混掺纤维对水工隧洞喷射混凝土力学性能影响的试验研究

刘 美

(深圳市水务工程建设管理中心，广东 深圳 518000)

1 概 述

在地下洞室工程建设过程中，喷射混凝土作为初支结构的重要组成部分，其质量对工程建设的顺利进行和后期的维护管理都存在直接影响，因此提高初支喷射混凝土性能具有十分重要的意义和作用。根据相关研究成果和工程经验，在混凝土中掺入一定量的纤维对弥补混凝土的固有缺陷、改善混凝土物理力学性能具有重要作用[1]。目前，可用于混凝土制作的外掺纤维数量众多，性能单一，单掺纤维对混凝土性能的提升往往也是单方面的。如果在混凝土中混合掺入两种纤维，可以有效发挥不同纤维性能的协同性，从不同方面提升喷射混凝土的性能[2]。但是，纤维的种类和掺量以及混掺比例都是混掺效果的影响因素，只有两种纤维以最佳的掺入体积和掺入比例掺入喷射混凝土，方可获得最佳工程效果[3]。基于此，此次研究选择高弹性模量的玄武岩纤维和高延伸率的聚丙烯纤维，以混合掺入的方式研究其对喷射混凝土性能的影响，以便为工程应用提供支持和借鉴。

2 材料与方法

2.1 试验材料

根据喷射混凝土的使用规范和要求，此次研究选择P.O42.5普通硅酸盐水泥[4]。对水泥样品的主要性能指标进行测定，结果见表1。由表1可知，水泥材料的各指标均满足试验要求，可以用于此次试验研究。

试验用粉煤灰为安徽淮南常华电力实业总公司生产的Ⅱ级粉煤灰，其细度为20.6%，需水量比为100%，各项检测结果符合 C30 混凝土技术指标。

试验用砂为普通河沙，其细度模数2.59，为中砂，其含泥量小于2.1%，堆积密度为1 870 kg/m3，用于喷射混凝土的拌制较为理想。

表1 水泥样品主要性能指标测定结果

试验中使用的纤维为上海启辰化工有限公司出品的玄武岩纤维和聚丙烯纤维。其中,玄武岩纤维的弹性模量为106 GPa，延伸率为3.5%；聚丙烯纤维的弹性模量为35.5 GPa，延伸率为8.7%。

喷射混凝土的粗骨料适合使用质地坚硬、耐久性好的卵石或碎石，其粒径不宜大于12 mm[5]。此次研究选择的是人工石灰岩碎石，质地坚硬，压碎率小于2.3%，粒径范围为5.2～10 mm。

试验中使用的速凝剂为四川凯彤建筑材料有限公司生产的KTA-08型速凝剂，减水剂为四川凯彤建筑材料有限公司生产KTA-01聚羟酸效减水剂；试验用水为普通自来水[6]。

2.2 试验方案

结合工程经验和要求，此次研究选择水工隧洞初支施工中常用的C30喷射混凝土作为研究对象，并以《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330--2005)的相关标准为基础确定试验配合比[7]。其中，水泥、水、砂、粗骨料、粉煤灰、减水剂和速凝剂的每立方米用量分别为380、190、780、1 100、156、2.5和15.2 kg。鉴于不同纤维在密度上的差异性，试验中以体积比进行掺加试验方案的设计。将两种纤维分别以单掺0.2%、0.4%和0.6%的比例掺加进再生混凝土，以没有掺加纤维的喷射混凝土作为试验对照方案，共获得7种单掺试验方案。在混掺方案中，设定玄武岩纤维占比为25%、50%和75%来确定混掺方案，分别记作混掺比1、混掺比2和混掺比3。混掺纤维的总掺加率仍旧为0.2%、0.4%和0.6%，共获得9种不同的混掺试验方案。对上述16种试验方案进行试验，并对试验结果展开分析。

2.3 试验方法

结合相关工程经验和试验条件，试验中利用二次搅拌法进行喷射混凝土的试件制作[8]。同时，为了提高试件的密实度，避免密实度不同对实验结果可能造成的显著影响，在试件的制作过程中需要利用抹刀进行人工插捣，再将试模放在振动台上振动密实。将制作好的试件放置阴凉通风处，静置25 h拆模并编号，然后放入标准养护至28 d龄期。

