許 鋒，曾 林，柳德虎，羅蘭濱，楊金光

（福建冶地恒元建設(shè)有限公司，福建 福州 350108）

噴射混凝土是一種通過壓縮空氣射流成型的特殊混凝土，凝結(jié)硬化速度極快且施工中使用較簡單，普遍應(yīng)用于隧道初支、邊坡加固等工程實(shí)踐中。但目前工程中通常使用的噴射混凝土都屬于準(zhǔn)脆性材料，在拉應(yīng)力荷載較高時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)開裂等病害問題[1-3]，不利于隧道襯砌的穩(wěn)定運(yùn)行。工程實(shí)踐中噴射混凝土通常應(yīng)用于位置隱蔽的區(qū)域，問題排查及整改難以進(jìn)行，如果該類區(qū)域出現(xiàn)滲水、漏水問題，則難以處置。因此，需進(jìn)一步深入研究噴射混凝土的韌性特征和耗能能力，強(qiáng)化噴射混凝土隧道初支結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性，促進(jìn)其在高應(yīng)力區(qū)域和軟巖大變形區(qū)域發(fā)揮作用[4-6]。

相關(guān)研究調(diào)查結(jié)果顯示，摻入適當(dāng)纖維能夠幫助改良混凝土材料抗裂性能和耗能能力，高地應(yīng)力條件下使用纖維噴射混凝土構(gòu)設(shè)隧道初支結(jié)構(gòu)的方案也已初步在部分工程中得到應(yīng)用[7-9]。當(dāng)前針對(duì)噴射混凝土技術(shù)的研究主要圍繞模筑纖維混凝土開展，纖維噴射混凝土的相關(guān)研究報(bào)道較少。噴射混凝土中摻加有速凝劑等組分，相較于傳統(tǒng)模筑混凝土而言工作性能有所改變，且工程實(shí)踐中使用的纖維噴射混凝土對(duì)纖維具有特殊的尺寸及種類要求[10-12]。為確保工程實(shí)踐中所用纖維噴射混凝土的彎曲性能，該研究設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析不同纖維種類、摻量、直徑及長度等條件下噴射混凝土的工作性能差異，以期推動(dòng)纖維噴射混凝土技術(shù)更好地應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中。

1 試驗(yàn)材料與配合比

試驗(yàn)中所用水泥為42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，混凝土強(qiáng)度為C30，粗集料和細(xì)集料分別為5～10 mm級(jí)配碎石和天然河砂，兩者表觀密度分別為2.70t/m3和275t/m3。

經(jīng)試驗(yàn)及優(yōu)化，試驗(yàn)所用混凝土質(zhì)量配合比為水：石子：砂：水泥=185：886：754：470。所用添加劑包含減水劑和速凝劑，其中，速凝劑為高性能液體無堿速凝劑，摻加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；減水劑為采購自河北某科技公司的聚羧酸高效減水劑，摻加的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%。

試驗(yàn)中所用聚丙烯纖維和鋼纖維包括4類尺寸與形狀組合，具體見表1。

表1 4種型號(hào)纖維種類及性能指標(biāo)Table 1 Types and performance indicators of four types of fibers

2 彎曲韌性試驗(yàn)

2.1 預(yù)切口三點(diǎn)彎曲韌性試驗(yàn)方案

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中相關(guān)描述制備試樣，試樣為長方體纖維混凝土梁，尺寸規(guī)格為100mm×100mm×400mm。制備試樣并養(yǎng)護(hù)完成后，依據(jù)切口梁法進(jìn)行彎曲韌性試驗(yàn)并測(cè)定彎拉強(qiáng)度和彎曲韌性。使用三分點(diǎn)法加載預(yù)切口，切口深度和寬度分別為10mm和2mm。試驗(yàn)設(shè)備為TONI TECHNIK伺服試驗(yàn)機(jī)，加載速度設(shè)定為0.2mm/min，使用LVDT傳感器收集記錄數(shù)據(jù)，包括梁體跨中的豎向撓度及加載位置的荷載水平，每1s測(cè)量一次。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)裝置（單位：mm）Fig. 1 Fiber reinforced concrete bending toughness test device (Unit: mm)

2.2 彎曲韌性指數(shù)計(jì)算

參考文獻(xiàn)[13]，計(jì)算不同試件彎曲韌性指標(biāo)。以預(yù)切口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)所得結(jié)果為依據(jù)畫出纖維混凝土的荷載-撓度曲線，如圖2所示。

圖2 纖維混凝土荷載-撓度曲線Fig. 2 Load-deflection curve of fiber reinforced concrete

結(jié)合圖2信息可知，從O點(diǎn)開始，荷載-撓度曲線隨荷載水平提升可以大致分為如下階段：

（1）彈性階段

這一階段中，荷載增大，撓度隨之出現(xiàn)線性增長，開裂荷載為直線段終點(diǎn)A點(diǎn)處縱軸坐標(biāo)，開裂撓度δ則為B點(diǎn)橫軸坐標(biāo)。

（2）應(yīng)變硬化階段

該階段中，隨位移發(fā)展，試件荷載逐漸增加，直到荷載達(dá)極限值為止。

（3）應(yīng)變軟化階段

試件荷載降低而撓度繼續(xù)增加，直至試件完全喪失承載能力。

圖2曲線中，D點(diǎn)撓度為3.0δ，對(duì)應(yīng)曲線中C點(diǎn)；F點(diǎn)撓度3.5δ，對(duì)應(yīng)曲線中E點(diǎn)。假設(shè)纖維試件彎曲韌性指數(shù)為I5和I10，則兩者對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積可表述為如下公式：

