塑鋼纖維噴射混凝土力學性能及現(xiàn)場試驗

柴榮山 CHAI Rong-shan；孔二偉 KONG Er-wei；叢凱 CONG Kai；倪效學 NI Xiao-xue

（山東省公路橋梁建設集團有限公司，濟南 250014）

0 引言

隨著我國大規(guī)模隧道工程的建設，噴射混凝土作為新奧法施工中必不可少的技術(shù)手段，應用十分廣泛。普通的噴射混凝土凝結(jié)硬化后為脆性材料，只能承受壓力，抗拉、抗彎、抗剪和抗折能力很弱，造成大量噴層開裂，嚴重影響圍巖整體穩(wěn)定性，給硐室安全帶來隱患。尤其在破碎圍巖的硐室中，普通噴射混凝土開裂現(xiàn)象更加嚴重[1-2]。

20世紀70年代，提出鋼纖維增強噴射混凝土襯砌的新技術(shù)，并進行了大規(guī)模的試驗研究[3-6]。隨后，由于新型合成纖維的大力開發(fā)，使得纖維噴射混凝土有了較大的進展。目前纖維類型主要有鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚乙烯醇纖維、碳纖維和芳綸纖維等[7-11]。在噴射混凝土應用中，鋼纖維使用最早，從理論到試驗都相對成熟，但存在噴射施工中不易攪拌、回彈量大、易銹蝕等問題；玻璃纖維性脆，其中含有的二氧化硅成分易與噴射混凝土外加劑發(fā)生化學反應；聚丙烯單絲纖維和聚乙烯醇纖維（PVA）分散性不好，施工時易結(jié)團，不能均勻的混合在拌合料中；碳纖維和芳綸纖維造價太高。

因此，提出一種新型塑鋼纖維，它是由聚丙烯單絲纖維與纖維網(wǎng)混合而成的高強度復合纖維，具有耐腐蝕、易分散、強度高、不損害拌合設備等優(yōu)點。對塑鋼纖維混凝土開展室內(nèi)試驗，得出不同摻量對混凝土力學性能的影響，并通過開展現(xiàn)場噴射試驗，對塑鋼纖維噴射混凝土試驗段的隧道周邊收斂進行監(jiān)測與分析，研究塑鋼纖維噴射混凝土對圍巖的支護作用。塑鋼纖維噴射混凝土具有良好的韌性和抗彎拉性能，在圍巖支護中，起到讓壓卸載作用，減少噴層開裂，為塑鋼纖維噴射混凝土在破碎圍巖或軟弱圍巖隧道支護中的推廣應用提供參考依據(jù)。

1 塑鋼纖維混凝土力學性能試驗

1.1 試驗材料

①水泥。

水泥選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，密度為3.1g/cm3，其凝結(jié)時間、抗壓抗折強度、細度均滿足規(guī)范要求。

②骨料。

粗骨料：選用5～10mm的碎石。

細骨料：選用清洗過的河沙，表觀密度為2.58g/cm3，細度模數(shù)為2.8。

③塑鋼纖維。

塑鋼纖維也稱仿鋼纖維或聚丙烯粗纖維，表面粗糙、凹凸不平、截面形狀及比表面積和鋼纖維相似，其各項性能參數(shù)指標如表1所示。

表1 塑鋼纖維性能參數(shù)

④減水劑：采用聚羧酸高效減水劑，摻量為水泥質(zhì)量的1%。

⑤速凝劑：使用液態(tài)速凝劑，摻量為水泥質(zhì)量的4%～6%。

1.2 試驗過程

試驗主要研究不同摻量塑鋼纖維對混凝土力學性能的影響，纖維摻量設計為每方混凝土2kg、4kg、6kg和8kg，相當于體積摻量分別為0.21%、0.42%、0.63%和0.84%。塑鋼纖維混凝土力學性能包括抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗彎強度。

依據(jù)現(xiàn)場實際C25噴射混凝土配合比進行設計，水泥、砂子、石子和水的質(zhì)量比C∶S∶G∶W=1∶2.2∶2∶0.45，水泥質(zhì)量450kg/m3、砂子990kg/m3、石子900kg/m3、水202.5kg/m3，砂率為52.4%，水灰比為0.45。

試驗按照《纖維混凝土試驗方法標準》（CECS 13:2009）進行試驗，抗壓試驗和劈裂抗拉試驗采用型號為YAW-2000的微機控制全自動混凝土壓力試驗機，試件選用150mm×150mm×150mm的立方體塊，加載速率為0.5～2mm/min；抗彎試驗采用四分點加載彎曲試驗，試驗儀器為WE-300B型電液式萬能試驗機，試件選用150mm×150mm×600mm的小梁，加荷速度取每秒0.03～0.06MPa。

1.3 試驗結(jié)果與討論

1.3.1 塑鋼纖維混凝土抗壓強度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，分別測定7d和28d的抗壓強度，如圖1所示。

圖1 塑鋼纖維不同摻量下混凝土抗壓強度

由圖1所示，塑鋼纖維摻量在2kg時，混凝土抗壓強度比不摻纖維時反而降低。考慮到少量纖維的摻入，纖維分散于基體之間，造成空隙和裂縫，反而降低混凝土的整體性和密實性，因此造成混凝土強度降低。摻量在4kg時，隨著摻量的增加，抗壓強度逐漸增強，是因為塑鋼纖維在基體開裂中起到橋連作用，但整體強度提高不明顯。不摻纖維時，混凝土28d強度為41.8MPa，每方混凝土摻入8kg纖維時，混凝土28d強度為46.2MPa，強度提高10.5%。塑鋼纖維混凝土7d和28d抗壓強度變化趨勢相同。

