霍建勛，林傳年，劉 喆

(中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

引言

川藏鐵路被稱(chēng)為世界上最難建的鐵路，全線隧道共計(jì)198座，總長(zhǎng)1 223.451 km，占線路總長(zhǎng)的70.2%；特長(zhǎng)隧道46座，長(zhǎng)724.441 km[1-3]。隧道建設(shè)面臨軟巖大變形、高烈度、高地應(yīng)力、巖爆等工程難題，如何有效提高復(fù)雜環(huán)境下的山區(qū)隧道結(jié)構(gòu)服役性能和使用壽命是各方學(xué)者研究重點(diǎn)。

高強(qiáng)纖維噴射混凝土因其物理力學(xué)性能的優(yōu)越性被廣泛運(yùn)用到隧道、邊坡、基坑等支護(hù)工程[4]，但由于目前對(duì)于高強(qiáng)纖維噴射混凝土外摻纖維可供選擇的種類(lèi)較多且沒(méi)有相應(yīng)的配合比規(guī)范，導(dǎo)致在實(shí)際工程中高強(qiáng)纖維混凝土配制效果較差。

由于纖維摻量和種類(lèi)的組合復(fù)雜多變性，導(dǎo)致現(xiàn)有的研究成果存在較大的差異。趙順波[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究等體積鋼纖維替代粗骨料后鋼纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，結(jié)果表明：當(dāng)鋼纖維體積率不大于2%時(shí)，新拌鋼纖維混凝土工作性能滿(mǎn)足要求；夏冬桃[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究混雜纖維噴射混凝土的彎曲韌性，得到摻入1.2%鋼纖維和0.11%聚丙烯纖維的試件彎曲韌性提高了18%；李秋義[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得出了鋼纖維混凝土的最佳用水量及最佳砂率；楊智碩[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究玄武巖纖維摻量對(duì)超高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能影響，分析得到玄武巖纖維外摻量為2 kg/m3是最優(yōu)的；張長(zhǎng)林[9]研究短切玄武巖纖維對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明短切玄武巖纖維摻入混凝土后會(huì)降低混凝土流動(dòng)性；張志彪等[10]研究不同摻量鋼纖維對(duì)混凝土抗拉疲勞性能的影響，得出鋼纖維體積率1.0%混凝土抗疲勞性能更好；黃雪林等[11]研究單摻PVA纖維、單摻UPE纖維以及兩者混合摻入對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，得出混合纖維(UPE和PVA纖維體積摻量1∶1)混凝土較經(jīng)濟(jì)，綜合力學(xué)性能最高；焦紅娟等[12]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)復(fù)摻纖維比單純的仿鋼纖維和鋼纖維混凝土有更好的韌性和延性，更適合于隧道噴射混凝土工程；王志杰[13-15]研究了混雜復(fù)合纖維對(duì)高性能混凝土斷裂性能的影響，分析得到了試驗(yàn)中雙摻的最佳配比，混雜復(fù)合纖維可大大提高纖維混凝土耐久性。

綜上分析可以看出，目前對(duì)于高強(qiáng)纖維混凝土已取得了一定的研究成果，但大多研究成果僅針對(duì)單一種類(lèi)的纖維或固定力學(xué)性能進(jìn)行研究且對(duì)于高強(qiáng)纖維噴射混凝土配合比的研究相對(duì)匱乏，缺乏系統(tǒng)性分析多種纖維材料、纖維混雜對(duì)高強(qiáng)纖維噴射混凝土的性能影響及配合比研究。

高性能?chē)娚浠炷翉?qiáng)度等級(jí)一般在C30以上，具有較高強(qiáng)度和較強(qiáng)耐久性。JGJT 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定，鋼纖維噴射混凝土水泥用量不應(yīng)小于400 kg/m3，硅灰摻量不宜大于12%，水膠比不宜大于0.45，外加劑和礦物摻和料摻量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。川藏鐵路隧道擬采用主動(dòng)支護(hù)體系，高強(qiáng)纖維噴射混凝土可提高混凝土強(qiáng)度及彎拉韌度，增強(qiáng)抗沖擊能力和對(duì)裂縫的控制，可很好適用于在川藏鐵路復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境。在基準(zhǔn)配合比上，采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)單摻端鉤型鋼纖維、聚丙烯纖維、波紋型鋼纖維、仿鋼纖維以及復(fù)摻纖維對(duì)高性能?chē)娚浠炷量箟?、抗折、彎曲韌性等力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并提出高強(qiáng)纖維噴射混凝土的最優(yōu)配合比方案，以期對(duì)川藏鐵路隧道高強(qiáng)纖維噴射混凝土的使用提供技術(shù)支撐。

