巖土工程中硅粉和鋼纖維對噴射混凝土性能的影響實驗

閆嘉慶，宿曉輝，吳際淵

（山西冶金巖土工程勘察有限公司，太原 030002）

隨著我國大力開展基礎設施建設，巖土工程的建設任務愈加繁重。由于巖土工程中地下結(jié)構(gòu)工作環(huán)境的復雜性，因此正確地認識地質(zhì)環(huán)境條件，合理地進行地下結(jié)構(gòu)體系設計和施工，保證支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就十分關(guān)鍵。噴射混凝土施工法是地下工程中常用的支護形式[1]。由于不同材料組成對噴射混凝土的工作性能影響很大，因此通過改進噴射混凝土材料來提高其支護性能的相關(guān)研究有著重要意義。

縱觀混凝土支護技術(shù)的發(fā)展進程，在早期階段多采用素混凝土加鋼筋網(wǎng)技術(shù)，其缺點在于實施時工序繁瑣。不僅需要對施工巖體的表面進行預先處理，還需要架設金屬網(wǎng)，而在后續(xù)噴射混凝土時常常因為金屬網(wǎng)的阻擋而產(chǎn)生空洞，從而較大程度上降低了施工巖體與混凝土之間的粘結(jié)程度，難以達到預期的支護性能。

在新型復合支護材料中，通過在普通噴射混凝土中摻入鋼纖維制成的鋼纖維噴射混凝土（SFRS），在混凝土原有性能基礎上大幅度提升了其延性，從而在抗拉、抗彎、抗裂、抗沖擊以及抗疲勞等方面表現(xiàn)優(yōu)異。另外，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入硅粉后，能夠通過硅粉的火山灰效應與微填充效應來達到提升混凝土壓縮強度等性能的作用。綜上所述，摻入鋼纖維和硅粉后會改變混凝土的延性、密實度等，本文將對此展開實驗研究，探討如何結(jié)合鋼纖維和硅粉兩者優(yōu)點來改良噴射混凝土性能的問題。

1 材料與方法

1.1 原材料

本文實驗所用普通硅酸鹽水泥采用云南大理紅山水泥有限公司的紅山巖P.O 42.5水泥；鋼纖維采用成都金宇盛世建材有限公司的30mm×0.5mm鋼纖維；硅粉采用云南石晶硅業(yè)有限公司的硅粉；粗骨料采用花崗巖碎石，石料級配為一級配，最大公稱粒徑為20mm；細骨料采用天然河砂，其細度模數(shù)為2.79，吸水率為0.4%，屬于中砂；減水劑采用昆明市百強建筑材料廠生產(chǎn)的早強高效減水劑，減水率為15%~20%；水采用自來水（水灰比0.48）。

1.2 配合比

相關(guān)研究結(jié)果證明，鋼纖維噴射混凝土的最佳摻量范圍在1%~1.5%。據(jù)此，本實驗依照素混凝土基準配比，分別選取0%、5%、10%、15%、20%硅粉以及1%體積率鋼纖維，以表1所示的6組不同配合比進行實驗。

表1 混凝土配合比Tab.1 Concrete mix proportion

1.3 性能測試

1.3.1 坍落度

在實驗室按設計配合比試配噴射混凝土，測定混凝土坍落度。將新拌混凝土倒入標準塑模并用振搗棒振搗密實，用塑料薄膜封口并養(yǎng)護24h后拆模，在標準養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護28d，靜置90d后試驗。

1.3.2 力學性能

力學性能實驗參考《普通混凝土力學性能試驗方法標準GB/T 50081-2019》規(guī)范。實驗在2000KN 壓力試驗機上進行，試塊標準為150mm×150mm×150mm，以6個試件作為一組，在溫度（20±2）℃，相對濕度大于90%環(huán)境下養(yǎng)護28d后，測定所有試件壓縮強度并取每組平均值作為最終測定結(jié)果，以此方法控制離散程度。

1.3.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B性能實驗參考《水工混凝土試驗規(guī)程》（DL/T5150-2001）[5]的標準，采用規(guī)格為175mm×185mm×150mm 標準圓臺體，試塊以6 個為一組，標準養(yǎng)護28d后進行試驗。試驗從0.1MPa水壓開始，以后每隔8h 增加0.1MPa 水壓，直至半數(shù)以上試件出現(xiàn)端面滲水現(xiàn)象時，取當前水壓數(shù)值作為實驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 坍落度

為了滿足噴射施工的和易性要求，濕噴混凝土的坍落度控制為（160±20）mm。由表1 可知，在素混凝土中加入鋼纖維后，混凝土的塌落度產(chǎn)生了較大的降幅。說明鋼纖維的摻入降低了混凝土的坍落度。這可能是由于鋼纖維在混凝土里面形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)支撐著混凝土，阻礙混凝土的流動，增加了混凝土的摩擦力[6]。在鋼纖維混凝土中再摻入硅粉，從表1 可知，隨著硅粉摻量的增加，鋼纖維混凝土的坍落度卻呈現(xiàn)增長的趨勢，說明硅粉對混凝土的坍落度有積極的作用。這可能是由于硅粉增加了拌和物的粘稠性。

