混凝土帆布護坡設(shè)計與性能測試

劉慧艷

(遼寧省凌源市水務(wù)局設(shè)計院，遼寧 凌源 122500)

近幾十年來，提高水泥的力學性能以適應(yīng)更復(fù)雜的施工環(huán)境是一個重要的研究課題。為了減少對環(huán)境的影響，建筑中不斷使用新材料，其中，混凝土帆布是一種理想的護坡建筑材料[1-3]。

通常，像混凝土帆布這樣的布料是由制造商卷起并密封在一個包裝中的。它可以被運送到部署地點以便于使用。混凝土帆布允許在不需要攪拌/澆鑄/精整設(shè)備或框架的情況下進行施工，工程師只需噴水就可以將混凝土帆布定位在目標表面。混凝土帆布硬化后，形成剛性保護層。與傳統(tǒng)的護坡層材料(如噴射混凝土層)相比，混凝土帆布可以進行更快、更容易和更具成本效益的產(chǎn)品安裝，并且具有減少環(huán)境影響、縮短施工周期和降低勞動力成本的優(yōu)異效益[4-6]。在耐久性方面，混凝土帆布的耐磨性是標準OPC混凝土的兩倍，具有優(yōu)異的耐化學性、良好的耐候性，并且不會在紫外線下降解。混凝土帆布具有高耐久性，預(yù)期壽命至少為50年。此外，混凝土帆布具有良好的抗?jié)B性，材料的滲透性主要取決于顆粒大小、顆粒密度、顆粒形狀或骨料周圍的孔隙結(jié)構(gòu)[7-9]。

混凝土帆布在邊坡防護中的應(yīng)用越來越廣泛[10-12]。然而，據(jù)作者所知，文獻中關(guān)于對混凝土帆布護坡的巖土工程性狀的研究很少。為了給混凝土帆布在邊坡防護領(lǐng)域的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)，文章對混凝土帆布護坡的設(shè)計與性能評價進行了研究。首先，進行了一系列試驗；其次，研究了混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的抗壓強度發(fā)展、拉伸強度和剪切強度。最后簡要介紹了混凝土帆布護坡的施工過程，分析了混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布層的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和位移，并對混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的拉伸和剪切強度進行了比較。研究了不同養(yǎng)護時間的混凝土和噴射混凝土邊坡的穩(wěn)定性。

1 機械性能

噴射混凝土是公路工程中廣泛應(yīng)用于路堤邊坡快速施工的一種工程材料。本節(jié)介紹了混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的組成和制備工藝。然后，測試了混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的抗壓強度延展、拉伸和剪切性能，并與噴射混凝土進行了比較。

1.1 原材料及制備

混凝土帆布是一種三層復(fù)合構(gòu)件(如圖1所示)，其中底層是由復(fù)絲纖維制成的實心織物(SF層)，中間層是3D單絲纖維增強(間隔紗線)無機基質(zhì)，頂層是由復(fù)絲纖維制成的網(wǎng)狀織物(MF層)。中間層填充一種水泥材料，它最初是柔性的，濕潤后幾分鐘就會硬化。

圖1 混凝土帆布的三維結(jié)構(gòu)

一般來說，3D間隔織物是用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)纖維編織而成的。本研究中，3D間隔織物的厚度為15mm。SF層和MF層通過間隔紗線連接。這些間隔紗線可以改善水泥層和織物層之間的黏合，并防止基體開裂。在制備混凝土帆布的過程中，將一定比例的干粉混合物倒入混合器，以94r/min的速度攪拌10min，然后將混合好的粉末從MF層逐漸振動到3D間隔織物中。當三維間隔織物與粉末緊密浸漬時，在MF層上用環(huán)氧樹脂黏合一層PVC膜，以密封混凝土帆布。環(huán)氧樹脂固化后，混凝土帆布產(chǎn)品即可投入使用，需要提高混凝土帆布強度時，可在SF層表面噴自來水。如果水稍微滲入SF層，噴水將立即停止。樣品制備在25°C的室溫和75%的相對濕度下進行。本研究所用的混凝土帆布初凝時間小于20min，終凝時間僅為40min。

