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。
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)。
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
1.3.1 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。
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。
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。
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。
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。