聚丙烯纖維對高巖溫輸水隧洞噴射混凝土力學(xué)性能的影響

薛曉飛

(中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 東莞分公司，廣東 東莞 523321)

1 概 述

隨著水工建設(shè)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，大埋深地下洞室工程數(shù)量日漸增多。顯然，隧洞埋深的增加疊加地?zé)嵋蛩氐挠绊?，高低熱問題在長、大、深水工隧洞中普遍存在[1]。輸水隧洞中的高巖溫環(huán)境不僅會(huì)造成施工環(huán)境的惡劣，同時(shí)也會(huì)給噴射混凝土結(jié)構(gòu)造成損傷性影響，不利于隧洞的整體安全和穩(wěn)定[2]。因此，開展高巖溫水工隧洞襯砌混凝土性能研究具有十分重要的意義。

在噴射混凝土中摻入一定量的纖維，可以有效減少內(nèi)部缺陷，提高噴射混凝土的整體性能，特別是分散纖維和噴射混凝土中的漿體橋接，可以有效約束混凝土受拉邊緣以及裂縫尖端的力，從而有效提升噴射混凝土的強(qiáng)度和韌性[3]?？梢哉f，纖維的加入有效克服了素噴射混凝土的缺陷和不足，在促進(jìn)噴射混凝土發(fā)展方面起到重要作用[4]。就目前的實(shí)際情況來看，關(guān)于纖維對噴射混凝土性能的影響規(guī)律和增強(qiáng)機(jī)理的研究并不完善，特別是還沒有關(guān)于纖維對高巖溫條件下噴射混凝土性能的影響研究，這也限制了纖維噴射混凝土在高巖溫地下洞室工程中的應(yīng)用[5]?；诖耍疚倪x擇噴射混凝土中常用的聚丙烯纖維，通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討其對高巖溫噴射混凝土力學(xué)性能的影響。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)噴射混凝土的使用規(guī)范和要求，宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，且速凝劑需要與水泥材料相容，強(qiáng)度等級不小于42.5 MPa[4]。因此，本次研究選擇的是P.O42.5普通硅酸鹽水泥，并對水泥樣品的主要性能指標(biāo)進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。由表1可知，水泥材料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足試驗(yàn)要求，可以用于本次試驗(yàn)研究。

表1 水泥樣品主要性能指標(biāo)測定結(jié)果

混凝土中摻入一定量的粉煤灰，可以顯著提升水泥漿液的均質(zhì)性、致密性和強(qiáng)度。本次試驗(yàn)使用的粉煤灰為電廠Ⅱ級粉煤灰，其細(xì)度為20.6%，需水量比為100%，燒失量為1.58%，含水量為0.5%，各項(xiàng)檢測結(jié)果符合 C30 混凝土技術(shù)指標(biāo)。

噴射混凝土對細(xì)骨料的要求較高，需要使用細(xì)度模數(shù)不小于2.5的粗砂或中砂[5]。根據(jù)相關(guān)要求，本次研究選擇的是天然河沙，其細(xì)度模數(shù)為2.59，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。

噴射混凝土的粗骨料適合使用質(zhì)地堅(jiān)硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒徑不宜大于12 mm。本次研究選擇的人工石灰?guī)r碎石，質(zhì)地堅(jiān)硬，壓碎率小于2.3%，粒徑范圍為5.2～10 mm。

在噴射混凝土施工過程中，為了保證混凝土中的膠凝物質(zhì)可以迅速凝固，使噴射混凝土和圍巖盡快成為一體，往往需要加入速凝劑[6]。本次研究選擇的是KTA-08型速凝劑，其初凝時(shí)間為2.5 min，終凝時(shí)間為5.5 min，摻量為水泥用量的4%。

在噴射混凝土中加入纖維材料可以顯著提升其性能，這也是本次研究的主要目的。試驗(yàn)中選用的是聚丙烯纖維，長度19 mm，直徑18～48 μm，其主要技術(shù)指標(biāo)均符合《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 372-2016)規(guī)范要求。

試驗(yàn)中使用的減水劑為KTA-01聚羥酸效減水劑；試驗(yàn)用水為普通自來水。

2.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)的主要目的是探索高巖溫條件下聚丙烯纖維對噴射混凝土力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)中，選擇水工隧洞施工常用的C40噴射混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其塌落度為160～200 mm。結(jié)合相關(guān)研究成果和聚丙烯纖維在水工噴射混凝土領(lǐng)域的工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 kg/m3共6種不同的聚丙烯纖維摻量率進(jìn)行試驗(yàn)。各試驗(yàn)方案的配合比見表2。

表2 各試驗(yàn)方案每立方米材料用量 /kg

2.3 試驗(yàn)方法

結(jié)合國內(nèi)外研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，在噴射混凝土制作時(shí)采用二次攪拌工藝[1]。為了模擬噴射混凝土施工過程中的高巖溫情況，試驗(yàn)中選擇長2.4 m、寬1.2 m、厚約12 cm的砂巖板，利用在其下部設(shè)置電阻絲加熱的方式提高巖板的溫度，同時(shí)通過調(diào)整電阻絲的功率以及與巖板的距離進(jìn)行溫度控制，使巖板的上表面溫度分別保持在40℃、60℃和80℃，以模擬不同溫度水平的高溫圍巖巖體。試件的制作采用TK700濕噴機(jī)進(jìn)行濕噴作業(yè)。在噴射混凝土的養(yǎng)護(hù)過程中，為了避免濕度因素對試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，養(yǎng)護(hù)濕度保持為95%以上。對養(yǎng)護(hù)至28 d齡期的噴射混凝土利用紅外線全自動(dòng)橋式切割機(jī)進(jìn)行切割，制作成適合力學(xué)性能測試需要的試件進(jìn)行試驗(yàn)。

