噴射混凝土韌性評價方法探究

張嚴方 高 環 于芳

1 引言

韌性指的是結構從受荷直至失效破壞時變形耗能的能力，目前已成為研發纖維新品種，衡量噴射混凝土質量優劣的重要指標[1]。近年來逐步采用噴射大板法來測定噴射混凝土的彎曲韌性，與傳統梁式測定方法相比，其大板試件的受力變形狀態與實際支護襯砌以及板殼等結構相接近，結果離散性較低。本文采用圓板試件，對鋼纖維與聚丙烯纖維組成的混雜纖維噴射混凝土彎曲韌性進行了試驗研究，測定了試件的荷載-撓度曲線，按照美國ASTM C1550-03標準[2]的韌性指標評價方法，分析了混雜纖維噴射混凝土的彎曲韌性，探討了纖維摻量及類型對噴射混凝土彎曲韌性的影響規律，與單一聚丙烯、鋼纖維噴射混凝土韌性進行了對比。另外，采用ABAQUS有限元分析軟件，基于混凝土損傷塑性模型進行分析，與試驗結果進行了對比，驗證了有限元分析的可靠性，為指導噴射混凝土在工程中的應用提供了依據。

2 試驗概況

2.1 試驗纖維材性

選用兩種不同類型的鋼纖維，鋼纖維①微細平直型鋼纖維，鋼纖維②端鉤型鋼纖維；聚丙烯纖維選用“杜拉牌”聚丙烯纖維。

2.2 試件制作方法及編號

選用的粗骨料（碎石）粒徑為5～10mm，細骨料（中粗河砂）細度模數為 2.7。礦渣微粉（密度：2.89g/m3，比表面積：465m2/kg）。速凝劑選用“KRP”型液體速凝劑。基體混凝土設計強度為C40，纖維噴射混凝土試件采用濕噴法進行噴射，纖維噴射混凝土試件的制作與養護過程參照CECS13：2009纖維混凝土試驗方法標準[3]。基體混凝土配合比（水：水泥：砂：碎石：速凝劑：礦渣微粉：185：430：892：892：21.5：86；單位：kg/m3）。彎曲韌性圓板試件尺寸：直徑800mm，厚度75mm。試件編號和纖維摻量（體積率）見表1。表中RP：round panel，圓板試件。

3 彎曲韌性試驗

圓板試件由三個球鉸支座支撐，采用電液伺服試驗機對試件進行加載。加載速率為2mm/min，板中心點處撓度變形值與荷載值分別由位移傳感器與荷載傳感器測量采集數據，撓度每增長0.05mm采集一次數據。試驗加載至板中心點的撓度變形值達到45mm時結束。RP1～RP5采集的荷載撓度曲線如圖1所示。

圖1 試件荷載撓度曲線

由圖1所知，聚丙烯纖維噴射混凝土板RP1當撓度達到10.6mm時已經完全喪失承載能力，荷載值迅速降至為0。單摻鋼纖維的混凝土圓板以及鋼纖維與聚丙烯纖維混摻的混凝土圓板的峰值荷載均有不同程度的提高，荷載-撓度曲線的下降趨勢逐漸趨于平緩。噴射混凝土板底會出現的三條放射狀的裂紋，直至實驗結束，整個板仍然保持一定的承載能力。另外可發現，摻有微細平直型鋼纖維混凝土圓板的峰值荷載值均高于同摻量的端鉤型鋼纖維混凝土圓板，荷載-撓度曲線的下降趨勢也更加平緩，微細平直型鋼纖維的增韌效果優于端鉤型鋼纖維。

由圖1中RP3，RP5兩組的荷載撓度曲線可知，混雜纖維噴射混凝土裂后殘余承載能力明顯的高于單一鋼纖維噴射混凝土。與單一鋼纖維混凝土圓板RP5相比，混雜纖維混凝土圓板的極限荷載、45mm殘余荷載值分別提高了2.7%，30.9%，聚丙烯纖維與鋼纖維的同時加入能明顯的改善噴射混凝土峰值后（post-peak behavior）的性能。

ASTM C1550標準韌性評價方法：

對圓板的荷載撓度曲線積分求出能量吸收值，并按照規范要求對能量吸收值進行修正，修正后的各組圓板能量吸收值見表1。

表1 各組分試件纖維體積摻量與修正后的能量吸收值

由表1可知，纖維摻量的變化影響混凝土圓板的極限荷載以及能量吸收值。與鋼纖維摻量0.6%試件RP2相比，鋼纖維摻量1.2%試件RP3的極限荷載、殘余荷載、20mm、40mm能量吸收值分別提高30.1%、104%、50.3%、54.9%。隨著鋼纖維摻量的增加，噴射混凝土的彎曲韌性得以顯著的提高。

