隧道高性能支护喷射纤维混凝土配比试验研究

2021-10-11霍建勋林传年

铁道标准设计 2021年10期

霍建勋，林传年，刘喆

(中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

引言

川藏铁路被称为世界上最难建的铁路，全线隧道共计198座，总长1 223.451 km，占线路总长的70.2%；特长隧道46座，长724.441 km[1-3]。隧道建设面临软岩大变形、高烈度、高地应力、岩爆等工程难题，如何有效提高复杂环境下的山区隧道结构服役性能和使用寿命是各方学者研究重点。

高强纤维喷射混凝土因其物理力学性能的优越性被广泛运用到隧道、边坡、基坑等支护工程[4]，但由于目前对于高强纤维喷射混凝土外掺纤维可供选择的种类较多且没有相应的配合比规范，导致在实际工程中高强纤维混凝土配制效果较差。

由于纤维掺量和种类的组合复杂多变性，导致现有的研究成果存在较大的差异。赵顺波[5]通过实验研究等体积钢纤维替代粗骨料后钢纤维高强混凝土的力学性能，结果表明：当钢纤维体积率不大于2%时，新拌钢纤维混凝土工作性能满足要求；夏冬桃[6]通过实验研究混杂纤维喷射混凝土的弯曲韧性，得到掺入1.2%钢纤维和0.11%聚丙烯纤维的试件弯曲韧性提高了18%；李秋义[7]通过实验研究得出了钢纤维混凝土的最佳用水量及最佳砂率；杨智硕[8]通过实验研究玄武岩纤维掺量对超高强混凝土的力学性能影响，分析得到玄武岩纤维外掺量为2 kg/m3是最优的；张长林[9]研究短切玄武岩纤维对纤维混凝土力学性能的影响，实验结果表明短切玄武岩纤维掺入混凝土后会降低混凝土流动性；张志彪等[10]研究不同掺量钢纤维对混凝土抗拉疲劳性能的影响，得出钢纤维体积率1.0%混凝土抗疲劳性能更好；黄雪林等[11]研究单掺PVA纤维、单掺UPE纤维以及两者混合掺入对混凝土强度的影响，得出混合纤维(UPE和PVA纤维体积掺量1∶1)混凝土较经济，综合力学性能最高；焦红娟等[12]通过试验研究发现复掺纤维比单纯的仿钢纤维和钢纤维混凝土有更好的韧性和延性，更适合于隧道喷射混凝土工程；王志杰[13-15]研究了混杂复合纤维对高性能混凝土断裂性能的影响，分析得到了试验中双掺的最佳配比，混杂复合纤维可大大提高纤维混凝土耐久性。

综上分析可以看出，目前对于高强纤维混凝土已取得了一定的研究成果，但大多研究成果仅针对单一种类的纤维或固定力学性能进行研究且对于高强纤维喷射混凝土配合比的研究相对匮乏，缺乏系统性分析多种纤维材料、纤维混杂对高强纤维喷射混凝土的性能影响及配合比研究。

高性能喷射混凝土强度等级一般在C30以上，具有较高强度和较强耐久性。JGJT 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》中规定，钢纤维喷射混凝土水泥用量不应小于400 kg/m3，硅灰掺量不宜大于12%，水胶比不宜大于0.45，外加剂和矿物掺和料掺量应通过试验确定。川藏铁路隧道拟采用主动支护体系，高强纤维喷射混凝土可提高混凝土强度及弯拉韧度，增强抗冲击能力和对裂缝的控制，可很好适用于在川藏铁路复杂地质环境。在基准配合比上，采用室内试验对单掺端钩型钢纤维、聚丙烯纤维、波纹型钢纤维、仿钢纤维以及复掺纤维对高性能喷射混凝土抗压、抗折、弯曲韧性等力学性能的影响规律进行研究，并提出高强纤维喷射混凝土的最优配合比方案，以期对川藏铁路隧道高强纤维喷射混凝土的使用提供技术支撑。

1 配合比设计及试验方案

1.1 配合比设计

喷射混凝土配合比设计较普通混凝土设计更为特殊，既要考虑强度、耐久性等主要指标要求，又要考虑喷射混凝土施工工艺对混凝土密实性及速凝剂凝结硬化结构的影响。喷射混凝土配合比设计要确定材料性能目标，一般用于喷射混凝土中的是C3S和C3A等含量较高，强度等级不小于P.O42.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；粗骨料选用公称粒径≯16.0 mm的连续级配碎石、卵石或混合碎卵石；细骨料一般选用细度模数>2.5的山砂或河砂；纤维品种、规格、质量应符合设计要求，具有良好的分散性，不结团，不得有妨碍纤维与混凝土黏结的杂质；减水剂掺量一般取水泥质量的0.5%～1.5%。

