基于鋼纖維與聚丙烯纖維的噴射混凝土彎曲韌性研究

許 鋒，曾 林，柳德虎，羅蘭濱，楊金光

（福建冶地恒元建設(shè)有限公司，福建 福州 350108）

噴射混凝土是一種通過壓縮空氣射流成型的特殊混凝土，凝結(jié)硬化速度極快且施工中使用較簡單，普遍應(yīng)用于隧道初支、邊坡加固等工程實踐中。但目前工程中通常使用的噴射混凝土都屬于準(zhǔn)脆性材料，在拉應(yīng)力荷載較高時可能會出現(xiàn)開裂等病害問題[1-3]，不利于隧道襯砌的穩(wěn)定運行。工程實踐中噴射混凝土通常應(yīng)用于位置隱蔽的區(qū)域，問題排查及整改難以進(jìn)行，如果該類區(qū)域出現(xiàn)滲水、漏水問題，則難以處置。因此，需進(jìn)一步深入研究噴射混凝土的韌性特征和耗能能力，強化噴射混凝土隧道初支結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性，促進(jìn)其在高應(yīng)力區(qū)域和軟巖大變形區(qū)域發(fā)揮作用[4-6]。

相關(guān)研究調(diào)查結(jié)果顯示，摻入適當(dāng)纖維能夠幫助改良混凝土材料抗裂性能和耗能能力，高地應(yīng)力條件下使用纖維噴射混凝土構(gòu)設(shè)隧道初支結(jié)構(gòu)的方案也已初步在部分工程中得到應(yīng)用[7-9]。當(dāng)前針對噴射混凝土技術(shù)的研究主要圍繞模筑纖維混凝土開展，纖維噴射混凝土的相關(guān)研究報道較少。噴射混凝土中摻加有速凝劑等組分，相較于傳統(tǒng)模筑混凝土而言工作性能有所改變，且工程實踐中使用的纖維噴射混凝土對纖維具有特殊的尺寸及種類要求[10-12]。為確保工程實踐中所用纖維噴射混凝土的彎曲性能，該研究設(shè)計試驗分析不同纖維種類、摻量、直徑及長度等條件下噴射混凝土的工作性能差異，以期推動纖維噴射混凝土技術(shù)更好地應(yīng)用于實際工程項目中。

1 試驗材料與配合比

試驗中所用水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，混凝土強度為C30，粗集料和細(xì)集料分別為5～10 mm級配碎石和天然河砂，兩者表觀密度分別為2.70t/m3和275t/m3。

經(jīng)試驗及優(yōu)化，試驗所用混凝土質(zhì)量配合比為水：石子：砂：水泥=185：886：754：470。所用添加劑包含減水劑和速凝劑，其中，速凝劑為高性能液體無堿速凝劑，摻加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；減水劑為采購自河北某科技公司的聚羧酸高效減水劑，摻加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

試驗中所用聚丙烯纖維和鋼纖維包括4類尺寸與形狀組合，具體見表1。

表1 4種型號纖維種類及性能指標(biāo)Table 1 Types and performance indicators of four types of fibers

2 彎曲韌性試驗

2.1 預(yù)切口三點彎曲韌性試驗方案

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中相關(guān)描述制備試樣，試樣為長方體纖維混凝土梁，尺寸規(guī)格為100mm×100mm×400mm。制備試樣并養(yǎng)護(hù)完成后，依據(jù)切口梁法進(jìn)行彎曲韌性試驗并測定彎拉強度和彎曲韌性。使用三分點法加載預(yù)切口，切口深度和寬度分別為10mm和2mm。試驗設(shè)備為TONI TECHNIK伺服試驗機，加載速度設(shè)定為0.2mm/min，使用LVDT傳感器收集記錄數(shù)據(jù)，包括梁體跨中的豎向撓度及加載位置的荷載水平，每1s測量一次。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 纖維混凝土彎曲韌性試驗裝置（單位：mm）Fig. 1 Fiber reinforced concrete bending toughness test device (Unit: mm)

2.2 彎曲韌性指數(shù)計算

參考文獻(xiàn)[13]，計算不同試件彎曲韌性指標(biāo)。以預(yù)切口三點彎曲試驗所得結(jié)果為依據(jù)畫出纖維混凝土的荷載-撓度曲線，如圖2所示。

圖2 纖維混凝土荷載-撓度曲線Fig. 2 Load-deflection curve of fiber reinforced concrete

結(jié)合圖2信息可知，從O點開始，荷載-撓度曲線隨荷載水平提升可以大致分為如下階段：

（1）彈性階段

這一階段中，荷載增大，撓度隨之出現(xiàn)線性增長，開裂荷載為直線段終點A點處縱軸坐標(biāo)，開裂撓度δ則為B點橫軸坐標(biāo)。

（2）應(yīng)變硬化階段

該階段中，隨位移發(fā)展，試件荷載逐漸增加，直到荷載達(dá)極限值為止。

（3）應(yīng)變軟化階段

試件荷載降低而撓度繼續(xù)增加，直至試件完全喪失承載能力。

圖2曲線中，D點撓度為3.0δ，對應(yīng)曲線中C點；F點撓度3.5δ，對應(yīng)曲線中E點。假設(shè)纖維試件彎曲韌性指數(shù)為I5和I10，則兩者對應(yīng)的區(qū)域面積可表述為如下公式：

