薛曉飛

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 東莞分公司，廣東 東莞 523321)

1 概 述

隨著水工建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和進步，大埋深地下洞室工程數(shù)量日漸增多。顯然，隧洞埋深的增加疊加地?zé)嵋蛩氐挠绊懀叩蜔釂栴}在長、大、深水工隧洞中普遍存在[1]。輸水隧洞中的高巖溫環(huán)境不僅會造成施工環(huán)境的惡劣，同時也會給噴射混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷性影響，不利于隧洞的整體安全和穩(wěn)定[2]。因此，開展高巖溫水工隧洞襯砌混凝土性能研究具有十分重要的意義。

在噴射混凝土中摻入一定量的纖維，可以有效減少內(nèi)部缺陷，提高噴射混凝土的整體性能，特別是分散纖維和噴射混凝土中的漿體橋接，可以有效約束混凝土受拉邊緣以及裂縫尖端的力，從而有效提升噴射混凝土的強度和韌性[3]?？梢哉f，纖維的加入有效克服了素噴射混凝土的缺陷和不足，在促進噴射混凝土發(fā)展方面起到重要作用[4]。就目前的實際情況來看，關(guān)于纖維對噴射混凝土性能的影響規(guī)律和增強機理的研究并不完善，特別是還沒有關(guān)于纖維對高巖溫條件下噴射混凝土性能的影響研究，這也限制了纖維噴射混凝土在高巖溫地下洞室工程中的應(yīng)用[5]。基于此，本文選擇噴射混凝土中常用的聚丙烯纖維，通過室內(nèi)試驗的方式，探討其對高巖溫噴射混凝土力學(xué)性能的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

根據(jù)噴射混凝土的使用規(guī)范和要求，宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且速凝劑需要與水泥材料相容，強度等級不小于42.5 MPa[4]。因此，本次研究選擇的是P.O42.5普通硅酸鹽水泥，并對水泥樣品的主要性能指標(biāo)進行測定，結(jié)果見表1。由表1可知，水泥材料的各項指標(biāo)均滿足試驗要求，可以用于本次試驗研究。

表1 水泥樣品主要性能指標(biāo)測定結(jié)果

混凝土中摻入一定量的粉煤灰，可以顯著提升水泥漿液的均質(zhì)性、致密性和強度。本次試驗使用的粉煤灰為電廠Ⅱ級粉煤灰，其細(xì)度為20.6%，需水量比為100%，燒失量為1.58%，含水量為0.5%，各項檢測結(jié)果符合 C30 混凝土技術(shù)指標(biāo)。

噴射混凝土對細(xì)骨料的要求較高，需要使用細(xì)度模數(shù)不小于2.5的粗砂或中砂[5]。根據(jù)相關(guān)要求，本次研究選擇的是天然河沙，其細(xì)度模數(shù)為2.59，含泥量小于2.1%，堆積密度為1 870 kg/m3，用于噴射混凝土的拌制較為理想。

噴射混凝土的粗骨料適合使用質(zhì)地堅硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒徑不宜大于12 mm。本次研究選擇的人工石灰?guī)r碎石，質(zhì)地堅硬，壓碎率小于2.3%，粒徑范圍為5.2～10 mm。

在噴射混凝土施工過程中，為了保證混凝土中的膠凝物質(zhì)可以迅速凝固，使噴射混凝土和圍巖盡快成為一體，往往需要加入速凝劑[6]。本次研究選擇的是KTA-08型速凝劑，其初凝時間為2.5 min，終凝時間為5.5 min，摻量為水泥用量的4%。

在噴射混凝土中加入纖維材料可以顯著提升其性能，這也是本次研究的主要目的。試驗中選用的是聚丙烯纖維，長度19 mm，直徑18～48 μm，其主要技術(shù)指標(biāo)均符合《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 372-2016)規(guī)范要求。

試驗中使用的減水劑為KTA-01聚羥酸效減水劑；試驗用水為普通自來水。

2.2 試驗方案

本次試驗的主要目的是探索高巖溫條件下聚丙烯纖維對噴射混凝土力學(xué)性能的影響。試驗中，選擇水工隧洞施工常用的C40噴射混凝土進行配合比設(shè)計，其塌落度為160～200 mm。結(jié)合相關(guān)研究成果和聚丙烯纖維在水工噴射混凝土領(lǐng)域的工程經(jīng)驗，設(shè)定0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 kg/m3共6種不同的聚丙烯纖維摻量率進行試驗。各試驗方案的配合比見表2。

表2 各試驗方案每立方米材料用量 /kg

2.3 試驗方法

結(jié)合國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗，在噴射混凝土制作時采用二次攪拌工藝[1]。為了模擬噴射混凝土施工過程中的高巖溫情況，試驗中選擇長2.4 m、寬1.2 m、厚約12 cm的砂巖板，利用在其下部設(shè)置電阻絲加熱的方式提高巖板的溫度，同時通過調(diào)整電阻絲的功率以及與巖板的距離進行溫度控制，使巖板的上表面溫度分別保持在40℃、60℃和80℃，以模擬不同溫度水平的高溫圍巖巖體。試件的制作采用TK700濕噴機進行濕噴作業(yè)。在噴射混凝土的養(yǎng)護過程中，為了避免濕度因素對試驗結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，養(yǎng)護濕度保持為95%以上。對養(yǎng)護至28 d齡期的噴射混凝土利用紅外線全自動橋式切割機進行切割，制作成適合力學(xué)性能測試需要的試件進行試驗。

