陳 雷，馬芹永

(1. 安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

長期以來，混凝土材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道等地下工程中。然而隨著煤礦開采深度的增加，巷道圍巖的壓力逐漸增長，變形量也隨之增大，地質(zhì)條件也更加復(fù)雜，導(dǎo)致混凝土支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較嚴重的裂縫，甚至造成混凝土的剝落與掉塊，喪失對圍巖的封閉和支護作用，對煤礦的安全產(chǎn)生帶來嚴重隱患[1-2]。因此，需要進一步提高混凝土抗裂與抗折性能，以適應(yīng)更加復(fù)雜的地下空間條件，確保地下空間結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對增強混凝土抗裂、抗折性能進行了研究。文獻[4]采用鋼纖維增強混凝土材料的抗裂、抗折性能，但鋼纖維具有易腐蝕的缺陷，反而加速了混凝土中裂縫的形成與擴展。文獻[5]采用聚丙烯纖維增強混凝土材料性能，但改善作用不明顯。文獻[6]采用短切玄武巖纖維增強混凝土的力學(xué)性能，然而短切玄武巖纖維表面光滑，無法與混凝土之間形成足夠的粘結(jié)力，阻礙了玄武巖纖維增強作用的發(fā)揮。雖然各類纖維在改善混凝土力學(xué)性能方面都有發(fā)揮一定的作用，但是也存在各自的缺陷[7-8]。

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料[9]。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。該材料質(zhì)量遠低于金屬鐵，但抗拉強度遠高于鋼材[10]。同時碳纖維材料還具有粘結(jié)強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，耐疲勞與耐腐蝕的特點[11]。因此，碳纖維復(fù)合材料有助于改善混凝土抗裂與抗折性能的不足[12]。試驗通過預(yù)埋碳纖維網(wǎng)與碳纖維短切絲的方法改善混凝土拱的抗裂與抗折性能，著重分析碳纖維網(wǎng)的密度、布置層數(shù)與預(yù)埋位置以及碳纖維短切絲的長度與摻量對改善混凝土梁的改善作用。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1)碳纖維網(wǎng)與碳纖維短切絲

試驗采用的碳纖維網(wǎng)是由碳纖維束編織而成，其產(chǎn)品性能參數(shù)如表1所示。主要采取四種碳纖維網(wǎng)密度(240mm×240mm，120mm×120mm，80mm×80mm與40mm×40mm)，具體如圖1所示。碳纖維網(wǎng)之間的結(jié)點采用碳纖維束綁扎，同時碳纖維束伸出邊界結(jié)點30mm，用以保護結(jié)點。由于碳纖維網(wǎng)必須通過鋼筋才能架立在混凝土內(nèi)，因此本試驗采用HPB235鋼筋，直徑6mm，鋼筋網(wǎng)密度為240mm×240mm，其性能符合國家鋼筋混凝土用鋼(GB1499.1-2008)的標(biāo)準[13]。碳纖維短切絲性能參數(shù)如表1所示，主要摻入不同比例(0.5%、1%、2%與4%)的碳纖維短切絲提高混凝土拱的抗裂性能。

圖1 碳纖維網(wǎng)格形式

2)應(yīng)變片與環(huán)氧AB膠

采用BX120-50AA混凝土應(yīng)變片分析混凝土拱在荷載作用下的變形特征。試驗采用的環(huán)氧AB膠由天津某化工科技有限公司提供，主要作用是將應(yīng)變片平整牢固的粘貼在混凝土表面。

3)混凝土材料

試驗采用P·O 32.5級普通硅酸鹽水泥，其性能符合國家通用硅酸鹽水泥(GB175)的標(biāo)準[14]。試驗用細骨料為中粗河砂，細度模數(shù)為2.8。粗骨料為碎石，飽和面干狀態(tài)，連續(xù)級配，粒徑范圍5～20mm。試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方法

1)混凝土拱模型設(shè)計

依據(jù)淮北礦業(yè)集團某煤礦大巷實際情況，試驗設(shè)計混凝土拱模型的總寬度2.7m，總高度2.15m，直墻高度0.8m，混凝土澆筑厚度為80mm。其中鋼筋與碳纖維網(wǎng)居中放置，碳纖維短切絲均布摻入，沿巷道軸向取300mm長度(既混凝土拱試件高度300mm)，如圖2所示。

