濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土強度對比分析

馬雙獅 孫金坤 周文峰 蔣中友 楊 倩

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產

濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土強度對比分析

馬雙獅1孫金坤2周文峰2蔣中友1楊 倩2

（1.西華大學土木建筑與環境學院，四川 成都 610039；2.攀枝花學院土木與建筑工程學院，四川 攀枝花 617000）

考慮噴射混凝土和普通混凝土一樣存在抗彎、抗拉能力較低及韌性較差等問題，對濕噴混凝土與濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土進行強度試驗。通過實驗結果分析可以得出濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的力學性能優于普通濕噴混凝土，其中鋼纖維的摻入使得高鈦重礦渣混凝土的力學性能大幅增強，相較于普通濕噴混凝土抗壓強度提升34.34%、抗拉強度提升57.06%、抗折強度提升36.32%，具有更好的柔韌性與抗裂性。

濕噴混凝土；濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土；抗壓強度；抗拉強度；抗折強度

0 引言

噴射混凝土最初是由機噴砂漿發展而來，距今已經有一百多年的發展歷史。最早使用噴射混凝土支護技術的是20世紀40年代修建奧地利卡普隆水力發電站的米爾隧洞，在初始階段，人們只會使用干噴法，但其噴射成型的襯砌強度低、易開裂、韌性差以及施工過程中粉塵濃度高、回彈率高等問題[1]。20世紀70年代濕噴法逐步興起，相對于干噴法降低了粉塵濃度和高回彈率改善了施工環境，但難以避免噴射混凝土本身抗變形差、易開裂、抗滲性差、耐久性差等問題，直到纖維混凝土的出現使得這一問題得以改善[2]。在噴射混凝土內部加入纖維改善其本身的結構，通過纖維與水泥基體復合，增加其抵抗變形、開裂和耐久性差的問題，其中鋼纖維應用較為廣泛因為其具有較高抗拉強度、握裹力強等優點。高鈦重礦渣多孔的特性使得鋼纖維與高鈦重礦渣的內聚力與摩擦力大大提高，與水泥基體的親和力也會隨之增強，加上高鈦重礦渣本身抗沖擊韌性、耐久性能、抗滲性能好以及干燥收縮小[3-4]，與鋼纖維的復合提高了噴射混凝土抵抗變形、開裂和耐久性差的能力。通過對濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土與普通濕噴混凝土的強度性能對比分析，可以對濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土在工程的應用提供一種思路。

1 力學性能對比分析

1.1 抗壓強度

本實驗方案根據 GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[5]采用立方體抗壓強度Fcu強度標準，制作立方體抗壓強度試驗非標準試塊，尺寸邊長100 mm，采用萬能力學試驗機連續且均勻地以0.05~0.08 MPa/s的速度對試件進行加載直到破壞，測得極限抗壓強度，根據規范該強度有一個換算系數為0.95，實測抗壓強度的0.95倍得到實驗室標準抗壓強度，根據以下公式計算：

式中：Fcu--噴射混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）；

F--試件破壞載荷（N）；

A--試件承壓面積（mm2）。

通過上述試驗方法實際測得普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土立方體抗壓強度如下表。

表1 立方體抗壓強度實驗結果

通過表1可知：普通濕噴混凝土7d抗壓平均破壞荷載為346.21kN，平均抗壓強度是32.89MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土7d抗壓平均破壞荷載為463.16MPa，平均抗壓強度為44.0MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強度提高了33.78%；14d普通濕噴混凝土抗壓平均破壞荷載為428.31kN，平均抗壓強度是40.69MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗壓平均破壞荷載為593.16MPa，平均抗壓強度為56.35MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強度提高了38.49%；28d普通濕噴混凝土抗壓平均破壞荷載為479.68kN，平均抗壓強度是45.57MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗壓平均破壞荷載為644.41MPa，平均抗壓強度為61.22MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗壓強度提高了34.34%。

1.2 抗折強度

抗折強度主要體現材料的柔韌性，本實驗采用100 mm×100 mm×400 mm 的非標準棱柱體試件，根據 GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規范中尺寸換算系數標準對測得的結果進行換算，換算系數一般為 0.85。測定噴射混凝土抗折破壞載荷F，然后根據下列公式計算得到Ff：

式中：Ff--噴射混凝土抗折強度（MPa）；

F--破壞載荷（N）；

l--支座間跨度（mm）；

師：這幾位同學真不簡單，敢于大膽的質疑教材，還能分析得如此深刻。這種懷疑精神，我們每一位學生最好都應該具有的。

b、h--試件截面的高度和寬度（mm）。

通過上述試驗方法實際測得普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土棱柱體抗折強度如下表。

表2 棱柱體抗折強度實驗結果

表2實驗結果表明：14d普通濕噴混凝土抗折平均破壞荷載為16.196kN，平均抗折強度是4.13MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗折平均破壞荷載為26.471MPa，平均抗折強度為6.75MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗折強度提高了63.44%；28d普通濕噴混凝土抗折平均破壞荷載為19.176kN，平均抗折強度是4.89MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗折平均破壞荷載為30.134MPa，平均抗折強度為7.68MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗折強度提高了57.06%。