强度作为高性能喷射混凝土的重要指标之一，主要影响因素有水胶比、喷射成型密实效果、速凝剂强度折减情况、环境温度和养护条件等。本次研究主要从喷射混凝土自身材料组成出发，对喷射混凝土的抗压强度、抗折强度及抗弯韧性进行研究。

1.2 试验原材料

1.2.1 水泥

结合川藏铁路工程实际和现行GB175—2007《通用硅酸盐水泥》[16]规定，本次试验水泥采用强度等级为42.5和52.5两种水泥进行试验，水泥主要参数见表1。

表1 试验水泥主要参数

1.2.2 硅粉

硅粉物理性能如表2所示，符合现行规范GB/T 27690—2011《砂浆和混凝土用硅灰》[17]要求。

表2 硅粉主要物理参数

1.2.3 骨料

本次试验粗骨料采用符合连续级配要求的石灰岩质5～10 mm粒径碎石，细骨料采用石灰岩质机制砂，具体性能指标见表3、表4。

表3 粗骨料主要性能指标

表4 细骨料主要性能指标

1.2.4 减水剂

本次试验选用两种不同聚羧酸系高性能减水剂，其主要性能指标见表5。

表5 减水剂主要性能指标

1.2.5 速凝剂

本试验采用SBT®-N(Ⅱ)液体无碱速凝剂及ANS-AF液体无碱速凝剂，两种速凝剂性能指标见表6。

表6 SBT®-N(Ⅱ)液体无碱速凝剂性能指标

1.2.6 纤维

据调研，目前纤维喷射混凝土主要采用添加钢纤维、聚丙烯纤维、仿钢纤维等。因此，本研究选用端钩型钢纤维、聚丙烯纤维、波纹型钢纤维、仿钢纤维开展研究，各纤维主要性能指标见表7。

表7 不同纤维性能指标

1.3 试验工况

本次试验依据室内适配试验，不断微调配合比参数，使得混凝土保持良好的工作状态，坍落度为160～200 mm，且已满足喷射混凝土的流动性需求。最终确定了不掺纤维的喷射混凝土基准配合比，如表8所示，其中水胶比为0.37，砂率为51%。

表8 基准配合比 kg/m3

在基准配合比基础上，掺入不同种类、不同掺量的纤维进行试件制备以及对各工况试件进行力学性能试验。为研究钢纤维与其他纤维复掺对喷射混凝土性能的影响，选取端钩型钢纤维复掺聚丙烯纤维和高强仿钢纤维进行研究，各试验工况如表9～表11所示。

表9 单掺试验工况

表10 复掺试验工况

表11 弯曲韧性试验工况

同时在制备试件时，通过调整减水剂和速凝剂掺量，保持掺入纤维后体积增加量按砂率不变原则，从砂石骨料中扣除，根据纤维的掺加量，对减水剂用量进行调整，使其保持相似的工作性。

1.4 试验方法

1.4.1 混凝土试件制备

为最大限度还原实际工程，混凝土采用立式平口搅拌机进行搅拌，搅拌完成后倒入TK700型湿喷机料斗，开动湿喷机并调整进风阀门使工作风压保持在0.3～0.5 MPa，将混凝土喷射入550 mm×450 mm×120 mm的大板内。试件成型过程如图1所示。

图1 大板喷射过程

混凝土大板成型后，将其置于标准养护室养护24 h后脱模，继续养护至试验龄期。当大板达到试验条件之后分别制成棱柱体试件和圆柱体试件，试件制作过程如图2所示。

图2 切割与钻孔过程

1.4.2 力学性能试验方法

(1)抗压及抗折强度试验

抗压强度试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件；抗折强度试验采用直径100 mm、高100 mm的圆柱体试件，试验过程如图3所示。

图3 抗压抗折强度试验

(2)弯曲韧性试验

弯曲韧性试验采用100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试件。为使试件中部形成纯弯段，采用四分点加载，加载控制方式为位移控制，加载速率为L/3 000 mm/min，其中，L为支座间跨度。试件变形挠度采用静态应变测试仪进行测定，试验装置如图4所示。

图4 弯曲韧性试验

2 单掺纤维抗压、抗折强度

2.1 端钩型钢纤维

根据试验工况，端钩型钢纤维掺量分别为0，10，20，30 kg/m3，通过对单掺端钩型钢纤维(DD)各龄期抗压强度进行试验记录，得到单掺端钩型钢纤维喷射混凝土抗压强度随龄期发展规律，如图5所示。

