改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應(yīng)用研究

滿奇斐

(河北省子牙河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

1 研究背景

對水利工程中的地下洞室建設(shè)而言，大埋深、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的工程不斷出現(xiàn)，而深部巖土體開挖中的圍巖大變形問題十分突出，給工程設(shè)計和建設(shè)帶來了諸多困擾[1]。對于圍巖大變形的控制問題，目前使用最為廣泛的是讓壓錨桿、可縮 U 型鋼支架、多次注漿等工程技術(shù)措施[2]。但是，普通混凝土由于受到自身特性的影響，不僅后期強度相對較低，且延展性較差，難以滿足圍巖大變形對支護結(jié)構(gòu)的力學性能要求，另一方面，普通混凝土容易產(chǎn)生開裂，并與圍巖裂隙相連形成諸多滲流通道，對襯砌支護結(jié)構(gòu)的耐久性構(gòu)成嚴重威脅[3]。由此可見，普通混凝土在力學性質(zhì)和耐久性方面存在諸多劣勢，難以滿足深部洞室工程以及圍巖大變形的支護需求[4]。隨著工程技術(shù)與工程材料學的迅速發(fā)展，諸多新型混凝土材料得到廣泛應(yīng)用并顯示出良好的工程效果。纖維混凝土即為一種新型混凝土材料，纖維的加入可以有效抑制混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，對混凝土的抗彎、韌性以及抗沖擊力等性能也有明顯的改善，從而有效提高了混凝土的抗?jié)B、放水以及抗凍性能[5]。在這一背景下，如何更好發(fā)揮纖維在混凝土中的作用，進一步提高纖維混凝土的整體性能，就成為當前工程界研究的重要課題。此次研究通過室內(nèi)和現(xiàn)場試驗的方式，探索改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應(yīng)用，力求為相關(guān)工程設(shè)計和建設(shè)提供有效的材料層面的支持。

2 材料與方法

2.1 原材料

水泥是改性聚丙烯纖維混凝土的主要膠凝材料，其性能將直接決定混凝土的性能[6]。此次研究采用的水泥為唐山水泥廠生產(chǎn)的“冀東”牌P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。經(jīng)檢驗，其各項性能指標滿足相關(guān)施工規(guī)范要求，可以用于試驗。在混凝土中添加一定數(shù)量的粉煤灰，可以對混凝土的整體性能產(chǎn)生一定的影響。本次試驗采用的是本溪市熱電廠生產(chǎn)的1 級粉煤灰。粗骨料也是混凝土的重要組成材料，其合理選擇將直接影響混凝土的強度，特別是抗壓強度，此次試驗選用的粗骨料是機制石灰?guī)r碎石，經(jīng)檢驗其級配完全滿足規(guī)范要求。試驗用細砂為河沙，其粒徑為0～4.75 mm，細度模數(shù)為2.65，表觀密度為2.67 g/cm3，含水量約2.0%，含泥量約1.2%。減水劑是混凝土制備中的常用添加劑，可以減少拌合用水量，提高混凝土的強度，此次研究采用的是大連市西卡建筑材料有限責任公司生產(chǎn)的聚羧酸類高效減水劑，其有效減水率約30%。試驗用水為普通自來水；試驗用纖維為改性聚丙烯纖維。

2.2 改性聚丙烯纖維的制作

改性聚丙烯纖維制作的主要原料如表1所示。其制作步驟為將聚丙烯纖維在丙酮中浸泡24 h，然后倒出丙酮，在60 ℃條件下對聚丙烯纖維進行烘干，獲得脫脂纖維；將獲得的脫脂纖維置于容器中，然后將馬來酸酐、二苯甲酮和二甲苯混合液倒入其中，在常溫條件下靜置30 min；將玻璃容器置于紫外燈箱中，利用紫外線照射20 min，然后靜置30 min。取出纖維用丙酮沖洗干凈，然后在60 ℃條件下烘干，即可獲得改性聚丙烯纖維。

表1 聚丙烯纖維制作原料

2.3 混凝土配合比

傳統(tǒng)混凝土的工程應(yīng)用十分廣泛，無論是選材還是配合比已經(jīng)十分成熟[7]。因此，在纖維混凝土的應(yīng)用方面仍舊以經(jīng)驗為主，結(jié)合具體材料的特點和試驗結(jié)論形成比較合理的設(shè)計方案。在此次研究中也按照上述思路，采用傳統(tǒng)的水泥混凝土配合比設(shè)計方案，并以纖維混凝土的技術(shù)特點進行必要的調(diào)整，最終提出一個相對可行的方案，具體的配合比設(shè)計如表2所示。