1.3 抗折強度

抗折強度是衡量混凝土抗開裂性能的主要指標。噴射混凝土的劈裂抗拉強度高則可以保障噴射混凝土在巷道圍巖之間起到很好的支護作用，保證支護的穩定性。本實驗根據 GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》規定進行實驗，由于采用軸向拉伸試驗在夾具處易發生應力集中導致局部破壞，加載過程中軸線校準困難易發生偏拉現象使測試結果發生較大誤差，故制作150mm×150 mm×150 mm的標準立方體試塊進行實驗，通過下式進行計算得到劈裂抗拉強度。

式中：Fts--立方體劈裂抗拉強度（MPa）；

F--試件破壞載荷（N）；

A--試件劈裂面面積（mm2），A=bh；

b、h--劈裂面試件寬度、高度（mm）。

表3 立方體抗折強度實驗結果

通過表3的實驗結果表明：普通濕噴混凝土14d能夠承受的平均破壞荷載為113.383kN，平均抗拉強度是3.21MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗拉平均破壞荷載為163.540MPa，平均抗拉強度為4.63MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗拉強度提高了44.23%；28d普通濕噴混凝土抗拉平均破壞荷載為138.108kN，平均抗拉強度是3.91MPa，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d抗拉平均破壞荷載為188.106MPa，平均抗拉強度為5.33MPa，相對于普通濕噴混凝土的抗拉強度提高了36.32%。

2 柔韌性與抗裂性對比

噴射混凝土的柔韌性和抗裂性存在正相關關系，一般來說提高噴射混凝土柔韌性，能夠減緩噴射混凝土的開裂趨勢，其抗裂性也越好。柔韌性可以通過抗折強度進行表征，而抗裂性可以粗略的使用折壓比系數 λ 來表征。

式中： λ--折壓比系數；

Ff--噴射混凝土抗折強度（MPa）；

Fcu--噴射混凝土抗壓強度（MPa）。

折壓比系數是個定義性的概念，這樣的比值正好和抗裂性成對應的比例關系[6]，普通濕噴混凝土和濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的折壓比系數見表4。

表4 噴射混凝土折壓比系數

通過表4可以看出：普通濕噴混凝土28d折壓比系數為0.107，濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土28d折壓比系數為0.125，說明其抗裂性優于普通濕噴混凝土，整體來看濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土的柔韌性和抗裂性更好，更適合于巷道圍巖的支護。

3 結論

（1） 濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土7d的抗壓強度是44.0MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升33.78%；14d的抗壓強度是56.35MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升38.49%；28d的抗壓強度是61.22MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升 34.34%。

（2）濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d的抗折強度是6.75MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升63.44%；28d的抗折強度是7.68MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升57.06%。

（3）濕噴鋼纖維全高鈦重礦渣混凝土14d抗拉強度是4.63MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升44.23%；28d抗拉強度是5.33MPa，其值相對普通濕噴混凝土提升36.32%。

（4）摻入鋼纖維的全高鈦重礦渣濕噴混凝土相較于普通濕噴混凝土具有更高的強度、柔韌性及抗裂性。

[1]李伏虎，馬芹永.纖維材料在噴射混凝土中的應用與研究進展[J].化工新型材料，2013（8）：169-171.

[2]朱廣兵.噴射混凝土研究進展[J].混凝土，2011（4）：105-109.

[3]孫金坤.全高鈦重礦渣混凝土應用基礎研究[D].重慶大學，2006.

[4]楊賀，梁賀之，迭健，等.高鈦重礦渣纖維混凝土力學性能試驗研究[J].鋼鐵釩鈦，2020，41(02):69-74.

[5]混凝土物理力學性能試驗方法標準：GB/T50081—2019[S].北京：中國建筑工業出版社，2019.

[6]任禹，成云海，王貫東，等.濕噴混凝土力學性能試驗分析及高應力巷道支護應用[J].混凝土，2013（3）：128-130+133.

馬雙獅（1994- ），男，四川省攀枝花市，漢族，學歷：碩士研究生，單位：西華大學土木建筑與環境學院，研究方向：建筑材料。

孫金坤（1975- ），男，云南省江川縣，漢族，學歷：博士研究生，職稱：教授，單位：攀枝花學院土木建筑與工程學院。

TQ172

A

1007-6344（2021）01-0035-02