改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應用研究

滿奇斐

(河北省子牙河務中心，河北 衡水 053000)

1 研究背景

對水利工程中的地下洞室建設而言，大埋深、地質環境復雜的工程不斷出現，而深部巖土體開挖中的圍巖大變形問題十分突出，給工程設計和建設帶來了諸多困擾[1]。對于圍巖大變形的控制問題，目前使用最為廣泛的是讓壓錨桿、可縮 U 型鋼支架、多次注漿等工程技術措施[2]。但是，普通混凝土由于受到自身特性的影響，不僅后期強度相對較低，且延展性較差，難以滿足圍巖大變形對支護結構的力學性能要求，另一方面，普通混凝土容易產生開裂，并與圍巖裂隙相連形成諸多滲流通道，對襯砌支護結構的耐久性構成嚴重威脅[3]。由此可見，普通混凝土在力學性質和耐久性方面存在諸多劣勢，難以滿足深部洞室工程以及圍巖大變形的支護需求[4]。隨著工程技術與工程材料學的迅速發展，諸多新型混凝土材料得到廣泛應用并顯示出良好的工程效果。纖維混凝土即為一種新型混凝土材料，纖維的加入可以有效抑制混凝土溫度裂縫的產生，對混凝土的抗彎、韌性以及抗沖擊力等性能也有明顯的改善，從而有效提高了混凝土的抗滲、放水以及抗凍性能[5]。在這一背景下，如何更好發揮纖維在混凝土中的作用，進一步提高纖維混凝土的整體性能，就成為當前工程界研究的重要課題。此次研究通過室內和現場試驗的方式，探索改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應用，力求為相關工程設計和建設提供有效的材料層面的支持。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥是改性聚丙烯纖維混凝土的主要膠凝材料，其性能將直接決定混凝土的性能[6]。此次研究采用的水泥為唐山水泥廠生產的“冀東”牌P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。經檢驗，其各項性能指標滿足相關施工規范要求，可以用于試驗。在混凝土中添加一定數量的粉煤灰，可以對混凝土的整體性能產生一定的影響。本次試驗采用的是本溪市熱電廠生產的1 級粉煤灰。粗骨料也是混凝土的重要組成材料，其合理選擇將直接影響混凝土的強度，特別是抗壓強度，此次試驗選用的粗骨料是機制石灰巖碎石，經檢驗其級配完全滿足規范要求。試驗用細砂為河沙，其粒徑為0～4.75 mm，細度模數為2.65，表觀密度為2.67 g/cm3，含水量約2.0%，含泥量約1.2%。減水劑是混凝土制備中的常用添加劑，可以減少拌合用水量，提高混凝土的強度，此次研究采用的是大連市西卡建筑材料有限責任公司生產的聚羧酸類高效減水劑，其有效減水率約30%。試驗用水為普通自來水；試驗用纖維為改性聚丙烯纖維。

2.2 改性聚丙烯纖維的制作

改性聚丙烯纖維制作的主要原料如表1所示。其制作步驟為將聚丙烯纖維在丙酮中浸泡24 h，然后倒出丙酮，在60 ℃條件下對聚丙烯纖維進行烘干，獲得脫脂纖維；將獲得的脫脂纖維置于容器中，然后將馬來酸酐、二苯甲酮和二甲苯混合液倒入其中，在常溫條件下靜置30 min；將玻璃容器置于紫外燈箱中，利用紫外線照射20 min，然后靜置30 min。取出纖維用丙酮沖洗干凈，然后在60 ℃條件下烘干，即可獲得改性聚丙烯纖維。

表1 聚丙烯纖維制作原料

2.3 混凝土配合比

傳統混凝土的工程應用十分廣泛，無論是選材還是配合比已經十分成熟[7]。因此，在纖維混凝土的應用方面仍舊以經驗為主，結合具體材料的特點和試驗結論形成比較合理的設計方案。在此次研究中也按照上述思路，采用傳統的水泥混凝土配合比設計方案，并以纖維混凝土的技術特點進行必要的調整，最終提出一個相對可行的方案，具體的配合比設計如表2所示。