圖2 混凝土拱與應(yīng)變片的粘貼

2)混凝土拱制備與養(yǎng)護

混凝土配合比如表2所示。A-1組作為對照組，僅加入了鋼筋網(wǎng)。B-1至B-4組加入了不同密度的碳纖維網(wǎng)，用以研究碳纖維網(wǎng)對混凝土拱承載能力的增強作用。C-1至C-4組加入了不同摻量的碳纖維短切絲，用以研究碳纖維短切絲摻量對混凝土拱抗裂性能的增強作用。

混凝土拱的制備參照《混凝土強度檢驗評定標(biāo)準》(GB/T50107-2010)的方法[15]。以試件D-2為例：首先將碳纖維網(wǎng)與鋼筋網(wǎng)按照預(yù)定位置放入模具中。參照表3配合比，首先將水泥與碳纖維短切絲加入攪拌機并快速干拌30s，然后加入砂并再次快速干拌30s(確保碳纖維短切絲能夠在混凝土中均勻分布)，最后加入碎石與水，先慢攪30s再快速攪拌60s并準備成型。試件的養(yǎng)護按照《混凝土強度檢驗評定標(biāo)準》(GB/T50107-2010)中的養(yǎng)護方法進行。

3)應(yīng)變片的粘貼與測試

按順時針方向，在混凝土拱內(nèi)表面9個位置順序粘貼18個應(yīng)變片，每個位置按照環(huán)向(沿著拱方向)與縱向(垂直拱方向)粘貼兩個應(yīng)變片，具體如圖2所示。在混凝土拱加載前，將應(yīng)變片的接線連接到全自動電阻應(yīng)變監(jiān)測記錄儀(ASM1.0型)上。待加載后，應(yīng)變儀自動記錄各點的應(yīng)變，直至應(yīng)變片發(fā)生破壞。

4)混凝土拱加載試驗

試驗采用均布9個油壓千斤頂進行加載，在荷載的作用下，混凝土拱表面首先出現(xiàn)了微裂縫(見圖3(a)，矩形框標(biāo)出)。隨著荷載的不斷增大，微裂縫不斷擴展與延伸并形成貫通裂縫(見圖3(b)，矩形框標(biāo)出)。貫通裂縫不斷匯集并進一步擴展,最終導(dǎo)致混凝土拱發(fā)生破壞。其中碳纖維網(wǎng)的拔出與拉斷破壞(見圖3(c)～(d)，圓形框標(biāo)出)。

表2 混凝土配合比

圖3 混凝土拱加載破壞過程

2 素混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變分析

試件A-1的承載能力如表2所示。當(dāng)荷載增加到5.7MPa，測點7附近出現(xiàn)明顯的初裂縫。當(dāng)荷載增加到8.6MPa，試件A-1發(fā)生破壞，可以看出，試件A-1的承載能力明顯不足。由于混凝土是一種脆性材料，其抗折與抗裂性能遠低于抗壓性能，因此采用素混凝土進行巷道支護具有一定的安全隱患，必須增強混凝土的承載能力。

試件A-1環(huán)向應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 (a)示，測點1、2、3、6、7與8產(chǎn)生拉應(yīng)變，而測點4、5與9產(chǎn)生負向壓應(yīng)變。當(dāng)荷載在0～4MPa內(nèi)增長時，各測點的應(yīng)變緩慢增長。當(dāng)荷載在4～6MPa內(nèi)上升時，測點3與測點7應(yīng)變的增速明顯上升，而其他各測點仍保持緩慢增長，這說明在測點3與測點7的位置均出現(xiàn)了微裂紋，導(dǎo)致應(yīng)變明顯上升。隨著荷載的進一步增長，測點7的應(yīng)變迅速增長，而且遠高于測點3，最終測點7達到應(yīng)變最大值并發(fā)生破壞。

圖4 素混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變曲線

試件A-1縱向應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 (b)所示，混凝土拱縱向應(yīng)變值明顯低于環(huán)向應(yīng)變值，縱向應(yīng)變極限值僅約為環(huán)向應(yīng)變極限值的1/6。這說明混凝土拱在承受荷載過程中產(chǎn)生的環(huán)向變形遠高于縱向變形。測點2、3、4、7與8產(chǎn)生的是縱向拉應(yīng)變，而測點1、5、6與9產(chǎn)生的是縱向壓應(yīng)變。可以看出，測點2、3、7與8的環(huán)向與縱向均為拉應(yīng)變，而測點5與9的環(huán)向與縱向均為壓應(yīng)變，同時測點1與4環(huán)向與縱向應(yīng)變符號各異。這說明每個測點的環(huán)向與縱向應(yīng)變既可能是拉應(yīng)變也可能是壓應(yīng)變，這與混凝土拱的受力狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、裂縫的延伸與擴展有關(guān)。其次縱向應(yīng)變增幅明顯低于環(huán)向應(yīng)變，同時縱向應(yīng)變增長最快的點仍然是測點7，這進一步證明破壞點發(fā)生在測點7附近，因此，混凝土拱破壞點附近的環(huán)向與縱向應(yīng)變最大。