2.2 力學性能

從表2 所示混凝土力學性能實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：摻入鋼纖維后，混凝土壓縮性能提升幅度為11.68%，拉伸性能提升幅度為47.87%。該結(jié)果證明摻入鋼纖維能夠小幅度改善混凝土壓縮性能，并且較大程度改善混凝土的拉伸性能。分析其原因，主要是因為相比混凝土而言，鋼纖維具有極佳拉伸強度和彈性模量等特點。當混凝土受荷載作用而變形時，其中的鋼纖維開始承受拉應力作用，從而發(fā)揮其特點。由此也可得出，鋼纖維與混凝土兩者間的粘結(jié)力也對拉伸性能有所影響。

表2 混凝土力學性能Tab.2 Mechanical properties of concrete

從表2可知，向鋼纖維混凝土中摻入硅粉可以進一步提高混凝土的壓縮能力和拉伸能力。與鋼纖維混凝土相比，硅粉鋼纖維混凝土的壓縮能力（28d）增 加16.26% ～35.99% ， 拉 伸 能 力（28d） 增 加7.01%～8.66%。說明硅粉對鋼纖維混凝土壓縮能力的提高更加顯著。這可能是由于，向鋼纖維混凝土中摻加硅粉后，改善了鋼纖維與基體混凝土材料的界面性狀，使界面區(qū)得到強化，提高了界面粘結(jié)強度，形成鋼纖維與硅粉共同增強的復合效果[8]。同時，由于硅粉的火山灰效應和微填充效應，可以形成凝膠，填充鋼纖維與基體混凝土之間的空隙，因此提高了混凝土的密實程度，進一步提高混凝土的強度。與普通混凝土相比，硅粉鋼纖維混凝土的壓縮能力（28d）增加29.84%～51.88%，拉伸能力（28d）增加58.23%～60.67%。說明硅粉和鋼纖維的復合摻入可以協(xié)同增強混凝土的壓縮能力和拉伸能力。

圖1 混凝土力學性能Fig.1 Mechanical properties of concrete

圖1所示為本實驗混凝土壓縮強度和劈裂拉伸強度經(jīng)時變化情況。從圖1可以看出，鋼纖維混凝土的壓縮能力和拉伸能力隨著硅粉摻量的增加而增強。當硅粉摻量超過10%后，再加入硅粉對鋼纖維混凝土的壓縮強度和劈裂拉伸強度的增強作用趨于平緩。說明雖然硅粉可以增加鋼纖維和混凝土的粘結(jié)性能，增強混凝土的密實性、強度和延性。然而，當硅粉達到一定飽和度，增強能力就會減弱。因此，合理的控制硅粉添加量可以獲得經(jīng)濟效益和性能最佳的硅粉鋼纖維噴射混凝土。

2.3 抗?jié)B性能

抗?jié)B性是綜合反映混凝土的抗?jié)B和耐久性能的重要指標，良好的抗?jié)B性能既能夠有效減少水對噴射混凝土的侵蝕作用，同時也符合地下巖土工程防排水的要求。由表3 可知，普通混凝土的平均滲水深度是10.5cm，而鋼纖維混凝土的平均滲水深度是6.5cm，比普通混凝土減少了38.09%，而添加硅粉后的鋼纖維混凝土則比普通混凝土減少了49.52%～58.09%。說明鋼纖維和硅粉的摻入對噴射混凝土的抗?jié)B性有很大的提高。

分析噴射混凝土抗?jié)B性得到改良的原因，主要有以下3 個方面：①摻入鋼纖維后大幅度提升了噴射混凝土的拉伸性能，從而有效減少收縮裂縫的產(chǎn)生；②摻入鋼纖維后降低了噴射混凝土的失水面積，從而降低毛細管失水收縮產(chǎn)生的張力作用；③由于硅粉具有火山灰效應和微粉效應，摻入到噴射混凝土中可以填充水泥顆粒間的空隙。綜上，通過在混凝土中摻入鋼纖維和硅粉，降低了其孔隙率并且提高了密實度，因此顯著提升了噴射混凝土抗?jié)B性能。此外，加入高效減水劑，混凝土拌和物的和易性得到改善，減少了離析和泌水現(xiàn)象。水泥漿與集料界面的密實程度提高，混凝土強度提高，耐久性得到改善。

表3 混凝土抗?jié)B性Tab.3 Impermeability of concrete

從表3 可以看出，混凝土抗?jié)B性能隨著硅粉摻量的增加而提高。雖然硅粉能夠有效地提高混凝土的抗?jié)B性，然而當硅粉摻量在10%時，混凝土的抗?jié)B性能最佳，硅粉摻量再增加，抗?jié)B性能反而有所下降。說明過多的硅粉并不利于混凝土抗?jié)B性能的提高。

3 結(jié)語

1）在噴射混凝土中，鋼纖維的摻入降低了混凝土的坍落度，而硅粉對混凝土的坍落度有積極的作用。

2）鋼纖維對混凝土拉伸能力的提高更加顯著，而硅粉對混凝土壓縮能力的提高更加顯著。硅粉和鋼纖維的復合摻入可以協(xié)同增強混凝土的壓縮能力和拉伸能力。

3）當硅粉摻量超過10%后，對鋼纖維混凝土的抗壓強度和劈裂拉伸強度的增強作用不明顯。

4）鋼纖維和硅粉的摻入對噴射混凝土的抗?jié)B性有很大的提高。當硅粉摻量在10%時，混凝土的抗?jié)B性能最佳，過多的硅粉并不利于混凝土抗?jié)B性能的提高。