碳纤维增强混凝土巷道支护技术应力应变研究

陈 雷，马芹永

(1. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001; 2. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

长期以来，混凝土材料已经广泛应用于煤矿、隧道等地下工程中。然而随着煤矿开采深度的增加，巷道围岩的压力逐渐增长，变形量也随之增大，地质条件也更加复杂，导致混凝土支护结构出现了较严重的裂缝，甚至造成混凝土的剥落与掉块，丧失对围岩的封闭和支护作用，对煤矿的安全产生带来严重隐患[1-2]。因此，需要进一步提高混凝土抗裂与抗折性能，以适应更加复杂的地下空间条件，确保地下空间结构的安全性与稳定性[3]。

目前，国内外学者对增强混凝土抗裂、抗折性能进行了研究。文献[4]采用钢纤维增强混凝土材料的抗裂、抗折性能，但钢纤维具有易腐蚀的缺陷，反而加速了混凝土中裂缝的形成与扩展。文献[5]采用聚丙烯纤维增强混凝土材料性能，但改善作用不明显。文献[6]采用短切玄武岩纤维增强混凝土的力学性能，然而短切玄武岩纤维表面光滑，无法与混凝土之间形成足够的粘结力，阻碍了玄武岩纤维增强作用的发挥。虽然各类纤维在改善混凝土力学性能方面都有发挥一定的作用，但是也存在各自的缺陷[7-8]。

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料[9]。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。该材料质量远低于金属铁，但抗拉强度远高于钢材[10]。同时碳纤维材料还具有粘结强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，耐疲劳与耐腐蚀的特点[11]。因此，碳纤维复合材料有助于改善混凝土抗裂与抗折性能的不足[12]。试验通过预埋碳纤维网与碳纤维短切丝的方法改善混凝土拱的抗裂与抗折性能，着重分析碳纤维网的密度、布置层数与预埋位置以及碳纤维短切丝的长度与掺量对改善混凝土梁的改善作用。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)碳纤维网与碳纤维短切丝

试验采用的碳纤维网是由碳纤维束编织而成，其产品性能参数如表1所示。主要采取四种碳纤维网密度(240mm×240mm，120mm×120mm，80mm×80mm与40mm×40mm)，具体如图1所示。碳纤维网之间的结点采用碳纤维束绑扎，同时碳纤维束伸出边界结点30mm，用以保护结点。由于碳纤维网必须通过钢筋才能架立在混凝土内，因此本试验采用HPB235钢筋，直径6mm，钢筋网密度为240mm×240mm，其性能符合国家钢筋混凝土用钢(GB1499.1-2008)的标准[13]。碳纤维短切丝性能参数如表1所示，主要掺入不同比例(0.5%、1%、2%与4%)的碳纤维短切丝提高混凝土拱的抗裂性能。

图1 碳纤维网格形式

2)应变片与环氧AB胶

采用BX120-50AA混凝土应变片分析混凝土拱在荷载作用下的变形特征。试验采用的环氧AB胶由天津某化工科技有限公司提供，主要作用是将应变片平整牢固的粘贴在混凝土表面。

3)混凝土材料

试验采用P·O 32.5级普通硅酸盐水泥，其性能符合国家通用硅酸盐水泥(GB175)的标准[14]。试验用细骨料为中粗河砂，细度模数为2.8。粗骨料为碎石，饱和面干状态，连续级配，粒径范围5～20mm。试验用水为普通自来水。

1.2 试验方法

1)混凝土拱模型设计

依据淮北矿业集团某煤矿大巷实际情况，试验设计混凝土拱模型的总宽度2.7m，总高度2.15m，直墙高度0.8m，混凝土浇筑厚度为80mm。其中钢筋与碳纤维网居中放置，碳纤维短切丝均布掺入，沿巷道轴向取300mm长度(既混凝土拱试件高度300mm)，如图2所示。

图2 混凝土拱与应变片的粘贴

2)混凝土拱制备与养护

混凝土配合比如表2所示。A-1组作为对照组，仅加入了钢筋网。B-1至B-4组加入了不同密度的碳纤维网，用以研究碳纤维网对混凝土拱承载能力的增强作用。C-1至C-4组加入了不同掺量的碳纤维短切丝，用以研究碳纤维短切丝掺量对混凝土拱抗裂性能的增强作用。

混凝土拱的制备参照《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)的方法[15]。以试件D-2为例：首先将碳纤维网与钢筋网按照预定位置放入模具中。参照表3配合比，首先将水泥与碳纤维短切丝加入搅拌机并快速干拌30s，然后加入砂并再次快速干拌30s(确保碳纤维短切丝能够在混凝土中均匀分布)，最后加入碎石与水，先慢搅30s再快速搅拌60s并准备成型。试件的养护按照《混凝土强度检验评定标准》(GB/T50107-2010)中的养护方法进行。