3 碳纖維網(wǎng)增強混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變分析

碳纖維網(wǎng)增強混凝土拱承載能力分析如表2所示。當(dāng)摻入240mm×240mm碳纖維網(wǎng)，試件B-1的初裂荷載為5.8MPa，極限荷載為8.7MPa，與試件A-1相比沒有明顯增長。這是因為摻入的碳纖維網(wǎng)密度太小，無法起到明顯的增強作用，所以試件B-1的承載能力沒有明顯提升。當(dāng)摻入120mm×120mm碳纖維網(wǎng)，試件B-2的初裂荷載與極限荷載分別增長到6.0MPa與9.0MPa，比試件A-1分別提高了5.3%與4.7%，增幅仍不明顯。當(dāng)摻入40mm×40mm碳纖維網(wǎng)，試件B-4的初裂荷載與極限荷載分別增長到7.1MPa與11.6MPa，比試件A-1分別提高了24.6%與34.9%，增強效果顯著。因此，碳纖維網(wǎng)的加入可以顯著提高混凝土拱的承載能力，而且提升幅度隨著碳纖維網(wǎng)密度的增大而增強。同時摻入碳纖維網(wǎng)對混凝土拱極限荷載的增強幅度高于初裂荷載。

(a, c, e, g)試件B-1、B-2、B-3與B-4環(huán)向應(yīng)變; (b, d, f, h) 試件B-1、B-2、B-3與B-4縱向應(yīng)變圖5 碳纖維網(wǎng)增強混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變曲線

碳纖維網(wǎng)增強混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變分析如圖5所示。當(dāng)摻入240mm×240mm碳纖維網(wǎng)，試件B-1各測點應(yīng)變增長的速度沒有明顯放緩，如圖5(a，b)所示。這說明摻入240mm×240mm碳纖維網(wǎng)對混凝土承載能力的改善作用不明顯，這也與試件B-1承載力研究結(jié)果相一致。然而，隨著碳纖維網(wǎng)密度的增大，環(huán)向與縱向應(yīng)變增長速率逐漸放緩。試件B-4(摻入40mm×40mm碳纖維網(wǎng))環(huán)向與縱向應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5(g，h)所示，當(dāng)荷載在0～6MPa內(nèi)增長時，環(huán)向與縱向應(yīng)變一直沒有明顯上升。這說明碳纖維網(wǎng)的摻入顯著提高了混凝土拱的抗拉強度，充分發(fā)揮出碳纖維網(wǎng)高強的抗拉性能，明顯減緩混凝土拱在荷載作用下發(fā)生的變形。因此，碳纖維網(wǎng)的摻入顯著提高了混凝土拱的承載能力。

通過對圖4～圖6中A、B與C組試件發(fā)生破壞的位置進行分析，9個混凝土拱的破壞位置分別集中在測點3、4、6與7附件。然而在混凝土拱的最高點(測點5)并沒有一個試件發(fā)生破壞，而且在直拱位置(測點1、2、8與9)也沒有一個試件發(fā)生破壞。說明最不利位置并不在最高點或是直墻處，而是在混凝土拱最高點的兩側(cè)，同時發(fā)生破壞的位置也不固定，這與混凝土拱在制備與養(yǎng)護過程中內(nèi)部存在的缺陷以及加載過程中裂縫的擴展與延伸有關(guān)。

4 碳纖維短切絲增強應(yīng)力應(yīng)變分析

碳纖維短切絲增強混凝土拱承載能力如表2所示。當(dāng)摻入0.5%的碳纖維短切絲，試件C-1的初裂荷載上升到7.5MPa，極限荷載增長到12.2MPa，比試件A-1分別提高了31.6%與41.9%?？梢钥闯觯瑩饺胩祭w維短切絲可以繼續(xù)增強混凝土拱的初裂荷載與極限荷載。這是因為碳纖維短切絲具有很高的抗拉強度(如表1所示)，可有效控制混凝土中微裂縫的產(chǎn)生、延伸與擴展，所以顯著提高了混凝土拱的初裂荷載與極限荷載。