由圓板RP1的數據可知聚丙烯纖維的單獨加入對混凝土強度的改善效果微乎其微。比較圓板RP3與RP5兩組數據可知，單摻鋼纖維對混凝土的增韌效果也不如混雜纖維明顯。混雜纖維噴射混凝土圓板RP3在10mm、20mm、40mm能量吸收值分別比單摻鋼纖維噴射混凝土圓板RP5增加了13.6%、19.1%、25.2%。鋼纖維和聚丙烯纖維混雜時，鋼纖維逐步從混凝土裂縫間脫黏拔出后，聚丙烯纖維能繼續跨越裂縫傳遞應力，阻滯裂縫擴展以及新裂縫生成的能力有較大的提高，有效的提升了噴射混凝土裂后的增韌能力。[4]。

4 基于ABAQUS有限元分析纖維混凝土

4.1 材料的本構關系

采用ABAQUS軟件對上述試驗試件進行有限元分析。為了更好的模擬纖維混凝土在受彎過程中的非彈性性能，本次有限元采用混凝土的損傷塑性模型。纖維混凝土單軸應力應變關系曲線按如下公式定義[5]：

式中：εfc0，εc0分別為纖維混凝土與普通混凝的極限壓應變值，ffc，fc分別為纖維混凝土與普通混凝土的抗壓強度值。λsf，λpf分別為鋼纖維與聚丙烯纖維特征參數。

4.2 材料參數

混凝土的損傷塑性模型的計算參數包括：彈性模量，泊松比，膨脹角，屈服面參數：σb0/σc0等。不同組分的纖維噴射混凝土參數見表2。

表2 纖維混凝土單元參數取值

本次模擬采用8節點等參縮減積分單元C3D8R。通過tie的方式將三個球鉸支座與纖維混凝土試塊相接觸，并采用同樣的方式定義加載頭與纖維混凝土試塊之間的聯系。三個支座與纖維混凝土之間鉸接，即U1=U2=UR1=UR2=0。建立的纖維混凝土網格劃分如圖2所示。

圖2 有限元網格劃分

圖3 板底最大主塑性應變云圖

試件RP3與RP4的最大主塑性應變云圖如圖3所示，該圖可以反映出纖維混凝土板底裂縫開展的部位，板底塑性應變越大的區域（圖中顏色最深的部位）越容易出現裂縫，由此可發現裂縫是從彎矩最大處的板底中心出發，沿著相鄰兩支座之間徑向方向開展（圖3中白色部分為板底的三個支座），最終形成3條互成120度的主裂縫，與理論上產生裂縫的位置相符。而實際試驗過程會受到實驗裝置、試件安裝偏差等因素的影響，導致某些試件產生裂縫的位置發生偏移。

比較試件RP3與RP4的塑性應變云圖可發現，試件RP3的應變區域比試件RP4更為廣泛，最大主塑性應變值降低了13%。說明了鋼纖維a比鋼纖維b在板受彎的過程中，更能鈍化板在開裂后應力集中的現象，使得板的應力分布更為均勻。

表3 RP2～RP5有限元分析與試驗結果比較

由表3可知，有限元計算的裂后能量吸收值與試驗值相比，相差幅度均在5%以內，有限元分析結果與試驗結果相符合。但有限元分析的能量吸收值均比試驗值略高，是由于有限元分析過程中并未考慮制作試件時產生的誤差，導致鋼纖維在混凝土中分布不均勻，使得試驗得出的韌性指標略為偏低。比較試件RP3與RP4兩組能量吸收值發現，摻有微細平直型鋼纖維混凝土圓板在板中心撓度達到5mm、20mm、40mm能量吸收值分別比同摻量端鉤型鋼纖維混凝土圓板提高了23.6%，25.6%，37.9%，微細平直型鋼纖維對改善混凝土彎曲韌性的能力明顯優于端鉤型鋼纖維，兩者之間的差距隨著板撓度值的增加而擴大。

5 結論

（1）噴射混凝土的彎曲韌性與纖維摻量有關，隨著鋼纖維摻量的增加，混雜纖維混凝土圓板試件的抗彎性能有所提高，荷載-撓度曲線的下降段趨于平緩，抗彎斷裂峰值荷載以及能量吸收值隨之提高。

（2）噴射混凝土的抗彎性能與纖維種類、纖維混雜方式有關。摻有微細平直鋼纖維的噴射混凝土的能量吸收值高于同摻量的端鉤型鋼纖維噴射混凝土，更有利于改善纖維噴射混凝土的裂后耗能能力，微細平直鋼纖維最優摻量為1.2%左右。鋼纖維與聚丙烯纖維混雜時，噴射混凝土裂后彎曲韌性優于摻單一纖維的噴射混凝土。

（3）采用混凝土的損傷塑性模型建立的有限元分析，反映的噴射混凝土板裂縫分布與理論上相符，計算結果與試驗分析結果相吻合，驗證了該模型建立的合理性。