收集各組纖維噴射混凝土梁試件試驗結(jié)果并繪制荷載-撓度曲線，即可計算各組材料彎曲韌性指數(shù)。而后用4種不同纖維分別以1.0%和0.7%體積摻量摻入噴射混凝土中并獲取8種纖維混凝土，按照摻量及纖維型號分別制備混凝土梁試件，每個試驗組均制作試件2個，最終結(jié)果取二者平均值。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 預(yù)切口三點彎曲試驗結(jié)果

對不同試驗組分別進(jìn)行彎曲韌性試驗，以所得結(jié)果為依據(jù)分別畫出荷載-撓度曲線，具體如圖3所示。

圖3 纖維噴射混凝土彎曲試驗荷載-撓度曲線Fig. 3 Load deflection curve of fiber sprayed concrete bending test

結(jié)合圖3信息可知，纖維尺寸固定條件下，噴射混凝土極限荷載和開裂荷載隨纖維摻量提升而增加。

結(jié)合圖3（a）和圖3（b）可得，鋼纖維摻量固定條件下，噴射混凝土中纖維長度和極限荷載、開裂荷載均保持正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)合圖3（a）和圖3（c）可得，鋼纖維長度相同條件下，摻入彎鉤鋼纖維相較于普通直纖維，極限荷載和開裂荷載水平更加優(yōu)良。

結(jié)合圖3（a）和圖3（d）可得，纖維幾何尺寸、纖維摻量等因素固定條件下，聚丙烯纖維相較于鋼纖維能夠更顯著地改良噴射混凝土臨界荷載，換言之，聚丙烯纖維更有利于優(yōu)化纖維噴射混凝土的抗裂性能。

3.2 纖維噴射混凝土彎曲韌性求解

結(jié)合公式（1）、（2）計算各組材料彎曲韌性指數(shù)，所得結(jié)果見表2。

表2 纖維噴射混凝土彎曲韌性計算結(jié)果Table 2 Calculation results of bending toughness of fiber sprayed concrete

由表2可知，纖維摻量在一定范圍內(nèi)，混凝土開裂撓度、極限荷載和彎曲韌性均隨纖維體積摻量提升而提升。但當(dāng)纖維用量超出一定水平后，噴射混凝土工作性能反而會出現(xiàn)下降。

結(jié)合GW30-55及GW40-55的數(shù)據(jù)可得，摻入固定摻量鋼纖維條件下，纖維長度和開裂撓度、臨界荷載及彎曲韌性指數(shù)之間保持正相關(guān)關(guān)系，而纖維長度超出一定長度后會對施工效率產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致混凝土流動性較弱。因此，工程實踐中一方面應(yīng)當(dāng)考慮纖維增韌效果，另一方面則需考慮施工便捷性。

結(jié)合GW30-55及GW30-20的數(shù)據(jù)可得，維持鋼纖維長度水平不變，相較于普通直纖維，彎鉤形狀鋼纖維能夠更大幅度改良材料彎曲韌性。

結(jié)合GW30-55及PP30-55的數(shù)據(jù)可得，維持纖維幾何尺寸固定，則使用聚丙烯纖維改良材料韌性的效果更佳，且聚丙烯纖維增強混凝土彎曲韌性在摻量為1.0%時達(dá)最大值（I5=13.10）。

結(jié)合上述內(nèi)容可得，在試驗設(shè)定條件內(nèi)，隨纖維長度增加，纖維噴射混凝土彎曲韌性不斷增強，但工程實踐中需要兼顧施工便捷性及增韌效果確定合適的纖維長度。表面壓痕聚丙烯纖維或端部彎鉤狀鋼纖維均能有效強化混合料韌性水平，因此不建議工程實踐中采用普通直狀纖維。選擇纖維種類時，鋼纖維或聚丙烯纖維均能有效改良纖維噴射混凝土的增韌效果，但實驗過程中聚丙烯纖維的增韌效果優(yōu)于鋼纖維，其原因可能在于試驗所用聚丙烯纖維采取了表面壓痕處理，且自身有良好的抗拉強度。預(yù)切口三點彎曲試驗結(jié)果表明，PP30-55試件最終發(fā)生破壞的形式皆為纖維拔出，分析認(rèn)為，經(jīng)表面壓痕處理的纖維材料能夠大幅強化纖維和基體之間粘結(jié)效果，提高拔出耗能水平，進(jìn)而達(dá)到強化材料彎曲韌性的效果。

4 結(jié)論

（1）纖維摻量及幾何形狀相同條件下，隨纖維長度增加，噴射混凝土彎曲韌性水平快速增長。工程實踐中選定纖維長度水平時應(yīng)兼顧工作便捷性及增韌性能。所設(shè)計試驗中，采用GW40-55彎鉤鋼纖維的纖維噴射混凝土?xí)r能夠表現(xiàn)出良好的彎曲韌性水平，工作性能也處于較高水平。

（2）經(jīng)表面壓痕處理的聚丙烯纖維或設(shè)置彎鉤的鋼纖維能夠有效強化纖維和基材之間粘結(jié)性能，一定程度提升纖維拔出時的耗能水平并提高纖維噴射混凝土的彎曲韌性水平。

（3）摻入纖維尺寸、摻量等條件固定時，聚丙烯纖維具有高于鋼纖維的增韌作用，臨界載荷更大，即彎曲韌性和抗裂性能更強，聚丙烯纖維的最佳摻量為1.0%，此時彎曲?性指數(shù)5=13.10。