混摻纖維對水工隧洞噴射混凝土力學性能影響的試驗研究

劉 美

(深圳市水務工程建設管理中心，廣東 深圳 518000)

1 概 述

在地下洞室工程建設過程中，噴射混凝土作為初支結構的重要組成部分，其質量對工程建設的順利進行和后期的維護管理都存在直接影響，因此提高初支噴射混凝土性能具有十分重要的意義和作用。根據相關研究成果和工程經驗，在混凝土中摻入一定量的纖維對彌補混凝土的固有缺陷、改善混凝土物理力學性能具有重要作用[1]。目前，可用于混凝土制作的外摻纖維數量眾多，性能單一，單摻纖維對混凝土性能的提升往往也是單方面的。如果在混凝土中混合摻入兩種纖維，可以有效發揮不同纖維性能的協同性，從不同方面提升噴射混凝土的性能[2]。但是，纖維的種類和摻量以及混摻比例都是混摻效果的影響因素，只有兩種纖維以最佳的摻入體積和摻入比例摻入噴射混凝土，方可獲得最佳工程效果[3]。基于此，此次研究選擇高彈性模量的玄武巖纖維和高延伸率的聚丙烯纖維，以混合摻入的方式研究其對噴射混凝土性能的影響，以便為工程應用提供支持和借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

根據噴射混凝土的使用規范和要求，此次研究選擇P.O42.5普通硅酸鹽水泥[4]。對水泥樣品的主要性能指標進行測定，結果見表1。由表1可知，水泥材料的各指標均滿足試驗要求，可以用于此次試驗研究。

試驗用粉煤灰為安徽淮南常華電力實業總公司生產的Ⅱ級粉煤灰，其細度為20.6%，需水量比為100%，各項檢測結果符合 C30 混凝土技術指標。

試驗用砂為普通河沙，其細度模數2.59，為中砂，其含泥量小于2.1%，堆積密度為1 870 kg/m3，用于噴射混凝土的拌制較為理想。

表1 水泥樣品主要性能指標測定結果

試驗中使用的纖維為上海啟辰化工有限公司出品的玄武巖纖維和聚丙烯纖維。其中,玄武巖纖維的彈性模量為106 GPa，延伸率為3.5%；聚丙烯纖維的彈性模量為35.5 GPa，延伸率為8.7%。

噴射混凝土的粗骨料適合使用質地堅硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒徑不宜大于12 mm[5]。此次研究選擇的是人工石灰巖碎石，質地堅硬，壓碎率小于2.3%，粒徑范圍為5.2～10 mm。

試驗中使用的速凝劑為四川凱彤建筑材料有限公司生產的KTA-08型速凝劑，減水劑為四川凱彤建筑材料有限公司生產KTA-01聚羥酸效減水劑；試驗用水為普通自來水[6]。

2.2 試驗方案

結合工程經驗和要求，此次研究選擇水工隧洞初支施工中常用的C30噴射混凝土作為研究對象，并以《水工混凝土配合比設計規程》(DL/T 5330--2005)的相關標準為基礎確定試驗配合比[7]。其中，水泥、水、砂、粗骨料、粉煤灰、減水劑和速凝劑的每立方米用量分別為380、190、780、1 100、156、2.5和15.2 kg。鑒于不同纖維在密度上的差異性，試驗中以體積比進行摻加試驗方案的設計。將兩種纖維分別以單摻0.2%、0.4%和0.6%的比例摻加進再生混凝土，以沒有摻加纖維的噴射混凝土作為試驗對照方案，共獲得7種單摻試驗方案。在混摻方案中，設定玄武巖纖維占比為25%、50%和75%來確定混摻方案，分別記作混摻比1、混摻比2和混摻比3。混摻纖維的總摻加率仍舊為0.2%、0.4%和0.6%，共獲得9種不同的混摻試驗方案。對上述16種試驗方案進行試驗，并對試驗結果展開分析。

2.3 試驗方法

結合相關工程經驗和試驗條件，試驗中利用二次攪拌法進行噴射混凝土的試件制作[8]。同時，為了提高試件的密實度，避免密實度不同對實驗結果可能造成的顯著影響，在試件的制作過程中需要利用抹刀進行人工插搗，再將試模放在振動臺上振動密實。將制作好的試件放置陰涼通風處，靜置25 h拆模并編號，然后放入標準養護至28 d齡期。