收集各組纖維噴射混凝土梁試件試驗(yàn)結(jié)果并繪制荷載-撓度曲線，即可計(jì)算各組材料彎曲韌性指數(shù)。而后用4種不同纖維分別以1.0%和0.7%體積摻量摻入噴射混凝土中并獲取8種纖維混凝土，按照摻量及纖維型號(hào)分別制備混凝土梁試件，每個(gè)試驗(yàn)組均制作試件2個(gè)，最終結(jié)果取二者平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 預(yù)切口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同試驗(yàn)組分別進(jìn)行彎曲韌性試驗(yàn)，以所得結(jié)果為依據(jù)分別畫出荷載-撓度曲線，具體如圖3所示。

圖3 纖維噴射混凝土彎曲試驗(yàn)荷載-撓度曲線Fig. 3 Load deflection curve of fiber sprayed concrete bending test

結(jié)合圖3信息可知，纖維尺寸固定條件下，噴射混凝土極限荷載和開裂荷載隨纖維摻量提升而增加。

結(jié)合圖3（a）和圖3（b）可得，鋼纖維摻量固定條件下，噴射混凝土中纖維長度和極限荷載、開裂荷載均保持正相關(guān)關(guān)系。

結(jié)合圖3（a）和圖3（c）可得，鋼纖維長度相同條件下，摻入彎鉤鋼纖維相較于普通直纖維，極限荷載和開裂荷載水平更加優(yōu)良。

結(jié)合圖3（a）和圖3（d）可得，纖維幾何尺寸、纖維摻量等因素固定條件下，聚丙烯纖維相較于鋼纖維能夠更顯著地改良噴射混凝土臨界荷載，換言之，聚丙烯纖維更有利于優(yōu)化纖維噴射混凝土的抗裂性能。

3.2 纖維噴射混凝土彎曲韌性求解

結(jié)合公式（1）、（2）計(jì)算各組材料彎曲韌性指數(shù)，所得結(jié)果見表2。

表2 纖維噴射混凝土彎曲韌性計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of bending toughness of fiber sprayed concrete

由表2可知，纖維摻量在一定范圍內(nèi)，混凝土開裂撓度、極限荷載和彎曲韌性均隨纖維體積摻量提升而提升。但當(dāng)纖維用量超出一定水平后，噴射混凝土工作性能反而會(huì)出現(xiàn)下降。

結(jié)合GW30-55及GW40-55的數(shù)據(jù)可得，摻入固定摻量鋼纖維條件下，纖維長度和開裂撓度、臨界荷載及彎曲韌性指數(shù)之間保持正相關(guān)關(guān)系，而纖維長度超出一定長度后會(huì)對(duì)施工效率產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致混凝土流動(dòng)性較弱。因此，工程實(shí)踐中一方面應(yīng)當(dāng)考慮纖維增韌效果，另一方面則需考慮施工便捷性。

結(jié)合GW30-55及GW30-20的數(shù)據(jù)可得，維持鋼纖維長度水平不變，相較于普通直纖維，彎鉤形狀鋼纖維能夠更大幅度改良材料彎曲韌性。

結(jié)合GW30-55及PP30-55的數(shù)據(jù)可得，維持纖維幾何尺寸固定，則使用聚丙烯纖維改良材料韌性的效果更佳，且聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土彎曲韌性在摻量為1.0%時(shí)達(dá)最大值（I5=13.10）。

結(jié)合上述內(nèi)容可得，在試驗(yàn)設(shè)定條件內(nèi)，隨纖維長度增加，纖維噴射混凝土彎曲韌性不斷增強(qiáng)，但工程實(shí)踐中需要兼顧施工便捷性及增韌效果確定合適的纖維長度。表面壓痕聚丙烯纖維或端部彎鉤狀鋼纖維均能有效強(qiáng)化混合料韌性水平，因此不建議工程實(shí)踐中采用普通直狀纖維。選擇纖維種類時(shí)，鋼纖維或聚丙烯纖維均能有效改良纖維噴射混凝土的增韌效果，但實(shí)驗(yàn)過程中聚丙烯纖維的增韌效果優(yōu)于鋼纖維，其原因可能在于試驗(yàn)所用聚丙烯纖維采取了表面壓痕處理，且自身有良好的抗拉強(qiáng)度。預(yù)切口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，PP30-55試件最終發(fā)生破壞的形式皆為纖維拔出，分析認(rèn)為，經(jīng)表面壓痕處理的纖維材料能夠大幅強(qiáng)化纖維和基體之間粘結(jié)效果，提高拔出耗能水平，進(jìn)而達(dá)到強(qiáng)化材料彎曲韌性的效果。

4 結(jié)論

（1）纖維摻量及幾何形狀相同條件下，隨纖維長度增加，噴射混凝土彎曲韌性水平快速增長。工程實(shí)踐中選定纖維長度水平時(shí)應(yīng)兼顧工作便捷性及增韌性能。所設(shè)計(jì)試驗(yàn)中，采用GW40-55彎鉤鋼纖維的纖維噴射混凝土?xí)r能夠表現(xiàn)出良好的彎曲韌性水平，工作性能也處于較高水平。

（2）經(jīng)表面壓痕處理的聚丙烯纖維或設(shè)置彎鉤的鋼纖維能夠有效強(qiáng)化纖維和基材之間粘結(jié)性能，一定程度提升纖維拔出時(shí)的耗能水平并提高纖維噴射混凝土的彎曲韌性水平。

（3）摻入纖維尺寸、摻量等條件固定時(shí)，聚丙烯纖維具有高于鋼纖維的增韌作用，臨界載荷更大，即彎曲韌性和抗裂性能更強(qiáng)，聚丙烯纖維的最佳摻量為1.0%，此時(shí)彎曲?性指數(shù)5=13.10。