1 配合比設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方案

1.1 配合比設(shè)計(jì)

噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)較普通混凝土設(shè)計(jì)更為特殊，既要考慮強(qiáng)度、耐久性等主要指標(biāo)要求，又要考慮噴射混凝土施工工藝對(duì)混凝土密實(shí)性及速凝劑凝結(jié)硬化結(jié)構(gòu)的影響。噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)要確定材料性能目標(biāo)，一般用于噴射混凝土中的是C3S和C3A等含量較高，強(qiáng)度等級(jí)不小于P.O42.5硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥；粗骨料選用公稱(chēng)粒徑≯16.0 mm的連續(xù)級(jí)配碎石、卵石或混合碎卵石；細(xì)骨料一般選用細(xì)度模數(shù)>2.5的山砂或河砂；纖維品種、規(guī)格、質(zhì)量應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，具有良好的分散性，不結(jié)團(tuán)，不得有妨礙纖維與混凝土黏結(jié)的雜質(zhì)；減水劑摻量一般取水泥質(zhì)量的0.5%～1.5%。

強(qiáng)度作為高性能?chē)娚浠炷恋闹匾笜?biāo)之一，主要影響因素有水膠比、噴射成型密實(shí)效果、速凝劑強(qiáng)度折減情況、環(huán)境溫度和養(yǎng)護(hù)條件等。本次研究主要從噴射混凝土自身材料組成出發(fā)，對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及抗彎韌性進(jìn)行研究。

1.2 試驗(yàn)原材料

1.2.1 水泥

結(jié)合川藏鐵路工程實(shí)際和現(xiàn)行GB175—2007《通用硅酸鹽水泥》[16]規(guī)定，本次試驗(yàn)水泥采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5和52.5兩種水泥進(jìn)行試驗(yàn)，水泥主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)水泥主要參數(shù)

1.2.2 硅粉

硅粉物理性能如表2所示，符合現(xiàn)行規(guī)范GB/T 27690—2011《砂漿和混凝土用硅灰》[17]要求。

表2 硅粉主要物理參數(shù)

1.2.3 骨料

本次試驗(yàn)粗骨料采用符合連續(xù)級(jí)配要求的石灰?guī)r質(zhì)5～10 mm粒徑碎石，細(xì)骨料采用石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂，具體性能指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。

表3 粗骨料主要性能指標(biāo)

表4 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

1.2.4 減水劑

本次試驗(yàn)選用兩種不同聚羧酸系高性能減水劑，其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 減水劑主要性能指標(biāo)

1.2.5 速凝劑

本試驗(yàn)采用SBT?-N(Ⅱ)液體無(wú)堿速凝劑及ANS-AF液體無(wú)堿速凝劑，兩種速凝劑性能指標(biāo)見(jiàn)表6。

表6 SBT?-N(Ⅱ)液體無(wú)堿速凝劑性能指標(biāo)

1.2.6 纖維

據(jù)調(diào)研，目前纖維噴射混凝土主要采用添加鋼纖維、聚丙烯纖維、仿鋼纖維等。因此，本研究選用端鉤型鋼纖維、聚丙烯纖維、波紋型鋼纖維、仿鋼纖維開(kāi)展研究，各纖維主要性能指標(biāo)見(jiàn)表7。

表7 不同纖維性能指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)依據(jù)室內(nèi)適配試驗(yàn)，不斷微調(diào)配合比參數(shù)，使得混凝土保持良好的工作狀態(tài)，坍落度為160～200 mm，且已滿(mǎn)足噴射混凝土的流動(dòng)性需求。最終確定了不摻纖維的噴射混凝土基準(zhǔn)配合比，如表8所示，其中水膠比為0.37，砂率為51%。

表8 基準(zhǔn)配合比 kg/m3

在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，摻入不同種類(lèi)、不同摻量的纖維進(jìn)行試件制備以及對(duì)各工況試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。為研究鋼纖維與其他纖維復(fù)摻對(duì)噴射混凝土性能的影響，選取端鉤型鋼纖維復(fù)摻聚丙烯纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維進(jìn)行研究，各試驗(yàn)工況如表9～表11所示。

