閆嘉慶，宿曉輝，吳際淵

（山西冶金巖土工程勘察有限公司，太原 030002）

隨著我國(guó)大力開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，巖土工程的建設(shè)任務(wù)愈加繁重。由于巖土工程中地下結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的復(fù)雜性，因此正確地認(rèn)識(shí)地質(zhì)環(huán)境條件，合理地進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)和施工，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就十分關(guān)鍵。噴射混凝土施工法是地下工程中常用的支護(hù)形式[1]。由于不同材料組成對(duì)噴射混凝土的工作性能影響很大，因此通過改進(jìn)噴射混凝土材料來提高其支護(hù)性能的相關(guān)研究有著重要意義。

縱觀混凝土支護(hù)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，在早期階段多采用素混凝土加鋼筋網(wǎng)技術(shù)，其缺點(diǎn)在于實(shí)施時(shí)工序繁瑣。不僅需要對(duì)施工巖體的表面進(jìn)行預(yù)先處理，還需要架設(shè)金屬網(wǎng)，而在后續(xù)噴射混凝土?xí)r常常因?yàn)榻饘倬W(wǎng)的阻擋而產(chǎn)生空洞，從而較大程度上降低了施工巖體與混凝土之間的粘結(jié)程度，難以達(dá)到預(yù)期的支護(hù)性能。

在新型復(fù)合支護(hù)材料中，通過在普通噴射混凝土中摻入鋼纖維制成的鋼纖維噴射混凝土（SFRS），在混凝土原有性能基礎(chǔ)上大幅度提升了其延性，從而在抗拉、抗彎、抗裂、抗沖擊以及抗疲勞等方面表現(xiàn)優(yōu)異。另外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入硅粉后，能夠通過硅粉的火山灰效應(yīng)與微填充效應(yīng)來達(dá)到提升混凝土壓縮強(qiáng)度等性能的作用。綜上所述，摻入鋼纖維和硅粉后會(huì)改變混凝土的延性、密實(shí)度等，本文將對(duì)此展開實(shí)驗(yàn)研究，探討如何結(jié)合鋼纖維和硅粉兩者優(yōu)點(diǎn)來改良噴射混凝土性能的問題。

1 材料與方法

1.1 原材料

本文實(shí)驗(yàn)所用普通硅酸鹽水泥采用云南大理紅山水泥有限公司的紅山巖P.O 42.5水泥；鋼纖維采用成都金宇盛世建材有限公司的30mm×0.5mm鋼纖維；硅粉采用云南石晶硅業(yè)有限公司的硅粉；粗骨料采用花崗巖碎石，石料級(jí)配為一級(jí)配，最大公稱粒徑為20mm；細(xì)骨料采用天然河砂，其細(xì)度模數(shù)為2.79，吸水率為0.4%，屬于中砂；減水劑采用昆明市百?gòu)?qiáng)建筑材料廠生產(chǎn)的早強(qiáng)高效減水劑，減水率為15%~20%；水采用自來水（水灰比0.48）。

1.2 配合比

相關(guān)研究結(jié)果證明，鋼纖維噴射混凝土的最佳摻量范圍在1%~1.5%。據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)依照素混凝土基準(zhǔn)配比，分別選取0%、5%、10%、15%、20%硅粉以及1%體積率鋼纖維，以表1所示的6組不同配合比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix proportion

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 坍落度

在實(shí)驗(yàn)室按設(shè)計(jì)配合比試配噴射混凝土，測(cè)定混凝土坍落度。將新拌混凝土倒入標(biāo)準(zhǔn)塑模并用振搗棒振搗密實(shí)，用塑料薄膜封口并養(yǎng)護(hù)24h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d，靜置90d后試驗(yàn)。

1.3.2 力學(xué)性能

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)參考《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50081-2019》規(guī)范。實(shí)驗(yàn)在2000KN 壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試塊標(biāo)準(zhǔn)為150mm×150mm×150mm，以6個(gè)試件作為一組，在溫度（20±2）℃，相對(duì)濕度大于90%環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28d后，測(cè)定所有試件壓縮強(qiáng)度并取每組平均值作為最終測(cè)定結(jié)果，以此方法控制離散程度。

1.3.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B性能實(shí)驗(yàn)參考《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5150-2001）[5]的標(biāo)準(zhǔn)，采用規(guī)格為175mm×185mm×150mm 標(biāo)準(zhǔn)圓臺(tái)體，試塊以6 個(gè)為一組，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)從0.1MPa水壓開始，以后每隔8h 增加0.1MPa 水壓，直至半數(shù)以上試件出現(xiàn)端面滲水現(xiàn)象時(shí)，取當(dāng)前水壓數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度

為了滿足噴射施工的和易性要求，濕噴混凝土的坍落度控制為（160±20）mm。由表1 可知，在素混凝土中加入鋼纖維后，混凝土的塌落度產(chǎn)生了較大的降幅。說明鋼纖維的摻入降低了混凝土的坍落度。這可能是由于鋼纖維在混凝土里面形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐著混凝土，阻礙混凝土的流動(dòng)，增加了混凝土的摩擦力[6]。在鋼纖維混凝土中再摻入硅粉，從表1 可知，隨著硅粉摻量的增加，鋼纖維混凝土的坍落度卻呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，說明硅粉對(duì)混凝土的坍落度有積極的作用。這可能是由于硅粉增加了拌和物的粘稠性。