表2 改性聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計 kg·m-3

3 改性聚丙烯纖維混凝土支護應(yīng)用

3.1 現(xiàn)場試驗設(shè)計

為了評價改性聚丙烯混凝土在水工隧洞支護領(lǐng)域的應(yīng)用價值，研究中以某輸水隧洞為工程背景進行試驗研究。在背景工程開挖支護施工過程中，隨機選擇兩個試驗段進行對比實驗，每個試驗段的長度為100 m。其中，試驗段A采用普通混凝土支護，試驗段B采用的改性聚丙烯混凝土支護，其余支護設(shè)計完全相同。在每個試驗段上設(shè)計3個間隔為20 m的監(jiān)測斷面，將所有檢測斷面的監(jiān)測結(jié)果均值作為最終監(jiān)測結(jié)果。監(jiān)測的主要內(nèi)容為隧洞圍巖的表面位移和內(nèi)部應(yīng)力。其中，圍巖的變形監(jiān)測采用的是JSS30A型數(shù)顯收斂計，圍巖應(yīng)力監(jiān)測采用MYJ-10測力計[8]。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 位移試驗結(jié)果與分析

圍巖變形量監(jiān)測結(jié)果如表3所示。由表中結(jié)果可知，不同試驗段各個關(guān)鍵部位的位移量在支護完成之后均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化特征，且開始的增加速率較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定，在支護完成20 d后的變化量極為有限。從普通混凝土和改性聚丙烯混凝土的試驗結(jié)果對比來看，在其他條件相同時，改性混凝土支護的位移量明顯偏小。從40 d的最終試驗結(jié)果來看，改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的拱頂位移量與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小0.50 mm，減小了約10.12%；改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的拱腰位移量與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小1.92 mm，減小了約9.96%；改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的底板位移量與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小2.12 mm，減小了約10.00%。由此可見，采用聚丙烯混凝土時，支護結(jié)構(gòu)的最終位移量明顯減小。因此，采用聚丙烯混凝土可以有效控制圍巖位移，對保證工程的安全穩(wěn)定具有重要作用。

表3 圍巖變形監(jiān)測結(jié)果

3.2.2 應(yīng)力試驗結(jié)果與分析

不同試驗段的圍巖應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如表4所示。由表中的計算結(jié)果可知，不同試驗段各個關(guān)鍵部位的應(yīng)力在支護完成之后均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化特征，且開始的增加速率較大，之后逐漸趨于穩(wěn)定，在支護完成20 d后的變化量極為有限。從普通混凝土和改性聚丙烯混凝土的試驗結(jié)果對比來看，在其他條件相同時，改性混凝土支護的應(yīng)力值明顯偏小。從40 d的最終試驗結(jié)果來看，改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的拱頂應(yīng)力與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小0.67 MPa，減小了約12.05%；改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的拱腰應(yīng)力與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小1.27 MPa，減小了約11.98%；改性聚丙烯混凝土支護結(jié)構(gòu)的底板應(yīng)力與普通混凝土支護結(jié)構(gòu)相比減小1.07 MPa，減小了約11.99%。由此可見，采用聚丙烯混凝土時，支護結(jié)構(gòu)的最終應(yīng)力值明顯減小。因此，采用聚丙烯混凝土可以有效控制圍巖內(nèi)部應(yīng)力，對保證工程的安全穩(wěn)定具有重要作用。

表4 圍巖應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究利用試驗的方法，探討了改性聚丙烯纖維混凝土的制備與支護應(yīng)用，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)根據(jù)聚丙烯纖維的特點，提出了制備改性聚丙烯纖維的思路和工藝，提出了制備改性聚丙烯纖維混凝土的配合比。

(2)工程試驗結(jié)果顯示，使用改性聚丙烯纖維混凝土支護時，隧洞圍巖關(guān)鍵部位的位移量減小約10%左右，內(nèi)部用力減小約11%左右，對保證工程施工和運行安全具有重要意義。

(3)采用改性聚丙烯纖維混凝土并不會顯著抬升施工成本，但是在安全性方面具有明顯優(yōu)勢，建議在工程建設(shè)中根據(jù)實際情況選用。