表9 單摻試驗(yàn)工況

表10 復(fù)摻試驗(yàn)工況

表11 彎曲韌性試驗(yàn)工況

同時(shí)在制備試件時(shí)，通過(guò)調(diào)整減水劑和速凝劑摻量，保持摻入纖維后體積增加量按砂率不變?cè)瓌t，從砂石骨料中扣除，根據(jù)纖維的摻加量，對(duì)減水劑用量進(jìn)行調(diào)整，使其保持相似的工作性。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 混凝土試件制備

為最大限度還原實(shí)際工程，混凝土采用立式平口攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌完成后倒入TK700型濕噴機(jī)料斗，開(kāi)動(dòng)濕噴機(jī)并調(diào)整進(jìn)風(fēng)閥門(mén)使工作風(fēng)壓保持在0.3～0.5 MPa，將混凝土噴射入550 mm×450 mm×120 mm的大板內(nèi)。試件成型過(guò)程如圖1所示。

圖1 大板噴射過(guò)程

混凝土大板成型后，將其置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)齡期。當(dāng)大板達(dá)到試驗(yàn)條件之后分別制成棱柱體試件和圓柱體試件，試件制作過(guò)程如圖2所示。

圖2 切割與鉆孔過(guò)程

1.4.2 力學(xué)性能試驗(yàn)方法

(1)抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件；抗折強(qiáng)度試驗(yàn)采用直徑100 mm、高100 mm的圓柱體試件，試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

圖3 抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

(2)彎曲韌性試驗(yàn)

彎曲韌性試驗(yàn)采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試件。為使試件中部形成純彎段，采用四分點(diǎn)加載，加載控制方式為位移控制，加載速率為L(zhǎng)/3 000 mm/min，其中，L為支座間跨度。試件變形撓度采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 彎曲韌性試驗(yàn)

2 單摻纖維抗壓、抗折強(qiáng)度

2.1 端鉤型鋼纖維

根據(jù)試驗(yàn)工況，端鉤型鋼纖維摻量分別為0，10，20，30 kg/m3，通過(guò)對(duì)單摻端鉤型鋼纖維(DD)各齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)記錄，得到單摻端鉤型鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同配比端鉤型鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

由圖5可知，各摻量配比下端鉤型鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度3 d齡期較1 d齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度提高顯著，齡期3～28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩，且摻入端鉤型鋼纖維組較未摻端鉤型鋼纖維組齡期3～28 d的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度更大。

當(dāng)以摻量為控制變量時(shí)，端鉤型鋼纖維不同摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響如圖6所示。

圖6 端鉤型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖6可知，鋼纖維摻量為10 kg/m3時(shí)較鋼纖維摻量為0 kg/m3時(shí)在各齡期均有較大增長(zhǎng)，分別提升了117.0%、25.3%、44.4%；鋼纖維摻量20 kg/m3與30 kg/m3時(shí)，與10 kg/m3摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度基本相同。由此可知，鉤型鋼纖維摻量從0 kg/m3增加到10 kg/m3時(shí)，各齡期噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，摻量繼續(xù)增加對(duì)各齡期噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大。

不同端鉤型鋼纖維摻量下噴射混凝土的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 端鉤型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響

由圖7可知，隨著端鉤型鋼纖維摻量增加，噴射混凝土抗折強(qiáng)度提升顯著，基本呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)纖維摻量為10，20，30 kg/m3時(shí)，28d抗折強(qiáng)度分別為6.6，7.5，8.8 MPa，較未摻鋼纖維分別提升了10%、25%、46.7%。

2.2 波紋型鋼纖維

根據(jù)試驗(yàn)工況，波紋型鋼纖維摻量分別為0，20，30 kg/m3，通過(guò)對(duì)單摻波紋型鋼纖維(DB)各齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)記錄，得到單摻波紋型鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展規(guī)律，如圖8所示。

圖8 不同配比波紋型鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

由圖8可知，摻加波紋型鋼纖維表現(xiàn)出與摻加端鉤型鋼纖維類(lèi)似的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，且當(dāng)波紋型鋼纖維摻量由20 kg/m3提升到30 kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度提升較小。