1.3.2 塑鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，分別測定7d和28d的劈裂抗壓強度，如圖2所示。

圖2 塑鋼纖維不同摻量下混凝土劈裂抗壓強度

由圖2可知，塑鋼纖維混凝土的劈裂抗拉強度隨著纖維摻量的增大而增大。不摻纖維時，28d劈裂抗拉強度為3.4MPa，每方混凝土摻入8kg纖維時，28d劈裂抗拉強度為5.8MPa，強度提高70.6%。纖維摻量在4kg和6kg時，強度提高幅度較大。摻入6kg時，28d劈裂抗拉強度為5.6 MPa，相對于空白混凝土試樣，強度提高為64.7%，所以纖維摻量在6kg以上時，劈裂抗拉強度提高不明顯。塑鋼纖維混凝土7d和28d劈裂抗拉強度變化趨勢相同。

1.3.3 塑鋼纖維混凝土抗彎強度

每方混凝土摻量為2kg、4kg、6kg和8kg的塑鋼纖維，在相同混凝土配比情況下，測定28d的抗彎強度，如圖3所示。

圖3 塑鋼纖維不同下?lián)搅炕炷量箯潖姸?/p>

由圖3可知，隨著塑鋼纖維摻量的增大，抗彎強度逐漸增大，每方混凝土摻入8kg塑鋼纖維時的抗彎強度為4.5MPa，不摻纖維的空白試樣抗彎強度為2.4MPa，抗彎強度提高87.5%。每方混凝土摻入6kg塑鋼纖維時的抗彎強度為4.3MPa，抗彎強度提高79.2%。表明塑鋼纖維摻量在6kg以上時，混凝土抗彎強度提高不大。

2 工程應用

2.1 現(xiàn)場概況

某高速公路隧道隧道左線軸線起止樁號為ZK40+900～ZK42+510，長1610.0m，隧道右線軸線起止樁號為K40+913～K42+511，長1598.0m，為小凈距隧道，雙向六車道。隧址區(qū)海拔高程254.2～460.3m，相對高差約206.1m，整體較陡，隧道最大埋深約128.0m。隧址區(qū)出露和揭露地層為第四系殘坡積層（Q3dl+el）及奧陶系（O）地層，主要為強風化灰?guī)r和中風化灰?guī)r、局部夾泥灰?guī)r。Ⅳ、Ⅴ級圍巖支護由C25噴射混凝土、徑向錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架組成，噴射混凝土厚度為24～28cm。

2.2 塑鋼纖維混凝土現(xiàn)場噴射試驗

按設計要求，選擇在左洞Ⅴ級圍巖處進行50m塑鋼纖維噴射混凝土試驗，并與普通噴射混凝土段進行對比。根據(jù)塑鋼纖維力學性能試驗結(jié)果，塑鋼纖維的摻量為每方噴射混凝土6kg。噴射過程中，進行噴大板試驗，測定抗壓強度和劈裂抗拉強度，同時測定噴射混凝土回彈率。結(jié)果表明：隧道邊墻回彈率為7.8%，拱頂回彈率為15.6%。測定塑鋼纖維噴射混凝土抗壓強度為29.4MPa、劈裂抗拉強度為5.3MPa，普通噴射混凝土抗壓強度為26.9MPa、劈裂抗拉強度為3.2MPa。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

隧道周邊收斂是測量隧道表面兩點間的距離變化，收斂曲線結(jié)果如圖4所示。

圖4 隧道周邊收斂曲線

從圖4可以看出，塑鋼纖維噴射混凝土隧道周邊收斂較普通噴射混凝土稍大，尤其是在隧道支護前期，兩者位移相差較大，隨著時間的增加，兩者位移相差越來越小，最后都趨于穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果表明，塑鋼纖維噴射混凝土在早期支護中，能允許隧道有一定的變形，隨著時間延長，且能有效控制圍巖的收斂變形。隧道在剛開挖后，圍巖產(chǎn)生應力卸載，此時，應適當?shù)淖寚鷰r應力進行釋放，并能及時提供支護抗力。當圍巖應力較大時，對于施加的普通噴射混凝土，韌性較差，很容易使噴層開裂。因此，對于有較好韌性的塑鋼纖維噴射混凝土，噴射后與圍壓密貼，共同受力變形，能對圍巖起到有效的支護作用。

3 結(jié)論

①塑鋼纖維對噴射混凝土的抗壓強度提高不大，但能有效提高噴射混凝土的抗拉和抗彎性能；塑鋼纖維摻量在每方混凝土6kg時，劈裂抗拉強度提高64.7%，抗彎強度提高79.2%。

②塑鋼纖維混凝土在噴射時，能有效降低回彈量和粉塵量，邊墻回彈率為7.8%，拱頂回彈率為15.6%。

③塑鋼纖維噴射混凝土能起到讓壓卸載的作用，與圍巖密貼，共同受力。由于塑鋼纖維的韌性，在噴射混凝土初期支護中，與隧道圍巖共同變形，允許開挖圍巖應力釋放，并能提供支護抗力，限制圍巖過度變形。使用塑鋼纖維噴射混凝土，能有效減少噴層開裂，提高圍巖整體穩(wěn)定性。