動荷載條件下鋼纖維混凝土破壞性能試驗研究

【摘 要】通過實驗室制作標準試件，對不同齡期的鋼纖維混凝土經受不同持續時間振動荷載后的損傷進行了試驗研究，與相同條件下素混凝土的試驗結果進行了對比分析，結果表明鋼纖維混凝土在動荷載作用下損傷程度明顯小于素混凝土，殘余抗壓強度也明顯高于素混凝土。對于地下工程結構，尤其是深部軟巖工程的支護應用鋼纖維混凝土則更具有顯著的優越性。

【關鍵詞】動荷載；鋼纖維；混凝土；破壞性試驗

Experimental study on damage in

Steel fibre reinforced concrete from dynamic loads

Han Rong-gang 1，Tang Li- li 2 

(1.Shanxi group of high-speed Xi'an Shaanxi 710048. China;

2.Wuxi Municipal Facilities Management Wuxi Jiangsu 214002)

【Abstract】In the laboratory manufacture standard test sample， after maintained the time to the steel fiber reinforced concrete differently to undergo the different duration vibration loads the extent of damage to carry on the trial test exploration， passed through and under the same condition the plain concrete test result contrast， discovered the steel fiber reinforced concrete under the dynamic loads function the extent of damage to be smaller than obviously the plain concrete， after maintained the bearing remaining intensity also obviously to be higher than the plain concrete. Is specially the soft crag project supports and protects in the application in the underground engineering structure to use the steel fiber reinforced concrete to have the superiority.

【Key words】Dynamic load;Steel fibre;Concrete;Damage test

1. 概述

鋼纖維混凝土比素混凝土能顯著提高混凝土的韌性、抗沖擊強度、抗彎強度及抗疲勞性，使屬于脆性材料的混凝土轉變為具有良好韌性的材料，所以鋼纖維混凝土已普遍受到工程界的青睞，在隧道支護中得到越來越廣泛的應用。我國自上世紀70年代開始研究鋼纖維混凝土，并取得了很大的進展，高丹盈等1991年用相同剛度的彈簧做輔助架在5000N壓力試驗機上做了鋼纖維混凝土軸壓應力——應變全曲線的研究^［1］；宋玉普等1994年對三軸應力狀態下鋼纖維混凝土的變形特性進行了研究^［2］；嚴少華2001年用霍布金森壓桿（HSFC）進行了高強鋼纖維混凝土受沖擊壓縮特性試驗研究^［3］。國內外對鋼纖維混凝土研究大都集中在配合比、鋼纖維阻裂機理、鋼纖維形狀對混凝土性能的影響、鋼纖維界面力學等性能做了大量的研究^［4~6］。目前，我國山嶺隧道施工普遍采用鉆爆法，施工過程中的爆破振動不可避免地將對混凝土產生影響，引起混凝土損傷，導致混凝土后期承載能力不同程度地降低^［7］。然而目前這一問題尚未得到足夠重視，研究成果也鮮有報道。為此，本文通過室內實驗，擬對不同齡期的鋼纖維混凝土對不同振動持續時間下的損傷規律進行試驗研究，這對地下工程的施工與支護具有重要的現實意義和應用價值^［8］。

2. 試驗過程

由于條件有限不能現場研究爆破振動對混凝土產生的影響，本試驗采用實驗室振動臺來模擬試件受爆破振動。

2.1 試驗原理。

鋼纖維混凝土試件和素混凝土試件齡期(T)不同和振動持續時間( t)不同的條件下，試件的抗壓強度( fc)和劈裂抗拉強度(ft )不一樣。試件因齡期不同和振動持續時間的不同使試件損傷程度也不盡相同，因此劈裂抗拉值受試件損傷程度的影響，二者的關系可表示為： 2.2 試驗過程。