以摻量為變量，研究不同波紋型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 波紋型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖9可知，當(dāng)波紋型鋼纖維摻量從0增加到20 kg/m3時(shí)，各齡期波紋型鋼纖維噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，從20 kg/m3增加到30 kg/m3時(shí)，對(duì)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)有限。纖維摻量為20 kg/m3時(shí)，相較于未摻加纖維在各齡期分別提升了135%、40%、52%，纖維摻量為30 kg/m3時(shí)，相較于纖維摻量為20 kg/m3在各齡期分別提升了7%、3%、8%。

對(duì)于不同波紋型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 波紋型鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響

由圖10可知，波紋型鋼纖維的摻入顯著增加了噴射混凝土抗折強(qiáng)度，波紋型鋼纖維摻量為20 kg/m3的噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度相較于纖維摻量為0時(shí)提升了38.3%，隨著波紋型鋼纖維的摻量增加，抗折強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，但提升效果有限，波紋型鋼纖維摻量為30 kg/m3相較于纖維摻量為20 kg/m3的28 d抗折強(qiáng)度僅提升了3.6%。

2.3 高強(qiáng)仿鋼纖維

根據(jù)試驗(yàn)工況表9，高強(qiáng)仿鋼纖維摻量分別為0，3.8，7.6 kg/m3，通過(guò)對(duì)單摻高強(qiáng)仿鋼纖維(DF)各齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)記錄，得到單摻高強(qiáng)仿鋼纖維噴射混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期發(fā)展規(guī)律，如圖11所示。

圖11 不同配比高強(qiáng)仿鋼纖維噴射混凝土強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

由圖11可知，3.8 kg/m3摻量下，1 d與3 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了28 d的46.7%、70.1%；7.6 kg/m3摻量下，1 d與3 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了28 d的52.8%、79.5%。

以摻量為變量，研究不同高強(qiáng)仿鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 高強(qiáng)仿鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖12可知，當(dāng)高強(qiáng)仿鋼纖維摻量從0增加到3.8 kg/m3時(shí)，各齡期噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著，高強(qiáng)仿鋼纖維摻量從3.8 kg/m3增加到7.6 kg/m3，各齡期噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度又有了進(jìn)一步提升，但提升幅度有限。當(dāng)纖維摻量為3.8 kg/m3時(shí)，相較于不摻加纖維，在各齡期分別提升了106.0%、13.8%、45.6%；當(dāng)纖維摻量增加到7.6 kg/m3時(shí)，相較于纖維摻量為3.8 kg/m3時(shí)，在各齡期分別提升了20.4%、20.7%、6.4%。

對(duì)于不同高強(qiáng)仿鋼纖維摻量噴射混凝土28d的抗折強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 高強(qiáng)仿鋼纖維摻量對(duì)噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響

由圖13可知，28 d抗折強(qiáng)度隨高強(qiáng)仿鋼纖維的摻量增加先上升后下降，當(dāng)纖維摻量為3.8 kg/m3時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度為7.2 MPa，相較于未摻加纖維提升了20%，而纖維摻量為7.6 kg/m3時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度為6.7 MPa，相較于纖維摻量3.8 kg/m3的噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度下降了6.9%，但仍高于未摻纖維。

2.4 聚丙烯纖維

由于聚丙烯纖維材料本身的特性，隨著齡期的變化對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響較小，本次試驗(yàn)不給予考慮，僅考慮聚丙烯纖維摻量對(duì)于噴射混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0，0.3，0.6 kg/m3時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 聚丙烯纖維摻量對(duì)噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響

圖15 聚丙烯纖維摻量對(duì)噴射混凝土28 d抗折強(qiáng)度的影響

由圖14可知，聚丙烯纖維的摻入可提高抗壓強(qiáng)度，但增強(qiáng)效果隨摻量增加并不明顯。纖維摻量為0.3，0.6 kg/m3的聚丙烯纖維噴射混凝土28 d抗壓強(qiáng)度相較于纖維摻量為0時(shí)分別增加了52.3%、54.7%。由圖15可知，聚丙烯纖維對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度無(wú)明顯的提升作用。當(dāng)纖維摻量為0，0.3，0.6 kg/m3時(shí)，聚丙烯纖維噴射混凝土的抗折強(qiáng)度為6.0，6.0，6.1 MPa。