图5 不同配比端钩型钢纤维喷射混凝土强度发展规律

由图5可知，各掺量配比下端钩型钢纤维喷射混凝土强度3 d龄期较1 d龄期时抗压强度提高显著，龄期3～28 d的抗压强度增长较缓，且掺入端钩型钢纤维组较未掺端钩型钢纤维组龄期3～28 d的抗压强度增长幅度更大。

当以掺量为控制变量时，端钩型钢纤维不同掺量对喷射混凝土抗压强度影响如图6所示。

图6 端钩型钢纤维掺量对喷射混凝土抗压强度的影响

由图6可知，钢纤维掺量为10 kg/m3时较钢纤维掺量为0 kg/m3时在各龄期均有较大增长，分别提升了117.0%、25.3%、44.4%；钢纤维掺量20 kg/m3与30 kg/m3时，与10 kg/m3掺量对喷射混凝土抗压强度基本相同。由此可知，钩型钢纤维掺量从0 kg/m3增加到10 kg/m3时，各龄期喷射混凝土的抗压强度增长明显，掺量继续增加对各龄期喷射混凝土抗压强度影响不大。

不同端钩型钢纤维掺量下喷射混凝土的抗折强度试验结果如图7所示。

图7 端钩型钢纤维掺量对喷射混凝土28 d抗折强度的影响

由图7可知，随着端钩型钢纤维掺量增加，喷射混凝土抗折强度提升显著，基本呈线性增长。当纤维掺量为10，20，30 kg/m3时，28d抗折强度分别为6.6，7.5，8.8 MPa，较未掺钢纤维分别提升了10%、25%、46.7%。

2.2 波纹型钢纤维

根据试验工况，波纹型钢纤维掺量分别为0，20，30 kg/m3，通过对单掺波纹型钢纤维(DB)各龄期抗压强度进行试验记录，得到单掺波纹型钢纤维喷射混凝土抗压强度随龄期发展规律，如图8所示。

图8 不同配比波纹型钢纤维喷射混凝土强度发展规律

由图8可知，掺加波纹型钢纤维表现出与掺加端钩型钢纤维类似的强度发展规律，且当波纹型钢纤维掺量由20 kg/m3提升到30 kg/m3时，抗压强度提升较小。

以掺量为变量，研究不同波纹型钢纤维掺量对喷射混凝土抗压强度的影响，试验结果如图9所示。

图9 波纹型钢纤维掺量对喷射混凝土抗压强度的影响

由图9可知，当波纹型钢纤维掺量从0增加到20 kg/m3时，各龄期波纹型钢纤维喷射混凝土的抗压强度增长明显，从20 kg/m3增加到30 kg/m3时，对抗压强度的增长有限。纤维掺量为20 kg/m3时，相较于未掺加纤维在各龄期分别提升了135%、40%、52%，纤维掺量为30 kg/m3时，相较于纤维掺量为20 kg/m3在各龄期分别提升了7%、3%、8%。

对于不同波纹型钢纤维掺量对喷射混凝土抗折强度的影响，试验结果如图10所示。

图10 波纹型钢纤维掺量对喷射混凝土28 d抗折强度的影响

由图10可知，波纹型钢纤维的掺入显著增加了喷射混凝土抗折强度，波纹型钢纤维掺量为20 kg/m3的喷射混凝土28 d抗折强度相较于纤维掺量为0时提升了38.3%，随着波纹型钢纤维的掺量增加，抗折强度得到进一步提升，但提升效果有限，波纹型钢纤维掺量为30 kg/m3相较于纤维掺量为20 kg/m3的28 d抗折强度仅提升了3.6%。

2.3 高强仿钢纤维

根据试验工况表9，高强仿钢纤维掺量分别为0，3.8，7.6 kg/m3，通过对单掺高强仿钢纤维(DF)各龄期抗压强度进行试验记录，得到单掺高强仿钢纤维喷射混凝土抗压强度随龄期发展规律，如图11所示。

图11 不同配比高强仿钢纤维喷射混凝土强度发展规律

由图11可知，3.8 kg/m3掺量下，1 d与3 d抗压强度分别达到了28 d的46.7%、70.1%；7.6 kg/m3掺量下，1 d与3 d抗压强度分别达到了28 d的52.8%、79.5%。