試驗中的試件所采用的鋼纖維為常州武進利源鋼纖維廠的型號為LYSF-32剪切型鋼纖維，長度32mm，等效直徑0.5mm；水泥為耀縣水泥廠生產的秦嶺牌P.O 32.5R水泥；骨料粒徑為15mm；砂子選用本地的優質中粗河砂，細度模數2.5~3.0；水為普通自來水。劈拉和抗壓試驗儀器采用無錫建筑材料儀器機械廠NYL-200型，200t壓力試驗機。在試件的制作過程中為了避免鋼纖維結團，在投料時先將水泥、砂、石進行充分攪拌，最后慢慢撒入鋼纖維，邊撒邊攪拌，當全部撒入后在攪拌1min。

按照《普通混凝土配合比的設計規程》、《鋼纖維混凝土試驗方法》（CECS 13-1989）、《鋼纖維混凝土結構設計與施工規程》（CECS 38-1992），本文采用水灰比為0.5，具體配合比為水泥：水：砂：石=1：0.5：2：2，即1m 3鋼纖維混凝土所需原材料為：水泥438 Kg，水219 Kg，砂子876 Kg，石子876 Kg，鋼纖維78Kg/m 3(1%)，試件尺寸100mm×100mm×100mm，澆筑齡期( T)選取12h，24h，48h；擾動持續時間(t )為0s，5s，15s，25s受振動后繼續養護至第28天，最后測定其辟拉強度，抗壓強度。測出的劈拉強度主要用以研究不同齡期的試件受振后的損傷程度，抗壓強度用以研究試件加鋼纖維后的后期殘余強度。

3. 結果分析

3.1 試件破壞形態的分析。

圖1為相同養護齡期(T )和振動持續時間( t)一組試件受振后的破壞形態圖。從圖中可以得到在新拌混凝土中摻入鋼纖維可以減少試件的破壞。素混凝土試件在受振后四周混凝土大量的脫落，呈現出有“酥散”的狀態，而摻入鋼纖維的混凝土試件在受振后破壞程度明顯減少，試驗顯示僅試件四角有些混凝土脫落。鋼纖維的摻入能夠很好地提高新拌混凝土的抗振性能，更好地粘結混凝土基體，所以可以推斷出噴射混凝土在早期受爆破振動或其它因素的影響下，使用鋼纖維混凝土作隧道支護明顯優于素混凝土。

3.2 澆筑養護齡期 對損傷程度的影響。

從試驗數據分析得到圖2所示結果，可以看出在 T 不同時鋼纖維混凝土和素混凝土損傷程度不一樣，當T＝12h時（t 相同），鋼纖維混凝土的損傷程度明顯大于T ＝24h和T ＝48h的損傷程度，素凝土也呈現類似的規律。當 T＝12h時，鋼纖維混凝土最大損傷值略高于0.25，隨著T 的增長最大損傷程度逐漸降低，T ＝48h損傷值只有0.19 ，雖然素混凝土的損傷程度規律與鋼纖維混凝土規律相似，但是數據值明顯高于鋼纖維混凝土。T ＝12h素混凝土最大損傷值可達0.35，T＝48h時損傷值也接近0 .25。從數據比較中可以得出鋼纖維的摻入可以減少新拌混凝土在受振動情況下早期的損傷程度，作為隧道支護材料可大大提高了早期的承載能力。

3.3 擾動時間 t對損傷程度影響。

從試驗數據分析得出鋼纖維混凝土和素混凝土的損傷曲線（見圖2），隨著 t增加（T 相同）鋼纖維混凝土和素混凝土的損傷程度也都明顯增加，但是鋼纖維混凝土的增加幅度明顯要小于素混凝土。當 T＝12h時， t＝25s素混凝土的最大損傷值達到0.35，而鋼纖維混凝土的最大損傷值只有0.25，說明t越長，則素混凝土的損傷值越顯得比鋼纖維混凝土的值大。因此在隧道施工作業中爆破振動對鋼纖維混凝土損傷明顯小于素混凝土，鋼纖維混凝土用作隧道支護比素混凝土能更好地維持隧道穩定性，提高施工安全度。

3.4 抗壓強度。

試件進行受壓試驗主要是為了比較鋼纖維混凝土和素混凝土的破壞形態、評判抗壓強度和殘余強度的變化。抗壓試件是在自然條件下養護24小時后脫模，在標況下養護28天，尺寸仍為100mm×100mm×100mm。

