塑鋼纖維對高性能噴射混凝土的性能優化研究

孫明書 蔡莉莉 秦文濤 郭小坤 郭軍峰

摘 要：為提高隧道支護系統的穩定性，研究在普通噴射混凝土內摻雜塑鋼纖維材料，以提高其抗壓、抗滲和力學支撐性能。塑鋼纖維提升噴射混凝土性能的研究依托復合材料、纖維間距理論，試驗結果顯示：塑鋼纖維混凝土的最大承受荷載為17.2 kN;最大平均滲透高度5.4 cm，為普通噴射混凝土的40.6%;最大滲透系數0.506×10-9 cm/s，為普通噴射混凝土的16.5%;塑鋼纖維噴射混凝土的抗壓性、抗滲性和韌性均優于普通噴射混凝土。

關鍵詞：塑鋼纖維;噴射混凝土;高性能;性能優化;復合材料;滲透高度

中圖分類號：TU528?????? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）03-0139-05

Study on performance optimization of high performance

shotcrete with plastic steel fiber

SUN Mingshu，CAI Lili，QIN Wentao，GUO Xiaokun，GUO Junfeng

（Southwest Communications Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to improve the stability of the tunnel support system， the paper studies the doping of plastic steel fiber in the ordinary shotcrete to improve its compression， impermeability and mechanical support performance. The theoretical basis of improving the performance of shotcrete with plastic steel fiber is composite material theory and fiber spacing theory. The test results show that the maximum load of the concrete is 17.2 kN. The maximum average penetration height is 5.4 cm， which is 40.6% of ordinary shotcrete， and the maximum permeability coefficient is 0.506×10-9 cm/s， which is 16.5% of ordinary shotcrete. The compressive strength， impermeability and toughness of steel fiber reinforced shotcrete are better than those of ordinary shotcrete.

Key words：plastic steel fiber; shotcrete; high performance; performance optimization; composite materials; penetration height

使用于隧道施工中的噴射混凝土可起到封閉圍巖、分散外力的作用，與鋼拱架等共同形成隧道支護結構。普通的噴射混凝土材料在承受外部荷載時，很容易產生裂紋，甚至發生脆性斷裂，給隧道工程的施工和使用安全埋下隱患[1]。目前有關噴射混凝土的性能優化研究主要圍繞在提升混凝土的抗裂和抗韌能力。學者們嘗試添加礦物材料、改性速凝劑、改善制備工藝等探究提升噴射混凝土的可行途徑[2]。塑鋼纖維是一種高強度纖維，截面形狀及比表面積和鋼纖維相似。已有研究證實纖維材料能夠提升噴射混凝土的力學性能，但是摻雜塑鋼纖維噴射混凝土的材料配比、力學性能和增強機理的研究還不完善[3]。鑒于此，研究將從塑鋼纖維摻雜的增強機理、材料配比和力學性能角度分析塑鋼纖維摻雜對噴射混凝土的性能優化效果。

1 塑鋼纖維混凝土增強機理及制備

1.1 纖維力學增強機理

摻雜塑鋼纖維增強混凝土性能的主要作用機理可從復合材料理論和纖維間距理論兩方面分析。塑鋼纖維混凝土是一種復合材料，可將這種材料視為一個多相系統，性能也是構成該復合材料的各相性能的疊加[4]。假定塑鋼纖維混凝土內纖維和基體在受力時均發生彈性形變，并且內部纖維排列均勻且連續，與基體粘接性良好。基體、纖維和塑鋼纖維混凝土材料的表示符號分別為m、f、c。復合材料的橫截面積為A，應力為σ。根據彈性疊加原理，可得：

σc=σmρm+σfρf=σm（1-ρf）+σfρf （1）

式中：ρm、ρf分別表示基體和纖維材料的體積率，其為基體或纖維材料在塑鋼纖維混凝土內的體積占比;σm、σf分別表示基體和纖維材料的應力;ρm、ρf分別表示兩種材料的彈性模量。

復合材料的彈性模量Ec可由材料應力對應變ε進行一階求導得到。由于纖維材料在復合材料內排列均勻且連續，與受力方向一致，如圖1所示。fc、fm、ff分別表示復合材料、基體和纖維材料的受力。可得復合材料的平均應力σc的計算公式為：

σc=σm[1+（n-1）ρf]（2）

式中：n為纖維材料和基體材料彈性模量的比值。通過式（2）可以看出，塑鋼纖維混凝土的抗拉強度和纖維、基體材料的彈性模量成正比。但是當纖維摻雜含量較低時，上述結論并不明顯。

fft=αft（1-ρf）+βτρflfdf（3）

式（3）是依據復合材料理論求得的塑鋼纖維混凝土抗拉強度fft的計算公式。α、β數值可由試驗得出;α與基體的軟化效應有關;β與纖維取向、粘接強度、分散度、有效長度等有關。