對養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期的噴射混凝土試件，利用FTC-2000力學(xué)萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。對高巖溫輸水隧洞噴射混凝土而言，抗裂性能十分重要。結(jié)合相關(guān)研究成果和本文的研究目的，采用的混凝土抗裂性能評價(jià)指標(biāo)為：

(1)

式中：k為抗裂性能指數(shù)；εp為混凝土極限拉伸值；ft為混凝土抗拉模量，MPa；σz為混凝土預(yù)壓應(yīng)力，MPa；E為混凝土彈性模量，MPa；εd為混凝土干縮值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

對不同聚丙烯纖維摻量方案下28 d齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，巖溫是噴射混凝土強(qiáng)度的重要影響因素，噴射混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨著巖溫的升高而迅速降低。由此可見，在高巖溫輸水隧洞開挖施工過程中，采取必要的工程措施降低巖溫對噴射混凝土的影響具有重要意義。另外，在巖溫相同的條件下，摻加聚丙烯纖維方案的抗壓強(qiáng)度值均大于未摻加聚丙烯纖維方案的抗壓強(qiáng)度值。因此，在噴射混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維，可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度。

以表3中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，抗壓強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的變化曲線見圖1。從圖1可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增加后減小的變化特點(diǎn)；且聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時(shí)，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度值達(dá)到最大。究其原因，主要是在摻加聚丙烯纖維的條件下，噴射混凝土的整體性會(huì)得到有效增強(qiáng)，因此抗壓強(qiáng)度值會(huì)顯著提高。但是，過量摻入聚丙烯纖維會(huì)給混凝土的拌制帶來一定的難度，很難避免聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部的聚團(tuán)現(xiàn)象，因此抗壓強(qiáng)度值會(huì)有所下降。

圖1 抗壓強(qiáng)度變化曲線

3.2 抗折強(qiáng)度

在不同聚丙烯纖維摻量方案下，對噴射混凝土試件在不同養(yǎng)護(hù)溫度條件下的28 d齡期抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與抗壓強(qiáng)度類似，巖溫也是噴射混凝土抗折強(qiáng)度的重要影響因素，抗折強(qiáng)度值隨著圍巖巖溫的升高而迅速下降。另一方面，摻加聚丙烯纖維噴射混凝土的抗折強(qiáng)度值明顯偏大，說明在高巖溫噴射混凝土中摻加聚丙烯纖維有助于提升其抗折強(qiáng)度。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，摻加0.6 kg/m3時(shí)，噴射混凝土的抗折強(qiáng)度值最大。與抗壓強(qiáng)度不同的是，圍巖巖溫越高，摻加聚丙烯纖維對提升噴射混凝土抗折強(qiáng)度的作用越強(qiáng)。例如，當(dāng)圍巖巖溫為80 ℃時(shí)，摻加0.6 kg/m3聚丙烯纖維的噴射混凝土抗折強(qiáng)度為6.76 MPa，與未摻加聚丙烯纖維方案的抗折強(qiáng)度4.53 MPa相比，提高了約49.23%；而圍巖溫度為40℃時(shí)，僅增加約8.28%。由此可見，摻加聚丙烯纖維對提高高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗折強(qiáng)度效果更佳，具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。為了直觀呈現(xiàn)抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，繪制噴射混凝土抗折強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線，見圖2。

圖2 抗折強(qiáng)度隨粉煤灰取代率變化曲線

3.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，劈裂抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度類似。首先，劈裂抗拉強(qiáng)度值隨著圍巖巖溫的升高而迅速下降。其次，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出先迅速增加后不斷下降的變化趨勢，當(dāng)摻加0.6 kg/m3時(shí)，噴射混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度值最大。最后，圍巖巖溫越高，摻加聚丙烯纖維對提升噴射混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的作用越強(qiáng)。噴射混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量變化曲線見圖3。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

3.4 抗裂性能

根據(jù)試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，對不同聚丙烯纖維摻量條件下噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表6。

表6 抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，聚丙烯纖維的摻入可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗裂性能。具體來看，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)呈現(xiàn)出先迅速增加后小幅下降的變化特點(diǎn)。當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m3時(shí)，噴射混凝土的抗裂性能指數(shù)最大，可以獲得最佳的抗裂效果。其變化曲線見圖4。

圖4 抗裂性能指數(shù)變化曲線

4 結(jié) 論

本次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討了聚丙烯纖維對高巖溫噴射混凝土性能的影響，結(jié)論如下：

1) 巖溫是噴射混凝土性能的重要影響因素。巖溫越高，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗裂性能指數(shù)越小。

2) 聚丙烯纖維的摻入，可以有效提升高巖溫環(huán)境下噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗裂性能指數(shù)，且?guī)r溫越高，對抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果越好。

3) 隨著聚丙烯纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗裂性能指數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。

4) 當(dāng)聚丙烯纖維的摻量為0.6 kg/m3時(shí)，噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度以及抗裂性能指數(shù)最大，為最佳摻加量。