纖維種類與尺寸對噴射混凝土彎曲韌性的影響

王家赫

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

噴射混凝土是通過壓縮空氣射流成型的一種特種混凝土，具有凝結(jié)硬化快、施工便捷等特點(diǎn)，目前廣泛用于隧道初期支護(hù)、邊坡支護(hù)等結(jié)構(gòu)中。傳統(tǒng)的噴射混凝土屬于準(zhǔn)脆性材料，在拉應(yīng)力作用下極易開裂，并出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象［1-3］，致使產(chǎn)生單條較寬裂縫，影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。隧道初期支護(hù)噴射混凝土結(jié)構(gòu)屬于隱蔽性工程，發(fā)生開裂滲漏等病害后很難修復(fù)。因此，提高噴射混凝土的韌性和耗能能力對提升高地應(yīng)力段和軟巖大變形地區(qū)隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和耐久性具有重要意義［4］。

既有研究表明，纖維可以有效提高混凝土的變形和耗能能力，在高地應(yīng)力條件下隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用纖維噴射混凝土的技術(shù)方案已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)專家的廣泛認(rèn)可［5-7］。目前國內(nèi)外專家對模筑纖維混凝土研究較多，而研究纖維噴射混凝土相對較少。因?yàn)樗倌齽┑氖褂?，噴射混凝土的工作性變化特點(diǎn)與普通模筑混凝土有顯著區(qū)別，纖維噴射混凝土對纖維種類和幾何尺寸有更特殊的要求［8-10］。本文通過試驗(yàn)對纖維型號、幾何尺寸、摻量等關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行研究，探究對噴射混凝土彎曲韌性提升效果顯著且對工作性影響較小的纖維型號，為工程中纖維噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料及配合比

試驗(yàn)試件采用噴射混凝土常用的C30混凝土。水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；粗骨料采用北京房山5～10 mm級配碎石，緊密堆積密度1 650 kg/m3，表觀密度2 700 kg/m3；細(xì)骨料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，緊密堆積密度1 900 kg/m3，表觀密度2 750 kg/m3?；炷僚浜媳葹樗?70 kg，砂754 kg，石子886 kg，水185 kg。減水劑采用河北三楷科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，質(zhì)量摻量為0.8%；速凝劑采用中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)的高性能液體無堿速凝劑，質(zhì)量摻量為5%。

為研究不同種類和幾何尺寸的纖維對噴射混凝土彎曲韌性的影響，本文選用4種型號的纖維，其種類及性能指標(biāo)見表1。

表1 4種型號纖維種類及性能指標(biāo)

2 彎曲韌性試驗(yàn)

2.1 預(yù)切口三點(diǎn)彎曲韌性試驗(yàn)方法

纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)采用CECS 13：2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［11］規(guī)定的切口梁法。該方法適用于測定帶預(yù)切口的纖維混凝土梁試件的彎拉強(qiáng)度、彎曲韌性等參數(shù)。試驗(yàn)用預(yù)切口纖維混凝土梁試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試驗(yàn)加載采用三分點(diǎn)法，下部跨距為300 mm，在試件中部加載位置設(shè)置預(yù)切口，切口寬2 mm，深10 mm。試驗(yàn)采用TONI TECHNIK伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移控制加載，加載速率為0.2 mm/min。加載過程中用LVDT實(shí)時(shí)采集梁跨中豎向撓度及加載位置的荷載數(shù)據(jù)，記錄頻率為1次/s。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 纖維混凝土彎曲韌性試驗(yàn)裝置（單位：mm）

2.2 彎曲韌性指數(shù)計(jì)算

CECS 13：2009對纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)進(jìn)行了定義。纖維混凝土預(yù)切口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得出的荷載-撓度曲線見圖2。

圖2 纖維混凝土荷載-撓度曲線

從坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)出發(fā)，隨著荷載增大，纖維混凝土的荷載-撓度曲線滿足3階段發(fā)展規(guī)律：

①彈性階段。荷載-撓度曲線近似成線性關(guān)系，線性段末端A點(diǎn)對應(yīng)的荷載即為開裂荷載Fcr，對應(yīng)的位移即為開裂撓度δ［10］。

②應(yīng)變硬化階段。隨著位移增大，荷載逐漸增大至峰值荷載，即極限荷載。

③應(yīng)變軟化階段。荷載隨位移增大而逐漸減小，直到纖維混凝土梁完全失去承載力。

圖2中，撓度為3.0δ和5.5δ時(shí)荷載-撓度曲線上對應(yīng)的點(diǎn)分別為C和E。分別計(jì)算各段曲線下方的面積，算出纖維混凝土的彎曲韌性指數(shù)I5和I10，計(jì)算公式分別為

通過上述試驗(yàn)及公式可算出不同纖維型號和摻量的噴射混凝土彎曲韌性指數(shù)。本文選取4種型號的纖維，每種纖維分別以0.7%和1.0%的體積摻量摻入混凝土，配成8種不同纖維型號和摻量的纖維噴射混凝土并制成混凝土梁試件，每組2個(gè)試件。

