岩土工程中硅粉和钢纤维对喷射混凝土性能的影响实验

闫嘉庆，宿晓辉，吴际渊

（山西冶金岩土工程勘察有限公司，太原 030002）

随着我国大力开展基础设施建设，岩土工程的建设任务愈加繁重。由于岩土工程中地下结构工作环境的复杂性，因此正确地认识地质环境条件，合理地进行地下结构体系设计和施工，保证支护结构的稳定性就十分关键。喷射混凝土施工法是地下工程中常用的支护形式[1]。由于不同材料组成对喷射混凝土的工作性能影响很大，因此通过改进喷射混凝土材料来提高其支护性能的相关研究有着重要意义。

纵观混凝土支护技术的发展进程，在早期阶段多采用素混凝土加钢筋网技术，其缺点在于实施时工序繁琐。不仅需要对施工岩体的表面进行预先处理，还需要架设金属网，而在后续喷射混凝土时常常因为金属网的阻挡而产生空洞，从而较大程度上降低了施工岩体与混凝土之间的粘结程度，难以达到预期的支护性能。

在新型复合支护材料中，通过在普通喷射混凝土中掺入钢纤维制成的钢纤维喷射混凝土（SFRS），在混凝土原有性能基础上大幅度提升了其延性，从而在抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击以及抗疲劳等方面表现优异。另外，相关研究发现混凝土中掺入硅粉后，能够通过硅粉的火山灰效应与微填充效应来达到提升混凝土压缩强度等性能的作用。综上所述，掺入钢纤维和硅粉后会改变混凝土的延性、密实度等，本文将对此展开实验研究，探讨如何结合钢纤维和硅粉两者优点来改良喷射混凝土性能的问题。

1 材料与方法

1.1 原材料

本文实验所用普通硅酸盐水泥采用云南大理红山水泥有限公司的红山岩P.O 42.5水泥；钢纤维采用成都金宇盛世建材有限公司的30mm×0.5mm钢纤维；硅粉采用云南石晶硅业有限公司的硅粉；粗骨料采用花岗岩碎石，石料级配为一级配，最大公称粒径为20mm；细骨料采用天然河砂，其细度模数为2.79，吸水率为0.4%，属于中砂；减水剂采用昆明市百强建筑材料厂生产的早强高效减水剂，减水率为15%~20%；水采用自来水（水灰比0.48）。

1.2 配合比

相关研究结果证明，钢纤维喷射混凝土的最佳掺量范围在1%~1.5%。据此，本实验依照素混凝土基准配比，分别选取0%、5%、10%、15%、20%硅粉以及1%体积率钢纤维，以表1所示的6组不同配合比进行实验。

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

1.3 性能测试

1.3.1 坍落度

在实验室按设计配合比试配喷射混凝土，测定混凝土坍落度。将新拌混凝土倒入标准塑模并用振捣棒振捣密实，用塑料薄膜封口并养护24h后拆模，在标准养护室内养护28d，静置90d后试验。

1.3.2 力学性能

力学性能实验参考《普通混凝土力学性能试验方法标准GB/T 50081-2019》规范。实验在2000KN 压力试验机上进行，试块标准为150mm×150mm×150mm，以6个试件作为一组，在温度（20±2）℃，相对湿度大于90%环境下养护28d后，测定所有试件压缩强度并取每组平均值作为最终测定结果，以此方法控制离散程度。

1.3.3 抗渗性能

抗渗性能实验参考《水工混凝土试验规程》（DL/T5150-2001）[5]的标准，采用规格为175mm×185mm×150mm 标准圆台体，试块以6 个为一组，标准养护28d后进行试验。试验从0.1MPa水压开始，以后每隔8h 增加0.1MPa 水压，直至半数以上试件出现端面渗水现象时，取当前水压数值作为实验结果。

2 结果与讨论

2.1 坍落度

为了满足喷射施工的和易性要求，湿喷混凝土的坍落度控制为（160±20）mm。由表1 可知，在素混凝土中加入钢纤维后，混凝土的塌落度产生了较大的降幅。说明钢纤维的掺入降低了混凝土的坍落度。这可能是由于钢纤维在混凝土里面形成了立体网状结构支撑着混凝土，阻碍混凝土的流动，增加了混凝土的摩擦力[6]。在钢纤维混凝土中再掺入硅粉，从表1 可知，随着硅粉掺量的增加，钢纤维混凝土的坍落度却呈现增长的趋势，说明硅粉对混凝土的坍落度有积极的作用。这可能是由于硅粉增加了拌和物的粘稠性。