對養護完畢的噴射混凝土試件進行物理力學性能試驗，試驗采用FTC-2000力學萬能試驗機。試驗中，每組試驗方案進行3次試驗，以試驗結果的均值作為最終試驗結果。

3 試驗結果與分析

3.1 抗壓強度

根據單摻方案的抗壓強度試驗結果，繪制出抗壓強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖1。由圖1可以看出，兩種纖維的抗壓強度變化特征明顯不同，但是單摻玄武巖纖維具有一定的優勢，最佳摻量為0.4%。與對比方案相比，其抗壓強度值提高約6.97%，聚丙烯纖維的最佳摻量為0.2%，但是對抗壓強度的提升作用相對比較有限。

根據混摻方案試件的抗壓強度試驗結果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土抗壓強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖2。由圖2可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的抗壓強度，與單摻纖維相比有明顯的優勢。究其原因，主要是兩種不同性質、不同優勢的纖維混摻進噴射混凝土，可以實現對混凝土內部結構的更好改善，從而有效抑制混凝土內部不同屬性裂縫的發展，因此進一步提高了噴射混凝土的抗壓強度。從不同的混摻比例來看，混摻比1和混摻比2條件下，抗壓強度隨著纖維總摻量的增加而增大，也就是總產量越大，抗壓強度的提升效果越明顯。而在混摻比3的條件下，增加纖維總摻量并不能有效提升噴射混凝土的抗壓強度。總體來看，混摻比2不僅在相同摻量下的抗壓強度值較大，同時總摻量在0.4%時即可獲得較好的工程效果。

圖1 單摻方案抗壓強度變化曲線

圖2 混摻方案抗壓強度變化曲線

3.2 劈裂抗拉強度

根據單摻方案的劈裂抗拉強度試驗結果，繪制出劈裂抗拉強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖3。由圖3可以看出，單摻纖維有助于提高試件的劈裂抗拉強度，從具體的變化規律來看，無論是摻加玄武巖纖維還是摻加聚丙烯纖維，劈裂抗拉強度均呈現出先增大后減小的變化特點，均為摻加量為0.2%時的劈裂抗拉強度最大。兩種纖維相比，單摻聚丙烯纖維更有優勢。

根據混摻方案試件的劈裂抗拉強度試驗結果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土劈裂抗拉強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖4。

圖3 單摻纖維劈裂抗拉強度變化曲線

圖4 混摻纖維劈裂抗拉強度變化曲線

由圖4可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的劈裂抗拉強度，與單摻纖維相比有明顯的優勢，其原因與抗拉強度類似，這里不再贅述。從具體的變化趨勢來看，噴射混凝土的劈裂抗拉強度隨著纖維總摻量的增加均呈現出先增加后減小的變化特點。由此可見，單純提高纖維摻量并不能獲得更好的劈裂抗拉強度提升效果，原因是纖維摻量的大幅增加，會影響到混凝土內部的密實度。從不同的纖維占比方案來看，混摻比3在纖維總摻量4%時的劈裂抗拉強度最大，為最優纖維配比和纖維總摻加量。

3.3 抗折強度

根據單摻方案的抗折強度試驗結果，繪制出抗折強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖5。由圖5可以看出，單摻纖維有助于提高試件的抗折強度。此外，噴射混凝土的抗折強度隨著纖維摻量的增加呈現出先增大后減小的變化特點。摻加玄武巖纖維和摻加聚丙烯纖維方案均為摻加比例為0.4%時，抗折強度達到最大。從兩種纖維的對比來看，聚丙烯纖維的效果更佳。

根據混摻方案試件的抗折強度試驗結果，繪制出不同混摻方案的噴射混凝土抗折強度隨纖維摻量的變化曲線，結果見圖6。

圖5 單摻纖維抗折強度變化曲線

圖6 混摻纖維抗折強度變化曲線

由圖6可以看出，采用合理的混摻方案可以顯著提升噴射混凝土的抗折強度，與單摻纖維相比有明顯的優勢，其原因與抗壓強度和劈裂抗拉強度類似，這里不再贅述。從具體的變化趨勢來看，混摻比3條件下，抗折強度隨纖維總摻量的增加而增大；混摻比1和混摻比2條件下，抗折強度隨纖維總摻量的增加呈現出先增大后減小的變化特點。從不同纖維摻加比例方案的對比來看，摻加比2在總摻量為0.4%時的抗折強度最大，為最優方案。

4 結 論

此次研究通過室內試驗的方式，探討了混摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維對水工噴射混凝土物理力學性能的影響，結論如下：

1) 在水工噴射混凝土中摻加一定量的纖維，可以有效提升其力學性能，摻加聚丙烯纖維的工程效果更佳。

2) 混摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維與單摻纖維相比，具有更為明顯的優勢，具有良好的工程應用價值。

3) 當玄武巖纖維和聚丙烯纖維的體積摻量為1∶1、總摻量為0.4%時，可以獲得最佳效果。