2.5 單摻試驗(yàn)綜合分析

根據(jù)上述4種單摻纖維的試驗(yàn)結(jié)果分析可知，不同纖維不同摻量對(duì)于噴射混凝土抗壓強(qiáng)度影響主要集中在齡期前3 d，對(duì)于3～28 d抗壓強(qiáng)度提升相對(duì)較小。分析各纖維摻量對(duì)于噴射混凝土抗折強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果可知，端鉤型鋼纖維、波紋型鋼纖維對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度提升較大；高強(qiáng)仿鋼纖維隨高強(qiáng)仿鋼纖維的摻量增加先上升后下降，在摻量3.8 kg/m3發(fā)生轉(zhuǎn)折；聚丙烯纖維對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度無(wú)明顯提升作用。

為更好地探究各單摻纖維對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能的影響，結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果將端鉤型鋼纖維、波紋型鋼纖維、高強(qiáng)仿鋼纖維在同體積摻量下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。同體積摻量下，端鉤型鋼纖維摻量為30 kg/m3、波紋型鋼纖維摻量為30 kg/m3以及高強(qiáng)仿鋼纖維摻量為7.6 kg/m3時(shí)，他們的體積摻量均為0.38%。3種纖維對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同種類(lèi)鋼纖維對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖16可知，3種纖維均能大幅度提升噴射混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度，且30 kg/m3摻量下，波紋型鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升優(yōu)于端鉤型鋼纖維，而高強(qiáng)仿鋼纖維7.6 kg/m3摻量下，對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升介于兩者之間。

相同試驗(yàn)條件下，3種纖維對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度影響試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。

圖17 不同種類(lèi)鋼纖維對(duì)噴射混凝土抗折強(qiáng)度的影響

根據(jù)圖17可知，端鉤型鋼纖維的摻入對(duì)1 d、3 d抗折強(qiáng)度的提升作用明顯優(yōu)于波紋型鋼纖維，28 d時(shí)兩者抗折強(qiáng)度接近，高強(qiáng)仿鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的提升不明顯。

3 復(fù)摻纖維抗壓、抗折強(qiáng)度

由于各纖維的性能不同，綜合兩種纖維的優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)足單摻纖維性能缺陷才能使高強(qiáng)噴射混凝土具有更好的力學(xué)性能。根據(jù)復(fù)摻試驗(yàn)工況，本次試驗(yàn)采用2組復(fù)摻試驗(yàn)進(jìn)行分析，探究復(fù)摻纖維對(duì)噴射混凝土力學(xué)性能影響。

3.1 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和聚丙烯纖維

為研究端鉤形纖維和聚丙烯纖維復(fù)摻對(duì)噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，根據(jù)單摻試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果選出2種纖維的合理?yè)搅浚敬螐?fù)摻試驗(yàn)端鉤型鋼纖維30 kg/m3，聚丙烯纖維0.3，0.6 kg/m3，兩種不同摻量的組合名稱(chēng)為D30+J0.3和D30+J0.6。為體現(xiàn)復(fù)摻纖維與單摻纖維對(duì)噴射混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度影響的差異，選擇未摻纖維(DD0)、單摻端鉤型鋼纖維30 kg/m3(DD30)、單摻聚丙烯纖維0.6 kg/m3(DJ0.6)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖19所示。

圖18 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖19 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和聚丙烯纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖18可知，復(fù)摻纖維對(duì)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果更為明顯，相較于未摻纖維28 d抗壓強(qiáng)度提高了59.8%。由圖19可知：當(dāng)齡期為28d時(shí)DD0、DD30、DJ0.6、D30+J0.3、D30+J0.6，噴射混凝土抗折強(qiáng)度分別為6.0，8.8，6.1，10.1，9.3 MPa，可知D30+J0.6噴射混凝土抗折強(qiáng)度增強(qiáng)效果最好。

3.2 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維

為探究復(fù)摻端鉤型鋼纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維對(duì)噴射混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的影響，本次復(fù)摻試驗(yàn)選擇端鉤型鋼纖維30 kg/m3和高強(qiáng)仿鋼纖維3.0，6.0 kg/m3分別復(fù)摻(D30+F3、D30+F6)，同時(shí)選擇單摻DD0、DD30進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖21所示。

圖20 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和仿鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖21 復(fù)摻端鉤型鋼纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖20可知，同齡期下復(fù)摻兩種纖維，抗壓強(qiáng)度不及單摻端鉤型鋼纖維，且隨著復(fù)摻配比中高強(qiáng)仿鋼纖維摻量上升，抗壓強(qiáng)度降低。D30+F3、D30+F6配比相較于DD30配比28 d抗壓強(qiáng)度分別下降了2.2%、6.5%，復(fù)摻端鉤型鋼纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維并不利于抗壓強(qiáng)度的提高。