以掺量为变量，研究不同高强仿钢纤维掺量对喷射混凝土抗压强度的影响，试验结果如图12所示。

图12 高强仿钢纤维掺量对喷射混凝土抗压强度的影响

由图12可知，当高强仿钢纤维掺量从0增加到3.8 kg/m3时，各龄期喷射混凝土的抗压强度增长显著，高强仿钢纤维掺量从3.8 kg/m3增加到7.6 kg/m3，各龄期喷射混凝土的抗压强度又有了进一步提升，但提升幅度有限。当纤维掺量为3.8 kg/m3时，相较于不掺加纤维，在各龄期分别提升了106.0%、13.8%、45.6%；当纤维掺量增加到7.6 kg/m3时，相较于纤维掺量为3.8 kg/m3时，在各龄期分别提升了20.4%、20.7%、6.4%。

对于不同高强仿钢纤维掺量喷射混凝土28d的抗折强度，实验结果如图13所示。

图13 高强仿钢纤维掺量对喷射混凝土28 d抗折强度的影响

由图13可知，28 d抗折强度随高强仿钢纤维的掺量增加先上升后下降，当纤维掺量为3.8 kg/m3时，28 d抗折强度为7.2 MPa，相较于未掺加纤维提升了20%，而纤维掺量为7.6 kg/m3时，28 d抗折强度为6.7 MPa，相较于纤维掺量3.8 kg/m3的喷射混凝土28 d抗折强度下降了6.9%，但仍高于未掺纤维。

2.4 聚丙烯纤维

由于聚丙烯纤维材料本身的特性，随着龄期的变化对喷射混凝土抗压强度影响较小，本次试验不给予考虑，仅考虑聚丙烯纤维掺量对于喷射混凝土抗压、抗折强度的影响，当聚丙烯纤维掺量为0，0.3，0.6 kg/m3时，试验结果如图14、图15所示。

图14 聚丙烯纤维掺量对喷射混凝土28 d抗压强度的影响

图15 聚丙烯纤维掺量对喷射混凝土28 d抗折强度的影响

由图14可知，聚丙烯纤维的掺入可提高抗压强度，但增强效果随掺量增加并不明显。纤维掺量为0.3，0.6 kg/m3的聚丙烯纤维喷射混凝土28 d抗压强度相较于纤维掺量为0时分别增加了52.3%、54.7%。由图15可知，聚丙烯纤维对喷射混凝土抗折强度无明显的提升作用。当纤维掺量为0，0.3，0.6 kg/m3时，聚丙烯纤维喷射混凝土的抗折强度为6.0，6.0，6.1 MPa。

2.5 单掺试验综合分析

根据上述4种单掺纤维的试验结果分析可知，不同纤维不同掺量对于喷射混凝土抗压强度影响主要集中在龄期前3 d，对于3～28 d抗压强度提升相对较小。分析各纤维掺量对于喷射混凝土抗折强度影响试验结果可知，端钩型钢纤维、波纹型钢纤维对喷射混凝土抗折强度提升较大；高强仿钢纤维随高强仿钢纤维的掺量增加先上升后下降，在掺量3.8 kg/m3发生转折；聚丙烯纤维对喷射混凝土抗折强度无明显提升作用。

为更好地探究各单掺纤维对喷射混凝土力学性能的影响，结合上述试验结果将端钩型钢纤维、波纹型钢纤维、高强仿钢纤维在同体积掺量下进行对比试验分析。同体积掺量下，端钩型钢纤维掺量为30 kg/m3、波纹型钢纤维掺量为30 kg/m3以及高强仿钢纤维掺量为7.6 kg/m3时，他们的体积掺量均为0.38%。3种纤维对喷射混凝土抗压强度的影响试验结果如图16所示。

图16 不同种类钢纤维对喷射混凝土抗压强度的影响

由图16可知，3种纤维均能大幅度提升喷射混凝土各个龄期的抗压强度，且30 kg/m3掺量下，波纹型钢纤维对抗压强度的提升优于端钩型钢纤维，而高强仿钢纤维7.6 kg/m3掺量下，对抗压强度的提升介于两者之间。

相同试验条件下，3种纤维对喷射混凝土抗折强度影响试验结果如图17所示。

图17 不同种类钢纤维对喷射混凝土抗折强度的影响

根据图17可知，端钩型钢纤维的掺入对1 d、3 d抗折强度的提升作用明显优于波纹型钢纤维，28 d时两者抗折强度接近，高强仿钢纤维对抗折强度的提升不明显。

3 复掺纤维抗压、抗折强度

由于各纤维的性能不同，综合两种纤维的优点补足单掺纤维性能缺陷才能使高强喷射混凝土具有更好的力学性能。根据复掺试验工况，本次试验采用2组复掺试验进行分析，探究复掺纤维对喷射混凝土力学性能影响。