通過對試件進行分析發現：鋼纖維混凝土試件在受壓過程中破壞形式與素混凝土的破壞形式明顯不同。素混凝土在受壓破壞時側面混凝土脫落，呈現出顯著的倒三角破壞形式；而鋼纖維混凝土在破壞時，由于受到鋼纖維的約束側面膨脹并出現多條裂紋，混凝土幾乎沒有脫落，呈現出藕斷絲連的狀態，推遲了破壞進程。如圖3所示。

圖3中(a) 素混凝土試件抗壓破壞型態圖， (b) 鋼纖維混凝土試件抗壓破壞型態圖。

鋼纖維混凝土比素混凝土抗壓強度有所提高，但是提高幅度不大，鋼纖維對基體混凝土的增強作用并不顯著。在混凝土中摻加鋼纖維，主要是為了提高原為脆性材料的混凝土韌性。韌性指鋼纖維混凝土在承載過程中吸收變形的能力，這是鋼纖維混凝土的一個重要特性。用應力——應變曲線圖與橫坐標所包絡的面積來表示。在混凝土中加入鋼纖維后，鋼纖維混凝土的變形能力與殘余強度有了顯著的提高，如圖4所示。

4. 結論與展望

（1）試驗分析得出：鋼纖維混凝土抗壓強度略高于素混凝土試件，殘余強度明顯高于素混凝土。所以在隧道支護中應用噴射鋼纖維混凝土可以更好的適應隧道圍巖的變形，尤其是在軟巖地層隧道中效果更為明顯。

（2）試驗結果表明，鋼纖維混凝土在受振動條件下，損傷值明顯低于素混凝土。所以可以得出在隧道施工中采用鉆爆法時，以鋼纖維混凝土作為隧道襯砌支護材料時，其受爆破振動影響所產生的破壞程度明顯弱于使用素混凝土支護材料。

（3）在隧道和地下工程中，隨著新奧法的推廣和應用，隧道支護中受動荷載擾動時，可以采用噴射鋼纖維混凝土替代噴射素混凝土，這樣能更好提高隧道圍巖的穩定性，并且顯著提高施工安全度，帶來經濟效益。

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參考文獻

［1］ 高丹盈，劉建秀著. 鋼纖維混凝土基本理論. 北京：科學技術文獻出版社.1994.

［2］ 宋玉普. 三向應力狀態下鋼纖維混凝土的變形特性. 水利學報.1995，1(1) :1～8.

［3］ 嚴少華. 高強鋼纖維混凝土沖擊壓縮特性試驗研究.爆炸與沖擊.2002，22(3):238～243.

［4］ M.C. Natarajaa， N. Dhangb， A.P. Guptab. Toughness characterization of steel fiber-reinforced concrete by

JSCE approach. Cement and Concrete Research. 2000，30(2):593～597.

［5］ 楊勇，任青文. 鋼纖維混凝土力學性能試驗研究.河海大學學報（自然科學版）.2006，34(1):92～94.

［6］ T.D. Gunneswara Rao，D. Rama Seshu. Torsion of steel fiber reinforced concrete members. Cement and Concrete Research.2003，33(5):1783～1788.

［7］ Anders Ansell. In situ testing of young shotcrete subjected to vibrations from blasting. Tunnelling and Underground Space Technology.2004，19:587～596.

［8］ 李文秀，梁旭黎，趙勝濤等. 軟巖地層隧道噴射混凝土襯砌研究.巖石力學與工程學報.2005，24(增2) :5505～5508.

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［文章編號］1619-2737（2011）11-08-325

［作者簡介］ 韓榮剛（1977.12-），男，籍貫：陜西安康人，學歷：碩士研究生，職稱：工程師， 2007年7月畢業于西安科技大學建筑與土木工程學院橋梁與隧道專業，主要從事公路工程、地下工程方面的施工管理工作。

湯麗立(1982-)，男，籍貫：江蘇宜興人，學歷：工學碩士，職稱：橋梁與隧道工程專業工程師，主要從事城市道橋養護管理工作。