噴射混凝土是邊坡防護快速施工的常用材料[13-15]。噴射混凝土的典型配合比被用作與混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的對比參考。噴射混凝土配合比見表1。

1.2 實驗方法

受混凝土厚度的限制，用于抗壓試驗的混凝土帆布試樣尺寸為15mm×15mm×30mm，而噴射混凝土試樣尺寸為100mm×100mm×100mm。文章研究了它們1、3、7、28、60、180d的抗壓強度。使用尺寸為270mm×80mm×15mm的板，在養(yǎng)護28d后獲得普通混凝土、FRP增強混凝土帆布試樣和噴射混凝土的抗拉強度。

當邊坡防護層受到較大的側(cè)向荷載作用時，邊坡防護層可能發(fā)生剪切破壞。文章研究了固化10d后混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布在經(jīng)緯面內(nèi)方向的抗剪強度。剪切試驗用混凝土帆布試樣的尺寸為120mm×40mm×15mm。用雙面剪切試驗(如圖2所示)測試混凝土帆布和FRP在厚度方向上的抗剪強度。樣品尺寸為120mm×40mm×15mm。所有樣品儲存在養(yǎng)護室(20±2°C，60±5%RH)中，直到試驗當天。

圖2 雙面剪切試驗

2 結(jié)果分析

混凝土帆布和噴射混凝土的抗壓強度隨時間的變化如圖3所示。混凝土帆布和噴射混凝土在180d的抗壓強度大致相同，混凝土帆布的1d抗壓強度約為42.92MPa(超過最終強度的80%)，而噴射混凝土的1d抗壓強度僅為10.21MPa(約為最終強度的35%)。混凝土帆布的10d抗壓強度幾乎達到其最終強度的90%，而噴射混凝土僅達到其最終強度的40%左右。顯然，早期高增長率的保護層抗壓強度對于邊坡工程的快速施工具有重要意義。

圖3 混凝土帆布和噴射混凝土的抗壓強度分析

混凝土帆布、噴射混凝土和FRP增強混凝土帆布的28d拉伸性能如圖4所示。與噴射混凝土相比，混凝土帆布的抗拉強度在經(jīng)向上提高了1.43MPa，在緯向上提高了0.82MPa。如圖4(a)和圖4(b)所示，由于3D織物的加入，混凝土帆布表現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化行為，其極限拉伸應(yīng)變超過20%，而噴射混凝土表現(xiàn)出脆性行為。經(jīng)編混凝土帆布試樣在第一次裂紋處的拉伸應(yīng)力(0.72MPa)高于緯編混凝土帆布試樣(0.17MPa)。在第一道裂紋之外，緯紗混凝土帆布表現(xiàn)出更迅速的拉應(yīng)力增加。當經(jīng)緯混凝土帆布的應(yīng)變進一步增加到15.1%和22.0%時，其最大拉應(yīng)力分別為1.43MPa和0.82MPa。經(jīng)緯向角減小時，增強效率系數(shù)大幅度提高，經(jīng)緯向試樣產(chǎn)生差異。這是由于經(jīng)紗/緯紗強力的貢獻較大，沿加載方向的取向角減小。