3.1 复掺端钩型钢纤维和聚丙烯纤维

为研究端钩形纤维和聚丙烯纤维复掺对喷射混凝土抗压强度的影响，根据单掺试验的试验结果选出2种纤维的合理掺量，本次复掺试验端钩型钢纤维30 kg/m3，聚丙烯纤维0.3，0.6 kg/m3，两种不同掺量的组合名称为D30+J0.3和D30+J0.6。为体现复掺纤维与单掺纤维对喷射混凝土抗压、抗折强度影响的差异，选择未掺纤维(DD0)、单掺端钩型钢纤维30 kg/m3(DD30)、单掺聚丙烯纤维0.6 kg/m3(DJ0.6)进行对比试验。其抗压强度试验结果如图18所示，抗折强度试验结果如图19所示。

图18 复掺端钩型钢纤维和聚丙烯纤维对抗压强度的影响

图19 复掺端钩型钢纤维和聚丙烯纤维对抗折强度的影响

由图18可知，复掺纤维对喷射混凝土的抗压强度增强效果更为明显，相较于未掺纤维28 d抗压强度提高了59.8%。由图19可知：当龄期为28d时DD0、DD30、DJ0.6、D30+J0.3、D30+J0.6，喷射混凝土抗折强度分别为6.0，8.8，6.1，10.1，9.3 MPa，可知D30+J0.6喷射混凝土抗折强度增强效果最好。

3.2 复掺端钩型钢纤维和高强仿钢纤维

为探究复掺端钩型钢纤维和高强仿钢纤维对喷射混凝土抗压、抗折强度的影响，本次复掺试验选择端钩型钢纤维30 kg/m3和高强仿钢纤维3.0，6.0 kg/m3分别复掺(D30+F3、D30+F6)，同时选择单掺DD0、DD30进行对比试验。其抗压强度试验结果如图20所示，抗折强度试验结果如图21所示。

图20 复掺端钩型钢纤维和仿钢纤维对抗压强度的影响

图21 复掺端钩型钢纤维和高强仿钢纤维对抗折强度的影响

由图20可知，同龄期下复掺两种纤维，抗压强度不及单掺端钩型钢纤维，且随着复掺配比中高强仿钢纤维掺量上升，抗压强度降低。D30+F3、D30+F6配比相较于DD30配比28 d抗压强度分别下降了2.2%、6.5%，复掺端钩型钢纤维和高强仿钢纤维并不利于抗压强度的提高。

由图21可知，复掺纤维中D30+F6配比较未掺加纤维喷射混凝土的抗折强度提升十分有限。D30+F3、D30+F6配比相较于DD30配比28 d抗折强度分别下降了31.8%、21.6%，复掺端钩型钢纤维和高强仿钢纤维并不利于抗折强度的提高。

4 抗弯韧性

综合考虑单掺纤维和复掺纤维对喷射混凝土性能影响，抗弯韧性试验选择单掺端钩型钢纤维0，10，20，30 kg/m3(DD0、DD10、DD20、DD30)，以及30 kg/m3端钩型钢纤维和0.6 kg/m3纤维(D30+J0.6)和30 kg/m3端钩型钢纤维和6 kg/m3高强仿钢纤维(D30+F6)分别进行试验。试验发现，当掺量为0时，试件发生了脆性破坏，随着掺量增加，纤维喷射混凝土弯曲韧性逐渐增大。复掺配合比中，D30+J0.6配合比的增韧效果相较于单掺端钩型钢纤维30 kg/m3有所提升，而D30+F6配合比试验结果表明，二者复掺未起到良好的增韧效果。综合试验结果，各配合比喷射混凝土弯曲韧性特征参数如表12所示。

表12 喷射混凝土弯曲韧性特征参数

5 高强喷射混凝土最优配合比

结合单掺和复掺抗压抗折强度、抗弯韧性试验，纤维对于高强喷射混凝土性能的影响根据其掺量和材料特性，可能出现正影响，也可能出现负影响。为取得适用于本工程的高强喷射混凝土最优配合比，对单掺纤维、复掺纤维不同配合比的喷射混凝土性能进行综合比较。其中，单掺端钩型钢纤维30 kg/m3(DD30)与复掺端钩型钢纤维30 kg/m3、聚丙烯纤维0.6 kg/m3(D30+J0.6)配合比各项性能指标均达到高强纤维喷射混凝土的要求，具体性能见表13。