專家們在荷蘭召開的“國際會議”上認為提高鋼纖維維的耐堿性擁有一定限度，通過降低水泥水化物溶液的堿度以提高水泥與鋼纖維的相容性。此后，鋼纖維混凝土開始進入實際應用階段，相繼在各個國家推廣使用并迅速實現工業化生產。1975年之后，我國才開始針對鋼纖維混凝土開展大量研究與應用。1983年，我國將鋼纖維的應用技術研究納入到國家重點科技攻關項目。此后，相繼研發了輕質鋼纖維保溫板、隔墻板等，并將其投入到實際工程領域中，擁有較強的應用效果。

經過四十多年以來國內外對鋼纖維性能研究，為了使得鋼纖維噴射混凝土的抗壓、抗拉強度得以提高，可以在普通噴射混凝土中加入鋼纖維。將鋼纖維維摻入到水泥基體中可改善水泥的力學性能。針對鋼纖維這種特殊復合材料而言，鋼纖維維在水泥基體中的強度與韌性的大小能夠影響鋼纖維維最終的增強增韌效果。因水化后溶液對鋼纖維維造成大量腐蝕，大量專家學者嘗試多種方法對鋼纖維的耐腐蝕性進行改善。其一，增強鋼纖維維自身耐堿能力；其二，對水泥基體材料進行改性，主要以向水泥基體中加入火山灰質材料、聚合物的方式進行改進，或者研究堿度較低的水泥水化溶液，以降低水化產物中堿含量。

目前，伴隨著鋼纖維生產技術逐漸提高，研究工作不斷深入，生產成本不斷降低，針對鋼纖維混凝土這種復合材料的結構構件試驗、理論分析、設計方法的研究不斷完善，鋼纖維混凝土的工程應用研究工作更是如火如荼。

JD Krupa Abel等研究了鋼纖維混凝土混合組成的復合材料，并分析了硬度、沖擊強度、摩擦系數、等因素對這種復合材料的影響規律。Mohammadreza Eftekhari等利用芬德利功率法和時間-應力等效原理（TSS）用以代表非線性粘彈性蠕變曲線，并研究了鋼纖維增強混凝土在室溫與高溫條件下的蠕變強度發展規律。GJ Ma，HQ Xue 等研究了對不同摻量鋼纖維混凝土進行了單向拉伸試驗，分析了不同摻量的鋼纖維對混凝土抗拉強度的影響規律。M.A.Ali，A.J.Majumdar等研究不同摻量、體積分數、長徑比的鋼纖維對混凝土力學性能的影響規律。

根據不同的工程地質條件隧道施工開挖之后，需要及時向圍巖噴射鋼纖維混凝土來控制圍巖的變形和松弛。噴射鋼纖維混凝土時，需要快速施工，混凝土快速達到一定的強度，但目前針對鋼纖維噴射混凝土的物理力學性能研究的相關文獻屈指可數，鋼噴射混凝土在隧道錨噴支護中的應用更是少之又少。因此，我們很有必要的進行鋼纖維噴射混凝土力學性能研究，為更加深入地研究鋼纖維噴射混凝土應用于隧道錨噴支護中奠定基礎。

1 劈拉強度

鋼纖維混凝土最大優點是起具有極優良的拉伸性能，其中抗拉強度是鋼纖維噴射混凝土最重要的力學參數之一。抗拉強度能夠間接反應鋼纖維噴射混凝土的其他力學指標，如抗剪強度、沖切強度和鋼纖維與混凝土之間的粘結強度等。通過試驗證明采用抗折試驗和圓柱體或立方體的劈拉試驗，也能夠確定混凝土的抗拉強度。鋼纖維噴混凝土的標準試驗方法采用劈拉試驗，劈拉強度就為鋼纖維噴射混凝土的整體抗拉強度。

鋼纖維噴射混凝土的立方體抗壓強度試驗方法與普通混凝土的試驗方法相同，都是采用邊長為150mm立方體試件進行試驗；但當纖維長度小于等于40mm時，可以采用邊長為100mm立方體試件，最后實驗結果需要乘以0.8的換算系數。在具體試驗時還需考慮試驗的加載速度，加載速度宜選取速度為0.02～0.05Mpa/s，當試件在接近破壞且變形加速的狀態時，關閉試驗機油門，記錄下試件破壞過程中的最大荷載，精確至0.01MPa。