3 研究結(jié)果

3.1 預(yù)切口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

對8種不同纖維型號和摻量的纖維噴射混凝土的彎曲性能進(jìn)行測試，得到的荷載-撓度曲線見圖3。

圖3 纖維噴射混凝土彎曲試驗(yàn)荷載-撓度曲線

由圖3可知，對于同一尺寸纖維，纖維摻量越大，噴射混凝土彎曲試驗(yàn)中開裂荷載和極限荷載越大。

對比圖3（a）和圖3（b）可知，鋼纖維摻量相同時(shí)，纖維長度越長，混凝土彎曲過程中開裂荷載和極限荷載越大。

對比圖3（a）和圖3（c）可知，鋼纖維長度一定時(shí)，帶彎鉤鋼纖維對噴射混凝土開裂荷載和極限荷載提高效果更顯著。

對比圖3（a）和圖3（d）可知，相同體積摻量的有機(jī)纖維（PP纖維）對噴射混凝土開裂荷載和極限荷載的提升效果比鋼纖維更顯著，即摻入有機(jī)纖維的噴射混凝土的開裂荷載和極限荷載均顯著高于同等摻量的鋼纖維噴射混凝土。

3.2 纖維噴射混凝土彎曲韌性求解

利用式（1）和（2）計(jì)算8種不同纖維型號和摻量的纖維噴射混凝土的彎曲韌性指數(shù)，結(jié)果見表2。為方便對比，將各纖維噴射混凝土的開裂荷載、極限荷載、開裂撓度也列于表2中。表中各參數(shù)均為2個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

由表2可知，增加纖維體積摻量可有效提高混凝土的彎曲韌性、極限荷載和開裂撓度。但纖維用量過多會(huì)對混凝土工作性造成影響，進(jìn)而影響成型質(zhì)量。

表2 纖維噴射混凝土彎曲韌性計(jì)算結(jié)果

對比GW30-55和GW40-55發(fā)現(xiàn)，鋼纖維摻量一定時(shí)，纖維長度越長，混凝土彎曲韌性指數(shù)越大，相應(yīng)的混凝土抗彎極限荷載和開裂撓度也越大。但纖維過長會(huì)影響混凝土流動(dòng)性及泵送效果，因此在選擇鋼纖維長度時(shí)應(yīng)綜合考慮混凝土的彎曲韌性和工作性。

對比GW30-55和GZ30-20發(fā)現(xiàn)，纖維長度相同時(shí)，帶彎鉤鋼纖維對混凝土彎曲韌性提升效果更顯著。

對比GW30-55和PP30-55發(fā)現(xiàn)，纖維尺寸相同時(shí)，有機(jī)纖維對混凝土彎曲韌性的提升效果更明顯。尤其當(dāng)有機(jī)纖維體積摻量為1.0%時(shí)，纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)I5=13.10，大大優(yōu)于其他各組試驗(yàn)結(jié)果。

綜上，要提高纖維噴射混凝土彎曲韌性，首先要保證纖維長度不小于骨料尺寸，即大于10 mm。在此基礎(chǔ)上，纖維長度越長，混凝土彎曲韌性越好。由于受工作性的制約，纖維噴射混凝土中的纖維長度選擇應(yīng)綜合考慮增韌效果和工作性。為提高彎曲韌性，纖維混凝土設(shè)計(jì)中通常要求纖維從基材中拔出。鋼纖維端部的彎鉤和有機(jī)纖維表面的壓痕均可提高纖維與基材之間的黏結(jié)力，從而提高纖維拔出過程中的耗能能力。因此，在纖維選型方面應(yīng)優(yōu)先選擇帶彎鉤或表面處理的纖維。在纖維材質(zhì)方面，鋼纖維和有機(jī)纖維（PP纖維）均可提高混凝土的彎曲韌性，且有機(jī)纖維提升效果更顯著。這是因?yàn)樵囼?yàn)中使用的有機(jī)纖維表面進(jìn)行了壓痕處理，且纖維本身抗拉強(qiáng)度較高。在彎曲破壞過程中，纖維幾乎全部為拔出破壞。表面壓痕處理使纖維拔出過程中耗能能力更強(qiáng)，因此對纖維混凝土彎曲韌性提高效果也更顯著。

4 結(jié)論

本文選取不同種類、不同尺寸的4種型號纖維，研究在0.7%和1.0%體積摻量下纖維噴射混凝土的彎曲韌性。結(jié)論如下：

1）纖維摻量和形狀相同時(shí)，纖維長度越長，混凝土的彎曲韌性提升效果越顯著。纖維長度的選擇應(yīng)綜合考慮增韌效果及其對混凝土工作性的影響。對于C30常規(guī)噴射混凝土，選擇長度40 mm、直徑0.55 mm的帶彎鉤鋼纖維可以在保證混凝土工作性前提下獲得較高的彎曲韌性。

2）鋼纖維端部的彎鉤和有機(jī)纖維表面的壓痕均可增大纖維與基材之間的黏結(jié)力，提高荷載作用下纖維拔出過程中的耗能能力。端部帶彎鉤的鋼纖維和表面壓痕處理的有機(jī)纖維的彎曲韌性均顯著高于同等摻量不帶彎鉤的普通直纖維。

3）纖維幾何尺寸與摻量相同時(shí)，有機(jī)纖維PP30-55對噴射混凝土彎曲韌性的提升效果比鋼纖維更顯著。有機(jī)纖維體積摻量1.0%時(shí)，纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)I5=13.10，顯著優(yōu)于其他各組試驗(yàn)結(jié)果。