3)应变片的粘贴与测试

按顺时针方向，在混凝土拱内表面9个位置顺序粘贴18个应变片，每个位置按照环向(沿着拱方向)与纵向(垂直拱方向)粘贴两个应变片，具体如图2所示。在混凝土拱加载前，将应变片的接线连接到全自动电阻应变监测记录仪(ASM1.0型)上。待加载后，应变仪自动记录各点的应变，直至应变片发生破坏。

4)混凝土拱加载试验

试验采用均布9个油压千斤顶进行加载，在荷载的作用下，混凝土拱表面首先出现了微裂缝(见图3(a)，矩形框标出)。随着荷载的不断增大，微裂缝不断扩展与延伸并形成贯通裂缝(见图3(b)，矩形框标出)。贯通裂缝不断汇集并进一步扩展,最终导致混凝土拱发生破坏。其中碳纤维网的拔出与拉断破坏(见图3(c)～(d)，圆形框标出)。

表2 混凝土配合比

图3 混凝土拱加载破坏过程

2 素混凝土拱应力应变分析

试件A-1的承载能力如表2所示。当荷载增加到5.7MPa，测点7附近出现明显的初裂缝。当荷载增加到8.6MPa，试件A-1发生破坏，可以看出，试件A-1的承载能力明显不足。由于混凝土是一种脆性材料，其抗折与抗裂性能远低于抗压性能，因此采用素混凝土进行巷道支护具有一定的安全隐患，必须增强混凝土的承载能力。

试件A-1环向应力应变曲线如图4 (a)示，测点1、2、3、6、7与8产生拉应变，而测点4、5与9产生负向压应变。当荷载在0～4MPa内增长时，各测点的应变缓慢增长。当荷载在4～6MPa内上升时，测点3与测点7应变的增速明显上升，而其他各测点仍保持缓慢增长，这说明在测点3与测点7的位置均出现了微裂纹，导致应变明显上升。随着荷载的进一步增长，测点7的应变迅速增长，而且远高于测点3，最终测点7达到应变最大值并发生破坏。

图4 素混凝土拱应力应变曲线

试件A-1纵向应力应变曲线如图4 (b)所示，混凝土拱纵向应变值明显低于环向应变值，纵向应变极限值仅约为环向应变极限值的1/6。这说明混凝土拱在承受荷载过程中产生的环向变形远高于纵向变形。测点2、3、4、7与8产生的是纵向拉应变，而测点1、5、6与9产生的是纵向压应变。可以看出，测点2、3、7与8的环向与纵向均为拉应变，而测点5与9的环向与纵向均为压应变，同时测点1与4环向与纵向应变符号各异。这说明每个测点的环向与纵向应变既可能是拉应变也可能是压应变，这与混凝土拱的受力状态、微观结构、裂缝的延伸与扩展有关。其次纵向应变增幅明显低于环向应变，同时纵向应变增长最快的点仍然是测点7，这进一步证明破坏点发生在测点7附近，因此，混凝土拱破坏点附近的环向与纵向应变最大。

3 碳纤维网增强混凝土拱应力应变分析

碳纤维网增强混凝土拱承载能力分析如表2所示。当掺入240mm×240mm碳纤维网，试件B-1的初裂荷载为5.8MPa，极限荷载为8.7MPa，与试件A-1相比没有明显增长。这是因为掺入的碳纤维网密度太小，无法起到明显的增强作用，所以试件B-1的承载能力没有明显提升。当掺入120mm×120mm碳纤维网，试件B-2的初裂荷载与极限荷载分别增长到6.0MPa与9.0MPa，比试件A-1分别提高了5.3%与4.7%，增幅仍不明显。当掺入40mm×40mm碳纤维网，试件B-4的初裂荷载与极限荷载分别增长到7.1MPa与11.6MPa，比试件A-1分别提高了24.6%与34.9%，增强效果显著。因此，碳纤维网的加入可以显著提高混凝土拱的承载能力，而且提升幅度随着碳纤维网密度的增大而增强。同时掺入碳纤维网对混凝土拱极限荷载的增强幅度高于初裂荷载。

(a, c, e, g)试件B-1、B-2、B-3与B-4环向应变; (b, d, f, h) 试件B-1、B-2、B-3与B-4纵向应变图5 碳纤维网增强混凝土拱应力应变曲线

碳纤维网增强混凝土拱应力应变分析如图5所示。当掺入240mm×240mm碳纤维网，试件B-1各测点应变增长的速度没有明显放缓，如图5(a，b)所示。这说明掺入240mm×240mm碳纤维网对混凝土承载能力的改善作用不明显，这也与试件B-1承载力研究结果相一致。然而，随着碳纤维网密度的增大，环向与纵向应变增长速率逐渐放缓。试件B-4(掺入40mm×40mm碳纤维网)环向与纵向应力应变曲线如图5(g，h)所示，当荷载在0～6MPa内增长时，环向与纵向应变一直没有明显上升。这说明碳纤维网的掺入显著提高了混凝土拱的抗拉强度，充分发挥出碳纤维网高强的抗拉性能，明显减缓混凝土拱在荷载作用下发生的变形。因此，碳纤维网的掺入显著提高了混凝土拱的承载能力。