2.2 力学性能

从表2 所示混凝土力学性能实验结果可以发现：掺入钢纤维后，混凝土压缩性能提升幅度为11.68%，拉伸性能提升幅度为47.87%。该结果证明掺入钢纤维能够小幅度改善混凝土压缩性能，并且较大程度改善混凝土的拉伸性能。分析其原因，主要是因为相比混凝土而言，钢纤维具有极佳拉伸强度和弹性模量等特点。当混凝土受荷载作用而变形时，其中的钢纤维开始承受拉应力作用，从而发挥其特点。由此也可得出，钢纤维与混凝土两者间的粘结力也对拉伸性能有所影响。

表2 混凝土力学性能Tab.2 Mechanical properties of concrete

从表2可知，向钢纤维混凝土中掺入硅粉可以进一步提高混凝土的压缩能力和拉伸能力。与钢纤维混凝土相比，硅粉钢纤维混凝土的压缩能力（28d）增 加16.26% ～35.99% ， 拉 伸 能 力（28d） 增 加7.01%～8.66%。说明硅粉对钢纤维混凝土压缩能力的提高更加显著。这可能是由于，向钢纤维混凝土中掺加硅粉后，改善了钢纤维与基体混凝土材料的界面性状，使界面区得到强化，提高了界面粘结强度，形成钢纤维与硅粉共同增强的复合效果[8]。同时，由于硅粉的火山灰效应和微填充效应，可以形成凝胶，填充钢纤维与基体混凝土之间的空隙，因此提高了混凝土的密实程度，进一步提高混凝土的强度。与普通混凝土相比，硅粉钢纤维混凝土的压缩能力（28d）增加29.84%～51.88%，拉伸能力（28d）增加58.23%～60.67%。说明硅粉和钢纤维的复合掺入可以协同增强混凝土的压缩能力和拉伸能力。

图1 混凝土力学性能Fig.1 Mechanical properties of concrete

图1所示为本实验混凝土压缩强度和劈裂拉伸强度经时变化情况。从图1可以看出，钢纤维混凝土的压缩能力和拉伸能力随着硅粉掺量的增加而增强。当硅粉掺量超过10%后，再加入硅粉对钢纤维混凝土的压缩强度和劈裂拉伸强度的增强作用趋于平缓。说明虽然硅粉可以增加钢纤维和混凝土的粘结性能，增强混凝土的密实性、强度和延性。然而，当硅粉达到一定饱和度，增强能力就会减弱。因此，合理的控制硅粉添加量可以获得经济效益和性能最佳的硅粉钢纤维喷射混凝土。

2.3 抗渗性能

抗渗性是综合反映混凝土的抗渗和耐久性能的重要指标，良好的抗渗性能既能够有效减少水对喷射混凝土的侵蚀作用，同时也符合地下岩土工程防排水的要求。由表3 可知，普通混凝土的平均渗水深度是10.5cm，而钢纤维混凝土的平均渗水深度是6.5cm，比普通混凝土减少了38.09%，而添加硅粉后的钢纤维混凝土则比普通混凝土减少了49.52%～58.09%。说明钢纤维和硅粉的掺入对喷射混凝土的抗渗性有很大的提高。

分析喷射混凝土抗渗性得到改良的原因，主要有以下3 个方面：①掺入钢纤维后大幅度提升了喷射混凝土的拉伸性能，从而有效减少收缩裂缝的产生；②掺入钢纤维后降低了喷射混凝土的失水面积，从而降低毛细管失水收缩产生的张力作用；③由于硅粉具有火山灰效应和微粉效应，掺入到喷射混凝土中可以填充水泥颗粒间的空隙。综上，通过在混凝土中掺入钢纤维和硅粉，降低了其孔隙率并且提高了密实度，因此显著提升了喷射混凝土抗渗性能。此外，加入高效减水剂，混凝土拌和物的和易性得到改善，减少了离析和泌水现象。水泥浆与集料界面的密实程度提高，混凝土强度提高，耐久性得到改善。

表3 混凝土抗渗性Tab.3 Impermeability of concrete

从表3 可以看出，混凝土抗渗性能随着硅粉掺量的增加而提高。虽然硅粉能够有效地提高混凝土的抗渗性，然而当硅粉掺量在10%时，混凝土的抗渗性能最佳，硅粉掺量再增加，抗渗性能反而有所下降。说明过多的硅粉并不利于混凝土抗渗性能的提高。

3 结语

1）在喷射混凝土中，钢纤维的掺入降低了混凝土的坍落度，而硅粉对混凝土的坍落度有积极的作用。

2）钢纤维对混凝土拉伸能力的提高更加显著，而硅粉对混凝土压缩能力的提高更加显著。硅粉和钢纤维的复合掺入可以协同增强混凝土的压缩能力和拉伸能力。

3）当硅粉掺量超过10%后，对钢纤维混凝土的抗压强度和劈裂拉伸强度的增强作用不明显。

4）钢纤维和硅粉的掺入对喷射混凝土的抗渗性有很大的提高。当硅粉掺量在10%时，混凝土的抗渗性能最佳，过多的硅粉并不利于混凝土抗渗性能的提高。