FRP增強混凝土帆布的拉伸性能如圖4(c)所示。AFRP的加入使纖維增強混凝土的初始裂紋強度提高了5倍。此外，F(xiàn)RP增強混凝土帆布試樣的拉伸曲線表明，在應(yīng)變?yōu)?.06%(經(jīng)紗)和3.74%(緯紗)時，拉伸應(yīng)力達到峰值。超過峰值應(yīng)力后，拉應(yīng)力突然減小，并伴有局部裂紋擴展。混凝土帆布膠接AFRP的塑性較低是由AFRP與混凝土帆布材料楊氏模量的差異造成的。混凝土帆布(約30GPa)和3D間隔織物(約10GPa)的楊氏模量遠低于AFRP(123GPa)的楊氏模量。因此，AFRP可以在很小的拉伸應(yīng)變下顯著提高FRP增強混凝土帆布的拉應(yīng)力。FRP增強混凝土帆布的承載力主要取決于AFRP的力學性能。但AFRP的極限應(yīng)變遠低于3D間隔織物，一旦破壞，AFRP就不能再加固混凝土帆布。然后，連鑄機的應(yīng)力迅速下降到普通連鑄機的承載能力水平。

圖4 混凝土帆布、噴射混凝土和FRP增強混凝土帆布的28d拉伸性能

綜上所述，F(xiàn)RP增強混凝土帆布的極限應(yīng)變低于混凝土帆布，AFRP的加入提高了混凝土的極限抗拉強度，但降低了延性。此外，AFRP的摻入可以顯著提高混凝土帆布的抗彎強度。FRP增強混凝土帆布的抗彎抗拉強度可達到50MPa，而混凝土帆布的抗彎抗拉強度僅為4MPa。

混凝土帆布和FRP加固混凝土帆布在10d的抗剪強度如圖5所示。經(jīng)向抗剪強度為3.5MPa，緯向為3.0MPa。FRP增強混凝土帆布的極限抗剪強度在經(jīng)紗方向為5.0MPa，在緯紗方向為4.4MPa。高抗剪強度避免了邊坡土層承受較大水平荷載時的剪切破壞。混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的厚度方向抗剪強度分別為6.5MPa和13.5MPa。混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布在厚度方向的抗剪強度遠高于經(jīng)緯向的抗剪強度。

圖5 混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的剪切性能

述試驗結(jié)果表明，混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布具有高拉伸強度、快速硬化、高早期強度和高剪切強度的特點。這些特點使混凝土帆布成為快速施工護坡的理想材料。

3 結(jié)論

文章通過對混凝土帆布和FRP增強混凝土帆布的抗壓強度、抗拉強度的測試，得出以下結(jié)論：

(1) 混凝土帆布的抗壓強度發(fā)展比噴射混凝土快得多，最終抗壓強度基本相同。盡管混凝土帆布的極限拉伸應(yīng)變是噴射混凝土的2.0倍，但混凝土帆布在緯向的初始裂紋抗拉強度與噴射混凝土相似，約為0.5MPa。FRP加固能顯著提高其抗拉強度，達9MPa，在厚度方向上其剪切強度可達10MPa。FPR加筋混凝土具有較高的抗拉強度和抗剪強度，作為應(yīng)急工程和復(fù)雜地質(zhì)條件下的邊坡防護層具有更大的優(yōu)勢。

(2) FRP增強混凝土帆布具有較高的抗拉強度，顯著提高了安全系數(shù)。采用FRP加固混凝土帆布作為護坡層時，高度為10m的土質(zhì)邊坡的安全系數(shù)達到2.0，而混凝土帆布僅能在6m以下的高度進行防護。由于混凝土帆布具有較高的早期抗拉強度和楊氏模量，F(xiàn)RP加固混凝土帆布層邊坡在養(yǎng)護后24h內(nèi)的安全系數(shù)至少達到1.4，而噴混凝土保護層邊坡的安全系數(shù)小于1.2。這說明FRP加固混凝土帆布更適合作為快速施工的邊坡防護層。

(3) 由于土體抗剪強度降低，邊坡穩(wěn)定性隨降雨入滲降低。然而，由于保護層的低滲透性和高抗拉強度，由FRP加固混凝土帆布層保護的10m高的斜坡可以保持其穩(wěn)定性。結(jié)合強度發(fā)展快的特點，在邊坡工程中應(yīng)用混凝土，對于在惡劣條件下(如強烈的落水、洪水、泥石流等)的快速施工具有重要意義。