隨著碳纖維短切絲摻量的提高，混凝土拱的承載能力持續(xù)提升。當(dāng)碳纖維短切絲的摻量增長到2%，試件C-3的初裂荷載上升到8.5MPa，極限荷載增長到13.9MPa，比試件A-1分別提高了49.1%與61.6%?？梢钥闯?，提高碳纖維短切絲摻量可以持續(xù)提高混凝土拱的承載能力。這是因為混凝土拱單位體積內(nèi)碳纖維短切絲的含量明顯提升，單位體積內(nèi)混凝土抗裂與抗拉能力得到明顯改善，所以混凝土拱的初裂荷載與極限荷載不斷提高。

然而，隨著碳纖維短切絲摻量進一步提升，試件C-4(碳纖維短切絲的摻量為4%)的初裂荷載僅上升到8.6MPa，而極限荷載僅增長到14.0MPa，比試件C-3僅分別提高了1.2%與0.7%。這說明2%的摻量已經(jīng)達到碳纖維短切絲改善混凝土拱承載能力的極限狀態(tài)，即使繼續(xù)增加碳纖維短切絲含量也無法明顯提高混凝土拱的承載能力。

碳纖維短切絲增強混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變分析如圖6所示。試件C-1(摻入0.5%碳纖維短切絲)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6(a，b)所示。當(dāng)荷載在0～7MPa內(nèi)增長，各測點應(yīng)變沒有明顯增長，而當(dāng)荷載在7-12MPa內(nèi)增長時，各測點應(yīng)變才開始迅速提升，同時試件C-1發(fā)生破壞時的極限荷載也比試件B-4有明顯提升，這說明碳纖維短切絲的摻入進一步提高了混凝土拱的抗變形能力。當(dāng)荷載不斷增加時，其首先必須將混凝土拱內(nèi)部的碳纖維短切絲拉斷才能繼而使混凝土發(fā)生破壞，而碳纖維短切絲具備高強的抗拉性能，所以碳纖維短切絲的摻入顯著提供了混凝土拱的承載能力。

(a, c, e, g)試件C-1、C-2、C-3與C-4環(huán)向應(yīng)變; (b, d, f, h) 試件C-1、C-2、C-3與C-4縱向應(yīng)變圖6 碳纖維短切絲混凝土拱應(yīng)力應(yīng)變曲線

隨著碳纖維短切絲摻量的提升，混凝土拱應(yīng)變的增長速率進一步明顯降低。當(dāng)摻入2%碳纖維短切絲，試件C-3的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6(e，f)所示?？梢钥闯?，當(dāng)荷載在0～10MPa內(nèi)增長時，各測點應(yīng)變都沒有明顯增長，而當(dāng)荷載達到12 MPa時，各測點應(yīng)變才開始迅速提升，而且當(dāng)試件C-3的荷載達到14MPa時才出現(xiàn)極限破壞。這說明碳纖維短切絲含量的提高進一步增強了混凝土抵抗變形的能力，從而進一步提高其承載能力。隨著碳纖維短切絲含量的進一步提升，試件C-4(摻入4%碳纖維短切絲)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6(g，h)所示?？梢钥闯?，隨著荷載的提升，試件C-4中各測點的應(yīng)變比試件C-3沒有進一步放緩，而且試件C-4的極限破壞應(yīng)變也沒有進一步提高。這說明在2%基礎(chǔ)上進一步提高碳纖維短切絲的摻量無法繼續(xù)改善混凝土的抗變形能力。因此，隨著碳纖維短切絲摻量的提高，混凝土拱的承載能力沒有進一步提升，這與試件C-4承載能力的試驗分析結(jié)果相一致。

5 結(jié)論

(1)碳纖維網(wǎng)與碳纖維短切絲的摻入可以顯著提高混凝土拱的承載能力，摻入40mm×40mm碳纖維網(wǎng)與2%的碳纖維短切絲的增強效果最佳。

(2)碳纖維網(wǎng)與碳纖維短切絲的摻入明顯提高混凝土抵抗變形能力，延緩應(yīng)變的增長并顯著降低應(yīng)變增長速率，明顯提高混凝土拱的初裂與極限荷載。

(3)發(fā)生破壞的最不利位置在混凝土拱最高點的兩側(cè)，與混凝土拱內(nèi)部缺陷與微裂縫的擴展與延伸有關(guān)。