通过对图4～图6中A、B与C组试件发生破坏的位置进行分析，9个混凝土拱的破坏位置分别集中在测点3、4、6与7附件。然而在混凝土拱的最高点(测点5)并没有一个试件发生破坏，而且在直拱位置(测点1、2、8与9)也没有一个试件发生破坏。说明最不利位置并不在最高点或是直墙处，而是在混凝土拱最高点的两侧，同时发生破坏的位置也不固定，这与混凝土拱在制备与养护过程中内部存在的缺陷以及加载过程中裂缝的扩展与延伸有关。

4 碳纤维短切丝增强应力应变分析

碳纤维短切丝增强混凝土拱承载能力如表2所示。当掺入0.5%的碳纤维短切丝，试件C-1的初裂荷载上升到7.5MPa，极限荷载增长到12.2MPa，比试件A-1分别提高了31.6%与41.9%。可以看出，掺入碳纤维短切丝可以继续增强混凝土拱的初裂荷载与极限荷载。这是因为碳纤维短切丝具有很高的抗拉强度(如表1所示)，可有效控制混凝土中微裂缝的产生、延伸与扩展，所以显著提高了混凝土拱的初裂荷载与极限荷载。

随着碳纤维短切丝掺量的提高，混凝土拱的承载能力持续提升。当碳纤维短切丝的掺量增长到2%，试件C-3的初裂荷载上升到8.5MPa，极限荷载增长到13.9MPa，比试件A-1分别提高了49.1%与61.6%。可以看出，提高碳纤维短切丝掺量可以持续提高混凝土拱的承载能力。这是因为混凝土拱单位体积内碳纤维短切丝的含量明显提升，单位体积内混凝土抗裂与抗拉能力得到明显改善，所以混凝土拱的初裂荷载与极限荷载不断提高。

然而，随着碳纤维短切丝掺量进一步提升，试件C-4(碳纤维短切丝的掺量为4%)的初裂荷载仅上升到8.6MPa，而极限荷载仅增长到14.0MPa，比试件C-3仅分别提高了1.2%与0.7%。这说明2%的掺量已经达到碳纤维短切丝改善混凝土拱承载能力的极限状态，即使继续增加碳纤维短切丝含量也无法明显提高混凝土拱的承载能力。

碳纤维短切丝增强混凝土拱应力应变分析如图6所示。试件C-1(掺入0.5%碳纤维短切丝)应力应变曲线如图6(a，b)所示。当荷载在0～7MPa内增长，各测点应变没有明显增长，而当荷载在7-12MPa内增长时，各测点应变才开始迅速提升，同时试件C-1发生破坏时的极限荷载也比试件B-4有明显提升，这说明碳纤维短切丝的掺入进一步提高了混凝土拱的抗变形能力。当荷载不断增加时，其首先必须将混凝土拱内部的碳纤维短切丝拉断才能继而使混凝土发生破坏，而碳纤维短切丝具备高强的抗拉性能，所以碳纤维短切丝的掺入显著提供了混凝土拱的承载能力。

(a, c, e, g)试件C-1、C-2、C-3与C-4环向应变; (b, d, f, h) 试件C-1、C-2、C-3与C-4纵向应变图6 碳纤维短切丝混凝土拱应力应变曲线

随着碳纤维短切丝掺量的提升，混凝土拱应变的增长速率进一步明显降低。当掺入2%碳纤维短切丝，试件C-3的应力应变曲线如图6(e，f)所示。可以看出，当荷载在0～10MPa内增长时，各测点应变都没有明显增长，而当荷载达到12 MPa时，各测点应变才开始迅速提升，而且当试件C-3的荷载达到14MPa时才出现极限破坏。这说明碳纤维短切丝含量的提高进一步增强了混凝土抵抗变形的能力，从而进一步提高其承载能力。随着碳纤维短切丝含量的进一步提升，试件C-4(掺入4%碳纤维短切丝)的应力应变曲线如图6(g，h)所示。可以看出，随着荷载的提升，试件C-4中各测点的应变比试件C-3没有进一步放缓，而且试件C-4的极限破坏应变也没有进一步提高。这说明在2%基础上进一步提高碳纤维短切丝的掺量无法继续改善混凝土的抗变形能力。因此，随着碳纤维短切丝掺量的提高，混凝土拱的承载能力没有进一步提升，这与试件C-4承载能力的试验分析结果相一致。

5 结论

(1)碳纤维网与碳纤维短切丝的掺入可以显著提高混凝土拱的承载能力，掺入40mm×40mm碳纤维网与2%的碳纤维短切丝的增强效果最佳。

(2)碳纤维网与碳纤维短切丝的掺入明显提高混凝土抵抗变形能力，延缓应变的增长并显著降低应变增长速率，明显提高混凝土拱的初裂与极限荷载。

(3)发生破坏的最不利位置在混凝土拱最高点的两侧，与混凝土拱内部缺陷与微裂缝的扩展与延伸有关。