由復合材料理論可知，塑鋼纖維材料增強混凝土的抗拉性能的作用機理為：纖維材料并有一定的延展性，在復合材料內亂向分布，與基體材料之間具有咬合效果[5]。纖維材料連續，有效長度長，在基體中分布均勻;與基體粘接強度大，塑鋼纖維混凝土的性能越好。纖維間距理論認為，塑鋼纖維的摻雜可以降低混凝土的固有缺陷程度，提高材料的抗變形能力[6]。塑鋼纖維對混凝土內裂縫的約束力學模型如圖2所示。

圖2（a）是塑鋼纖維對混凝土裂縫的約束模型;圖2（b）是圖2（a）中斷面的截面圖。混雜在混凝土內的纖維材料能對裂縫尖端產生反向的應力場，降低其應力集中程度，阻止其進一步擴展。

KT=2aπ（σfc-τ）≤Klc（4）

式（4）是復合材料的應用強度因子KT的計算公式。Klc為臨界應力強度因子;a表示混凝土裂縫的寬度;σfc是混凝土受到的沿纖維方向的均勻拉應力大小;τ是纖維形成的應變阻力在纖維—基體界面上的最大剪應力。當KT大于Klc時，混凝土出現斷裂。

ffc=K（1s-1sc）+fm（5）

根據纖維間距理論，纖維間距s對混凝土的抗拉強度具有顯著影響。根據該理論，混凝土抗拉強度ffc的計算公式如式（5）所示。K與纖維粘接強度有關;sc是纖維增強效果的上限數值;fm是基體的抗拉強度。當纖維間距低于某一數值時，摻雜塑鋼纖維才能優化混凝土的抗拉性能。

1.2 噴射混凝土配比設計及制備

制備高性能噴射混凝土的配比設計需要滿足下述條件：混凝土具有良好的耐久性和壓送性;較高的強度和韌性;合理的經濟性;厚度一定;噴射回彈量和粉塵量較少[7]。高性能噴射混凝土的主要配比設計指標為水膠比，凝膠材料、礦物摻雜料和水泥用量、粗細骨料和砂率、材料配合比。

高性能噴射材料的水膠比一般為0.4～0.5。水膠比超過0.5，混凝土強度較低，容易在噴射過程中出現剝落現象;水膠比低于0.4，噴射的回彈量和粉塵量較大[8]。凝膠材料的用量為混凝土的用水量與水膠比的比值。噴射混凝土內摻雜的礦物材料一般為硅灰、粉煤灰等，礦物摻雜料用量為混凝土礦物摻合料用量和礦物摻合料的摻量乘積。摻雜礦物材料可以提高混凝土強度，降低水化熱。水泥用量為凝膠用量減去礦物摻合料用量。噴射混凝土的水泥用量一般不低于400 kg/m2? [9]。

混凝土內的拌合物包括粗骨料、細骨料、外加劑、摻合料、水、水泥。拌合物的用量一般為2 350～2 450 kg/m2。粗細骨料的選擇影響混凝土的內部粘接性。細骨料選用普通河砂。粗骨料一般選用碎石、卵石等，尺寸最大在5～10 mm;砂率一般為50%～60%[10]。使用體積法計算混凝土配比，粗、細骨料的用量公式為：

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+ma0ρa+mw0ρw+0.01α=1（4）

式中：mc0、mf0、mg0、ms0、ma0、mw0分別為水泥、摻合料、粗骨料、細骨料、外加劑和水的質量;ρc、ρf、ρg、ρs、ρa、ρw分別為水泥、摻合料、粗骨料、細骨料、外加劑和水的密度;ρa的數值可根據現行的《混凝土外加劑均質性試驗方法》確定;α為含氣量百分數，取值為1。

研究設計的塑鋼纖維噴射混凝土的材料配比結果如表1所示。

由表1可知，兩種方案的石、水、塑鋼纖維、減水劑、凝膠用量一致，砂率均為52%，水膠比均為0.41%。研究制備噴射混凝土所用的水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，其強度等級為42.5。砂子的選材符合國家現行的《水泥強度試驗用砂標準》（GB 178—1977）。速凝劑選用無堿高效液體速凝劑，該速凝劑的固含量可達65%及以上，與不同水泥的適用性良好[11]。減水劑使用萘系高效減水劑，減水率為20%。

依據《噴射混凝土應用技術規程》（JGJ/T 372—2016），塑鋼纖維噴射混凝土的制備分為混凝土制備和噴射大板兩部分。將稱量完成的原料投入攪拌機內進行攪拌，使纖維材料均勻分布于干拌合料之中，機器攪拌1～2 min。加減水劑、速凝劑和水進行濕拌，時間為2.5 min左右。大板噴射試驗所用大板尺寸為450 mm×350 mm×120 mm，噴射完成后將其置于相對濕度90%以上和溫度為17～23 ℃的環境下養護。