對養(yǎng)護至規(guī)定齡期的噴射混凝土試件，利用FTC-2000力學(xué)萬能試驗機進行抗壓強度、抗折強度和劈裂抗拉強度試驗。對高巖溫輸水隧洞噴射混凝土而言，抗裂性能十分重要。結(jié)合相關(guān)研究成果和本文的研究目的，采用的混凝土抗裂性能評價指標(biāo)為：

(1)

式中：k為抗裂性能指數(shù)；εp為混凝土極限拉伸值；ft為混凝土抗拉模量，MPa；σz為混凝土預(yù)壓應(yīng)力，MPa；E為混凝土彈性模量，MPa；εd為混凝土干縮值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗壓強度

對不同聚丙烯纖維摻量方案下28 d齡期的抗壓強度進行試驗，結(jié)果見表3。

表3 抗壓強度試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，巖溫是噴射混凝土強度的重要影響因素，噴射混凝土的強度會隨著巖溫的升高而迅速降低。由此可見，在高巖溫輸水隧洞開挖施工過程中，采取必要的工程措施降低巖溫對噴射混凝土的影響具有重要意義。另外，在巖溫相同的條件下，摻加聚丙烯纖維方案的抗壓強度值均大于未摻加聚丙烯纖維方案的抗壓強度值。因此，在噴射混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維，可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗壓強度。

以表3中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，抗壓強度隨聚丙烯纖維摻量的變化曲線見圖1。從圖1可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強度呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點；且聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時，噴射混凝土的抗壓強度值達到最大。究其原因，主要是在摻加聚丙烯纖維的條件下，噴射混凝土的整體性會得到有效增強，因此抗壓強度值會顯著提高。但是，過量摻入聚丙烯纖維會給混凝土的拌制帶來一定的難度，很難避免聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部的聚團現(xiàn)象，因此抗壓強度值會有所下降。

圖1 抗壓強度變化曲線

3.2 抗折強度

在不同聚丙烯纖維摻量方案下，對噴射混凝土試件在不同養(yǎng)護溫度條件下的28 d齡期抗折強度進行試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 抗折強度試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，與抗壓強度類似，巖溫也是噴射混凝土抗折強度的重要影響因素，抗折強度值隨著圍巖巖溫的升高而迅速下降。另一方面，摻加聚丙烯纖維噴射混凝土的抗折強度值明顯偏大，說明在高巖溫噴射混凝土中摻加聚丙烯纖維有助于提升其抗折強度。從具體的試驗數(shù)據(jù)來看，摻加0.6 kg/m3時，噴射混凝土的抗折強度值最大。與抗壓強度不同的是，圍巖巖溫越高，摻加聚丙烯纖維對提升噴射混凝土抗折強度的作用越強。例如，當(dāng)圍巖巖溫為80 ℃時，摻加0.6 kg/m3聚丙烯纖維的噴射混凝土抗折強度為6.76 MPa，與未摻加聚丙烯纖維方案的抗折強度4.53 MPa相比，提高了約49.23%；而圍巖溫度為40℃時，僅增加約8.28%。由此可見，摻加聚丙烯纖維對提高高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗折強度效果更佳，具有顯著的工程應(yīng)用價值。為了直觀呈現(xiàn)抗折強度的變化規(guī)律，繪制噴射混凝土抗折強度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線，見圖2。

圖2 抗折強度隨粉煤灰取代率變化曲線

3.3 劈裂抗拉強度

劈裂抗拉強度試驗結(jié)果見表5。

表5 劈裂抗拉強度試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，劈裂抗拉強度的變化規(guī)律與抗折強度類似。首先，劈裂抗拉強度值隨著圍巖巖溫的升高而迅速下降。其次，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，噴射混凝土的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)出先迅速增加后不斷下降的變化趨勢，當(dāng)摻加0.6 kg/m3時，噴射混凝土的劈裂抗拉強度值最大。最后，圍巖巖溫越高，摻加聚丙烯纖維對提升噴射混凝土劈裂抗拉強度的作用越強。噴射混凝土劈裂抗拉強度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線見圖3。

圖3 劈裂抗拉強度變化曲線

3.4 抗裂性能

根據(jù)試驗中獲得的數(shù)據(jù)，對不同聚丙烯纖維摻量條件下噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)進行計算，結(jié)果見表6。

表6 抗裂性能試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可以看出，聚丙烯纖維的摻入可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗裂性能。具體來看，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)呈現(xiàn)出先迅速增加后小幅下降的變化特點。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時，噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)最大，可以獲得最佳的抗裂效果。其變化曲線見圖4。

圖4 抗裂性能指數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

本次研究通過室內(nèi)試驗的方式，探討了聚丙烯纖維對高巖溫噴射混凝土性能的影響，結(jié)論如下：

1) 巖溫是噴射混凝土性能的重要影響因素。巖溫越高，噴射混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度以及抗裂性能指數(shù)越小。

2) 聚丙烯纖維的摻入，可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度以及抗裂性能指數(shù)，且?guī)r溫越高，對抗折強度、劈裂抗拉強度的提升效果越好。

3) 隨著聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度以及抗裂性能指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點。

4) 當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為0.6 kg/m3時，噴射混凝土的抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度以及抗裂性能指數(shù)最大，為最佳摻加量。