2 抗折強度

在隧道襯砌、巷道加固、公路及機場路面工程等領域，往往會遇到構件承受彎曲應力的情況，這也是鋼纖維混凝土的優勢。為了更好的為設計提供可靠的數據必須對鋼纖維噴射混凝土的彎曲性能、抗折強度進行研究，通過這些指標對施工期混凝土質量進行有效控制。對普通混凝土梁進行彎曲試驗，試驗發現試驗普通混凝土梁開裂即斷，呈現脆性破壞，因此把普通混凝土梁的初裂強度作為梁的整體的抗折強度。抗折強度是評價鋼纖維噴射混凝土以及噴射混凝土性能的重要指標之一。鋼纖維噴射混凝土的彎曲性能在隧道襯砌、巷道加固等工程中表現尤為突出。同時，必須考慮到梁的界面尺寸、加載方式、跨高比、加載速度對梁抗折強度的影響。在鋼纖維噴射混凝土中，由于鋼纖維的阻裂增強和邊壁作用，使得與普通混凝土梁的強度存在很大差異，鋼纖維噴射混凝土的抗折強度與初裂強度有明顯提高，并且與鋼纖維的特征參數呈線性相關特性。

抗折強度作為鋼纖維噴射混凝土性能評價的重要指標之一，在摻入鋼纖維時，使得混凝土的強度發生了改變，此時在鋼纖維混凝土的邊緣界面上，鋼纖維所承受的承受一部分拉應力，會使得混凝土的抗拉強度發生一定的降低，從而使得使混凝土的抗拉應力重分布，試驗表明混凝土的抗折強度也有顯著的提高。在試驗中發現鋼纖維噴射混凝土的抗折試驗試件尺寸之間的換算系數要比一般普通混凝土的換算系數大，通過試驗研究發現是由于試模邊緣的鋼纖維受到一定的約束作用引起模型產生定向作用。通過試驗表明，試件進行試驗測得的抗折強度值應乘0.82換算系數。

3 早期抗壓強度結果及分析

根據不同的工程地質條件隧道施工開挖之后，需要及時向圍巖噴射鋼纖維混凝土來控制圍巖的變形和松弛。噴射鋼纖維混凝土時，需要快速施工，混凝土快速達到一定的強度，這樣既能防止圍巖變形和松弛，維護圍巖的自穩能力，又能防止鋼纖維噴射混凝土因自重原因脫落，因此，鋼纖維噴射混凝土的早期強度對于隧道中快速施工、隧道襯砌結構的穩定性非常重要。

根據現場施工條件以及試驗條件的局限性，在試件制作時，根據選定的鋼纖維噴射混凝土的配合比，對材料進行攪拌，鋼纖維噴射混凝土的配合比與普通噴射混凝土相比，比除了摻入鋼纖維外，其它配合比與普通混凝土基本相同。

鋼纖維噴射混凝土與普通噴混凝土相比，鋼纖維噴射混凝土的早期強度得到明顯增高，早期抗壓強度增幅也不斷加大，因此在普通混凝土中摻入一定量的鋼纖維，能夠大大增加噴射混凝土的早期強度，在隧道單層襯砌的施工過程中，鋼纖維噴射混凝土能夠快速達到一定強度，防止圍巖變形，同時也能防止因自重鋼纖維噴射混凝土脫落。

4 結論

本文分析了鋼纖維噴射混凝土及普通噴射混凝土的抗壓強度、抗拉強度、早期強度、粘結強度、以及不同纖維類型及摻量下的強度進行了闡述，并對早期抗壓強度進行分析, 噴射鋼纖維混凝土時，需要快速施工，混凝土快速達到一定的強度，這樣既能防止圍巖變形和松弛，維護圍巖的自穩能力，又能防止鋼纖維噴射混凝土因自重原因脫落。在隧道襯砌、巷道加固、公路及機場路面工程等領域，往往會遇到構件承受彎曲應力的情況，這也是鋼纖維混凝土的優勢。為了更好的為設計提供數據必須對它的彎曲性能、抗折強度進行的研究，通過這些指標對施工期混凝土質量進行有效的控制。

[1]劉永勝, 王志亮, 李永池,等. 鋼纖維混凝土力學特性與本構模型研究[J]. 低溫建筑技術, 2009, 31(08):32-34.