2.2 力學(xué)性能

從表2 所示混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：摻入鋼纖維后，混凝土壓縮性能提升幅度為11.68%，拉伸性能提升幅度為47.87%。該結(jié)果證明摻入鋼纖維能夠小幅度改善混凝土壓縮性能，并且較大程度改善混凝土的拉伸性能。分析其原因，主要是因?yàn)橄啾然炷炼?，鋼纖維具有極佳拉伸強(qiáng)度和彈性模量等特點(diǎn)。當(dāng)混凝土受荷載作用而變形時(shí)，其中的鋼纖維開始承受拉應(yīng)力作用，從而發(fā)揮其特點(diǎn)。由此也可得出，鋼纖維與混凝土兩者間的粘結(jié)力也對(duì)拉伸性能有所影響。

表2 混凝土力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of concrete

從表2可知，向鋼纖維混凝土中摻入硅粉可以進(jìn)一步提高混凝土的壓縮能力和拉伸能力。與鋼纖維混凝土相比，硅粉鋼纖維混凝土的壓縮能力（28d）增 加16.26% ～35.99% ， 拉 伸 能 力（28d） 增 加7.01%～8.66%。說明硅粉對(duì)鋼纖維混凝土壓縮能力的提高更加顯著。這可能是由于，向鋼纖維混凝土中摻加硅粉后，改善了鋼纖維與基體混凝土材料的界面性狀，使界面區(qū)得到強(qiáng)化，提高了界面粘結(jié)強(qiáng)度，形成鋼纖維與硅粉共同增強(qiáng)的復(fù)合效果[8]。同時(shí)，由于硅粉的火山灰效應(yīng)和微填充效應(yīng)，可以形成凝膠，填充鋼纖維與基體混凝土之間的空隙，因此提高了混凝土的密實(shí)程度，進(jìn)一步提高混凝土的強(qiáng)度。與普通混凝土相比，硅粉鋼纖維混凝土的壓縮能力（28d）增加29.84%～51.88%，拉伸能力（28d）增加58.23%～60.67%。說明硅粉和鋼纖維的復(fù)合摻入可以協(xié)同增強(qiáng)混凝土的壓縮能力和拉伸能力。

圖1 混凝土力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of concrete

圖1所示為本實(shí)驗(yàn)混凝土壓縮強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化情況。從圖1可以看出，鋼纖維混凝土的壓縮能力和拉伸能力隨著硅粉摻量的增加而增強(qiáng)。當(dāng)硅粉摻量超過10%后，再加入硅粉對(duì)鋼纖維混凝土的壓縮強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)作用趨于平緩。說明雖然硅粉可以增加鋼纖維和混凝土的粘結(jié)性能，增強(qiáng)混凝土的密實(shí)性、強(qiáng)度和延性。然而，當(dāng)硅粉達(dá)到一定飽和度，增強(qiáng)能力就會(huì)減弱。因此，合理的控制硅粉添加量可以獲得經(jīng)濟(jì)效益和性能最佳的硅粉鋼纖維噴射混凝土。

2.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B性是綜合反映混凝土的抗?jié)B和耐久性能的重要指標(biāo)，良好的抗?jié)B性能既能夠有效減少水對(duì)噴射混凝土的侵蝕作用，同時(shí)也符合地下巖土工程防排水的要求。由表3 可知，普通混凝土的平均滲水深度是10.5cm，而鋼纖維混凝土的平均滲水深度是6.5cm，比普通混凝土減少了38.09%，而添加硅粉后的鋼纖維混凝土則比普通混凝土減少了49.52%～58.09%。說明鋼纖維和硅粉的摻入對(duì)噴射混凝土的抗?jié)B性有很大的提高。

分析噴射混凝土抗?jié)B性得到改良的原因，主要有以下3 個(gè)方面：①摻入鋼纖維后大幅度提升了噴射混凝土的拉伸性能，從而有效減少收縮裂縫的產(chǎn)生；②摻入鋼纖維后降低了噴射混凝土的失水面積，從而降低毛細(xì)管失水收縮產(chǎn)生的張力作用；③由于硅粉具有火山灰效應(yīng)和微粉效應(yīng)，摻入到噴射混凝土中可以填充水泥顆粒間的空隙。綜上，通過在混凝土中摻入鋼纖維和硅粉，降低了其孔隙率并且提高了密實(shí)度，因此顯著提升了噴射混凝土抗?jié)B性能。此外，加入高效減水劑，混凝土拌和物的和易性得到改善，減少了離析和泌水現(xiàn)象。水泥漿與集料界面的密實(shí)程度提高，混凝土強(qiáng)度提高，耐久性得到改善。

表3 混凝土抗?jié)B性Tab.3 Impermeability of concrete

從表3 可以看出，混凝土抗?jié)B性能隨著硅粉摻量的增加而提高。雖然硅粉能夠有效地提高混凝土的抗?jié)B性，然而當(dāng)硅粉摻量在10%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最佳，硅粉摻量再增加，抗?jié)B性能反而有所下降。說明過多的硅粉并不利于混凝土抗?jié)B性能的提高。

3 結(jié)語

1）在噴射混凝土中，鋼纖維的摻入降低了混凝土的坍落度，而硅粉對(duì)混凝土的坍落度有積極的作用。

2）鋼纖維對(duì)混凝土拉伸能力的提高更加顯著，而硅粉對(duì)混凝土壓縮能力的提高更加顯著。硅粉和鋼纖維的復(fù)合摻入可以協(xié)同增強(qiáng)混凝土的壓縮能力和拉伸能力。

3）當(dāng)硅粉摻量超過10%后，對(duì)鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂拉伸強(qiáng)度的增強(qiáng)作用不明顯。

4）鋼纖維和硅粉的摻入對(duì)噴射混凝土的抗?jié)B性有很大的提高。當(dāng)硅粉摻量在10%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能最佳，過多的硅粉并不利于混凝土抗?jié)B性能的提高。