復合材料網中聚丙烯含量對混凝土襯砌力學性能影響的研究

王 雷，莫奕新

安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001

礦用編織網多用由多根橫向金屬條和縱向金屬條交錯編織焊接連接成的金屬網格，其優點在于受力均勻、整體穩定性號，強度較高，且連接時不會被撕裂，可有效降低二次支護的概率，從而提高作業效率［1-3］。但其質量較重，網孔較大，遮擋面積較小，且容易受酸堿腐蝕，不便鋪設，容易存在施工安全隱患，而聚丙烯的特性可以很好地彌補這些不足，但在強度等方面又存在缺陷［4-7］。目前以鋼絲和聚丙烯為材料的礦用復合材料網因其支護效果理想，價格經濟，得到越來越多的關注運用，但是聚丙烯含量不同的復合材料網對混凝土力學性能的影響也明顯存在差異［8-10］。

本文根據實際工程的需要，對淮南某公司生產的兩種聚丙烯復合材料網進行了力學實驗，選擇力學性能更優越的復合材料網作為混凝土襯砌材料。

1 模型試驗

綜合試驗條件，模型以襯砌結構拱頂部分為原型，幾何相似比為C=2。模型所用的材料與原型相同。

1.1 模型制作

試驗所用混凝土強度C20，配合比為：水泥：砂子：石子：水=1:2:2:0.45，鋼筋網由直徑為Ф6mm的Q235A鋼筋構成，復合材料網由鋼絲和聚丙烯經特殊工藝連接構成，其中復合材料網A含10%聚丙烯，復合材料網B含20%聚丙烯，網架結構如圖1所示。按照長0.1m，厚0.1m，高0.3m，分別制成鋼筋網襯砌模型、復合材料網A襯砌模型、復合材料網B襯砌模型。

圖1 復合材料網架結構圖

1.2 試驗方法

在混凝土襯砌模型周邊設置3臺最大壓力為1000kN的千斤頂，模擬均布圍壓；在支座處設置涂有黃油的厚鋼板，做好固定，保證模型受力時徑向的約束；為了模擬荷載均勻分布，在千斤頂與模型間設置鋼板，用砂漿填實之間的縫隙。

根據內部網架結構尺寸，在網架的左右上端部、中間端部對應設置環向應變測點和徑向應變測點，并對應變測點進行編號，其中奇數編號為環向應變測點，偶數編號為徑向應變測點，應變測點具體布置如圖2所示。

圖2 測點布置圖

試驗荷載從1MPa開始進行加載，以0.5MPa每步遞增，直到模型破壞。測量設備采用YE2539高速靜態電阻應變儀和計算機。測量電路采用半橋連法。

2 試驗結果與數據分析

如圖3所示，分別對復合材料網A襯砌、復合材料網B襯砌和鋼筋網襯砌三組模型進行試驗，試驗模擬荷載只考慮垂直于襯砌結構接觸面的徑向壓力，從而得到內部網架整體相應的應變變化曲線圖，三組變化曲線圖如圖4～6所示。其中鋼筋網襯砌模型試驗作為參照試驗，為兩種復合材料網襯砌的比較提供依據，得到更準確的分析結果。

圖3 試驗示意圖

圖4 鋼筋網架應變荷載曲線圖

圖5 復合材料網A應變荷載曲線圖

圖6 復合材料網B應變荷載曲線圖

對試驗數據進行比較分析可得到以下結果：

（1）由圖4～6可知，當鋼筋網架襯砌達到屈服時，兩種復合材料網架襯砌整體上仍處于受拉狀態，抗拉性能比鋼筋網架襯砌更好。但鋼筋網架襯砌和復合材料網B襯砌最大承載力為34kN，復合材料網A襯砌可承受大約35kN的荷載，可見復合材料網A襯砌較復合材料網B襯砌具有更好的承載性。

（2）由圖5～6可知，兩種復合材料網襯砌從施加荷載直至模型破壞過程中，位于拱頂處的環向1號測點應變值隨荷載變化最為明顯，復合材料網A比復合材料網B的應變曲線整體上更平緩，其中前者的單位荷載下應變最大變化量達到3.4×10-4m，后者的單位荷載下應變最大變化量達到4.6×10-4m，可見復合材料網A相對于復合材料網B變形發展較為緩慢，更不容易因為荷載瞬間的增大而發生破壞。同時，復合材料網A中曲線的不夠光滑是由于加載的局限性，使變形不均勻導致的。

（3）由圖5～6可知，兩種復合材料網徑向的應變變化較為穩定，其中復合材料網A徑向最大應變差達到1.7×10-3m，復合材料網B徑向最大應變差達到0.11×10-3m，后者明顯小于前者，可見直至破壞前復合材料網B網架中徑向構件較好的力學性能沒有得到充分發揮。

3 結論

（1）含10%聚丙烯的復合材料網A相對含20%聚丙烯的復合材料網B內部有足夠數量和強度的鋼絲，之間相對交錯牢固鉸接形成整體，使每根網帶的抗拉強度得到提高，從而在保證一定柔韌性的同時有效地增強了混凝土襯砌的承載力。

（2）含10%聚丙烯的復合材料網A相較含20%聚丙烯的復合材料網B的變形更為緩和，抗拉性能更優越，可對混凝土襯砌起到更好的基礎支護作用，且質量更輕，價格更經濟，是更理想的巷道支護材料。

（3）通過試驗發現復合材料網中聚丙烯能夠優化混凝土襯砌力學性能，但最佳含量還需進一步試驗研究。