2 塑鋼纖維噴射混凝土的性能測試

2.1 單軸抗壓強度試驗

將普通噴射混凝土和塑鋼纖維噴射混凝土的大板試件均切割為長、寬、高均為100 mm的試驗試件，分別測量其單軸抗壓強度。

兩種噴射混凝土的單軸抗壓強度測試結果如圖3所示。普通噴射混凝土的峰值應力為26.4 MPa，峰值應變為0.001 5 mm。塑鋼纖維噴射混凝土的峰值應力為41.3 MPa，峰值應變為0.002 5 mm。普通噴射混凝土的峰值應力和峰值應變數值均小于塑鋼纖維噴射混凝土。在峰值應力施加結束后，普通噴射混凝土的應變曲線比塑鋼纖維噴射混凝土的更加陡峭，形態破損速度更快。這說明塑鋼纖維噴射混凝土的彈性模量大于普通噴射混凝土。結合纖維間距理論和復合材料理論可知，上述現象產生的原因可能是塑鋼纖維的摻入能夠提高噴射混凝土的延性所致。

2.2 三軸抗壓強度試驗

將兩種噴射混凝土使用巖石切割機分割為直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件。分別對其進行三軸抗壓試驗，圍壓分別為5、10和15 MPa，得到兩種噴射混凝土的應力應變曲線如圖4所示。

圖4（a）、（b）分別是普通噴射混凝土和塑鋼纖維混凝土通過3軸抗壓試驗得到的應力應變曲線。施加圍壓越大，噴射混凝土的峰值應力和應變也越大，并且噴射混凝土被破壞的速度也越快。對比不同圍壓下，兩種噴射混凝土的應力應變曲線可知，塑鋼纖維噴射混凝土的峰值應力和峰值應變均高于普

通噴射混凝土。施加圍壓分別為5、10和15 MPa時，塑鋼纖維噴射混凝土對應的殘余強度分別為33、43和51 MPa。增加速度分別為30.0%和18.6%，殘余強度的增速隨圍壓的增大而降低。無論是普通噴射混凝土還是塑鋼纖維噴射混凝土，峰值強度、彈性模量均與圍壓成正比例關系。

2.3 彎曲韌性試驗

將兩種噴射混凝土使用巖石切割機分割為長、寬為100 mm，高為400 mm的長方體試件。分別對其進行三點彎曲試驗，得到2種噴射混凝土的荷載-撓度曲線，具體如圖5所示。

由圖5可知，普通噴射混凝土和塑鋼纖維混凝土的最大承受荷載分別為12.3、17.2 kN，對應的擾度分別為0.08、0.11 mm。普通噴射混凝土的破壞形式為崩裂，混凝土承受最大荷載之后，再施加少量荷載，混凝土的結構迅速被破壞。塑鋼纖維噴射混凝土在被破壞之后還可以繼續承受一定的荷載，不會發生脆性破壞。對比結果顯示，塑鋼纖維噴射混凝土的韌性優于普通噴射混凝土，具有更高的承載能力。

2.4 抗滲試驗

將制備完成的混凝土噴射至上口直徑175 mm，下口直徑185 mm，高150 mm的圓臺體試模內，每種混凝土制備6個試件。注模成功之后等待混凝土成型，脫模之后養護28 d，進行抗滲試驗。抗滲試驗的持續時間為24 h，水壓為1 MPa。2種噴射混凝土的抗滲試驗結果如表2所示。

由表2可知，普通噴射混凝土的最大平均滲透高度為13.3 cm，最大滲透系數為3.071×10-9 cm/s。塑鋼纖維噴射混凝土的最大平均滲透高度為5.4 cm，是普通噴射混凝土的40.6%;最大滲透系數為0.506×10-9 cm/s，是普通噴射混凝土的16.5%，表明塑鋼纖維噴射混凝土的抗滲性能更優;這是因為塑鋼纖維的加入可以增強混凝土內部結構粘接性。在混凝土裂縫出現的早期，塑鋼纖維和基體形成的混合體可以抑制裂縫的進一步發展，降低噴射混凝土的孔隙率。因此，塑鋼纖維噴射混凝土的抗滲性能優于普通噴射混凝土。

3 結語

隧道施工的難度和規模逐漸加大，對噴射混凝土材料的性能要求明顯提高。研究使用復合材料理論和纖維間距理論，分析塑鋼纖維增強噴射混凝土性能的理論可行性，對塑鋼纖維摻雜下的原料最佳配合比進行設計。抗壓試驗表明，塑鋼纖維噴射混凝土的峰值應力為41.3 MPa，峰值應變為0.002 5 mm，數值均高于普通噴射混凝土。彎曲韌性試驗結果表明，塑鋼纖維混凝土的最大承受荷載分別為17.2 kN，在被破壞之后還可以繼續承受一定的荷載，不會發生脆性破壞。而普通噴射混凝土的破壞形式為崩裂。抗滲試驗結果顯示，塑鋼纖維噴射混凝土的最大平均滲透高度是普通噴射混凝土的40.6%，最大滲透系數是普通噴射混凝土的16.5%。上述結果表明：研究制備的塑鋼纖維噴射混凝土的抗壓、抗滲和韌性更優，相比普通噴射混凝土有明顯改善。但是研究制備的噴射混凝土并未應用至實際隧道施工中，其與圍巖結構的相互作用效果不明。后續需要通過實際應用分析該噴射混凝土的應用價值。

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