表2 改性聚丙烯纖維混凝土配合比設計 kg·m-3

3 改性聚丙烯纖維混凝土支護應用

3.1 現場試驗設計

為了評價改性聚丙烯混凝土在水工隧洞支護領域的應用價值，研究中以某輸水隧洞為工程背景進行試驗研究。在背景工程開挖支護施工過程中，隨機選擇兩個試驗段進行對比實驗，每個試驗段的長度為100 m。其中，試驗段A采用普通混凝土支護，試驗段B采用的改性聚丙烯混凝土支護，其余支護設計完全相同。在每個試驗段上設計3個間隔為20 m的監測斷面，將所有檢測斷面的監測結果均值作為最終監測結果。監測的主要內容為隧洞圍巖的表面位移和內部應力。其中，圍巖的變形監測采用的是JSS30A型數顯收斂計，圍巖應力監測采用MYJ-10測力計[8]。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 位移試驗結果與分析

圍巖變形量監測結果如表3所示。由表中結果可知，不同試驗段各個關鍵部位的位移量在支護完成之后均呈現出逐漸增大的變化特征，且開始的增加速率較大，之后逐漸趨于穩定，在支護完成20 d后的變化量極為有限。從普通混凝土和改性聚丙烯混凝土的試驗結果對比來看，在其他條件相同時，改性混凝土支護的位移量明顯偏小。從40 d的最終試驗結果來看，改性聚丙烯混凝土支護結構的拱頂位移量與普通混凝土支護結構相比減小0.50 mm，減小了約10.12%；改性聚丙烯混凝土支護結構的拱腰位移量與普通混凝土支護結構相比減小1.92 mm，減小了約9.96%；改性聚丙烯混凝土支護結構的底板位移量與普通混凝土支護結構相比減小2.12 mm，減小了約10.00%。由此可見，采用聚丙烯混凝土時，支護結構的最終位移量明顯減小。因此，采用聚丙烯混凝土可以有效控制圍巖位移，對保證工程的安全穩定具有重要作用。

表3 圍巖變形監測結果

3.2.2 應力試驗結果與分析

不同試驗段的圍巖應力監測結果如表4所示。由表中的計算結果可知，不同試驗段各個關鍵部位的應力在支護完成之后均呈現出逐漸增大的變化特征，且開始的增加速率較大，之后逐漸趨于穩定，在支護完成20 d后的變化量極為有限。從普通混凝土和改性聚丙烯混凝土的試驗結果對比來看，在其他條件相同時，改性混凝土支護的應力值明顯偏小。從40 d的最終試驗結果來看，改性聚丙烯混凝土支護結構的拱頂應力與普通混凝土支護結構相比減小0.67 MPa，減小了約12.05%；改性聚丙烯混凝土支護結構的拱腰應力與普通混凝土支護結構相比減小1.27 MPa，減小了約11.98%；改性聚丙烯混凝土支護結構的底板應力與普通混凝土支護結構相比減小1.07 MPa，減小了約11.99%。由此可見，采用聚丙烯混凝土時，支護結構的最終應力值明顯減小。因此，采用聚丙烯混凝土可以有效控制圍巖內部應力，對保證工程的安全穩定具有重要作用。

表4 圍巖應力監測結果

4 結 論

此次研究利用試驗的方法，探討了改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應用，獲得的主要結論如下：

(1)根據聚丙烯纖維的特點，提出了制備改性聚丙烯纖維的思路和工藝，提出了制備改性聚丙烯纖維混凝土的配合比。

(2)工程試驗結果顯示，使用改性聚丙烯纖維混凝土支護時，隧洞圍巖關鍵部位的位移量減小約10%左右，內部用力減小約11%左右，對保證工程施工和運行安全具有重要意義。

(3)采用改性聚丙烯纖維混凝土并不會顯著抬升施工成本，但是在安全性方面具有明顯優勢，建議在工程建設中根據實際情況選用。