由圖21可知，復(fù)摻纖維中D30+F6配比較未摻加纖維噴射混凝土的抗折強(qiáng)度提升十分有限。D30+F3、D30+F6配比相較于DD30配比28 d抗折強(qiáng)度分別下降了31.8%、21.6%，復(fù)摻端鉤型鋼纖維和高強(qiáng)仿鋼纖維并不利于抗折強(qiáng)度的提高。

4 抗彎韌性

綜合考慮單摻纖維和復(fù)摻纖維對(duì)噴射混凝土性能影響，抗彎韌性試驗(yàn)選擇單摻端鉤型鋼纖維0，10，20，30 kg/m3(DD0、DD10、DD20、DD30)，以及30 kg/m3端鉤型鋼纖維和0.6 kg/m3纖維(D30+J0.6)和30 kg/m3端鉤型鋼纖維和6 kg/m3高強(qiáng)仿鋼纖維(D30+F6)分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻量為0時(shí)，試件發(fā)生了脆性破壞，隨著摻量增加，纖維噴射混凝土彎曲韌性逐漸增大。復(fù)摻配合比中，D30+J0.6配合比的增韌效果相較于單摻端鉤型鋼纖維30 kg/m3有所提升，而D30+F6配合比試驗(yàn)結(jié)果表明，二者復(fù)摻未起到良好的增韌效果。綜合試驗(yàn)結(jié)果，各配合比噴射混凝土彎曲韌性特征參數(shù)如表12所示。

表12 噴射混凝土彎曲韌性特征參數(shù)

5 高強(qiáng)噴射混凝土最優(yōu)配合比

結(jié)合單摻和復(fù)摻抗壓抗折強(qiáng)度、抗彎韌性試驗(yàn)，纖維對(duì)于高強(qiáng)噴射混凝土性能的影響根據(jù)其摻量和材料特性，可能出現(xiàn)正影響，也可能出現(xiàn)負(fù)影響。為取得適用于本工程的高強(qiáng)噴射混凝土最優(yōu)配合比，對(duì)單摻纖維、復(fù)摻纖維不同配合比的噴射混凝土性能進(jìn)行綜合比較。其中，單摻端鉤型鋼纖維30 kg/m3(DD30)與復(fù)摻端鉤型鋼纖維30 kg/m3、聚丙烯纖維0.6 kg/m3(D30+J0.6)配合比各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到高強(qiáng)纖維噴射混凝土的要求，具體性能見(jiàn)表13。

表13 高強(qiáng)纖維噴射混凝土最優(yōu)配比性能

6 結(jié)論與建議

通過(guò)抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彎曲韌性試驗(yàn)，研究了單摻與復(fù)摻纖維對(duì)噴射混凝土性能的影響，得出主要結(jié)論如下。

(1)通過(guò)研究不同纖維噴射混凝土的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律發(fā)現(xiàn)，噴射混凝土1～3 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展迅速，3 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到28 d強(qiáng)度的75%以上，3～28 d抗壓強(qiáng)度發(fā)展速度大幅降低。

(2)不同纖維的摻入均能一定程度上提高噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。相同體積摻量下(0.38%)，波紋型鋼纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升幅度最大，28 d抗壓強(qiáng)度提高了64.0%。而抗折強(qiáng)度方面，端鉤型鋼纖維的提升效果最好，28 d抗折強(qiáng)度提升了46.7%。

(3)研究?jī)煞N纖維復(fù)摻對(duì)噴射混凝土強(qiáng)度的影響發(fā)現(xiàn)，D30+J0.3抗壓強(qiáng)度低于DD30噴射混凝土、抗折強(qiáng)度優(yōu)于DD30的配比，D30+J0.6抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均優(yōu)于DD30噴射混凝土。

(4)研究典型配比噴射混凝土的彎曲韌性發(fā)現(xiàn)，DD30相較于DD0噴射混凝土等效彎曲強(qiáng)度增加了48.2%。

(5)根據(jù)各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)比較，DD30與D30+J0.6為最優(yōu)配合比。

研究基于試驗(yàn)室環(huán)境及相關(guān)計(jì)算參數(shù)研究得出了最優(yōu)配合比，由于川藏鐵路建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，在具體使用時(shí)，應(yīng)結(jié)合川藏鐵路隧道施工實(shí)際，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。