对养护完毕的喷射混凝土试件进行物理力学性能试验，试验采用FTC-2000力学万能试验机。试验中，每组试验方案进行3次试验，以试验结果的均值作为最终试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

根据单掺方案的抗压强度试验结果，绘制出抗压强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图1。由图1可以看出，两种纤维的抗压强度变化特征明显不同，但是单掺玄武岩纤维具有一定的优势，最佳掺量为0.4%。与对比方案相比，其抗压强度值提高约6.97%，聚丙烯纤维的最佳掺量为0.2%，但是对抗压强度的提升作用相对比较有限。

根据混掺方案试件的抗压强度试验结果，绘制出不同混掺方案的喷射混凝土抗压强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图2。由图2可以看出，采用合理的混掺方案可以显著提升喷射混凝土的抗压强度，与单掺纤维相比有明显的优势。究其原因，主要是两种不同性质、不同优势的纤维混掺进喷射混凝土，可以实现对混凝土内部结构的更好改善，从而有效抑制混凝土内部不同属性裂缝的发展，因此进一步提高了喷射混凝土的抗压强度。从不同的混掺比例来看，混掺比1和混掺比2条件下，抗压强度随着纤维总掺量的增加而增大，也就是总产量越大，抗压强度的提升效果越明显。而在混掺比3的条件下，增加纤维总掺量并不能有效提升喷射混凝土的抗压强度。总体来看，混掺比2不仅在相同掺量下的抗压强度值较大，同时总掺量在0.4%时即可获得较好的工程效果。

图1 单掺方案抗压强度变化曲线

图2 混掺方案抗压强度变化曲线

3.2 劈裂抗拉强度

根据单掺方案的劈裂抗拉强度试验结果，绘制出劈裂抗拉强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图3。由图3可以看出，单掺纤维有助于提高试件的劈裂抗拉强度，从具体的变化规律来看，无论是掺加玄武岩纤维还是掺加聚丙烯纤维，劈裂抗拉强度均呈现出先增大后减小的变化特点，均为掺加量为0.2%时的劈裂抗拉强度最大。两种纤维相比，单掺聚丙烯纤维更有优势。

根据混掺方案试件的劈裂抗拉强度试验结果，绘制出不同混掺方案的喷射混凝土劈裂抗拉强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图4。

图3 单掺纤维劈裂抗拉强度变化曲线

图4 混掺纤维劈裂抗拉强度变化曲线

由图4可以看出，采用合理的混掺方案可以显著提升喷射混凝土的劈裂抗拉强度，与单掺纤维相比有明显的优势，其原因与抗拉强度类似，这里不再赘述。从具体的变化趋势来看，喷射混凝土的劈裂抗拉强度随着纤维总掺量的增加均呈现出先增加后减小的变化特点。由此可见，单纯提高纤维掺量并不能获得更好的劈裂抗拉强度提升效果，原因是纤维掺量的大幅增加，会影响到混凝土内部的密实度。从不同的纤维占比方案来看，混掺比3在纤维总掺量4%时的劈裂抗拉强度最大，为最优纤维配比和纤维总掺加量。

3.3 抗折强度

根据单掺方案的抗折强度试验结果，绘制出抗折强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图5。由图5可以看出，单掺纤维有助于提高试件的抗折强度。此外，喷射混凝土的抗折强度随着纤维掺量的增加呈现出先增大后减小的变化特点。掺加玄武岩纤维和掺加聚丙烯纤维方案均为掺加比例为0.4%时，抗折强度达到最大。从两种纤维的对比来看，聚丙烯纤维的效果更佳。

根据混掺方案试件的抗折强度试验结果，绘制出不同混掺方案的喷射混凝土抗折强度随纤维掺量的变化曲线，结果见图6。

图5 单掺纤维抗折强度变化曲线

图6 混掺纤维抗折强度变化曲线

由图6可以看出，采用合理的混掺方案可以显著提升喷射混凝土的抗折强度，与单掺纤维相比有明显的优势，其原因与抗压强度和劈裂抗拉强度类似，这里不再赘述。从具体的变化趋势来看，混掺比3条件下，抗折强度随纤维总掺量的增加而增大；混掺比1和混掺比2条件下，抗折强度随纤维总掺量的增加呈现出先增大后减小的变化特点。从不同纤维掺加比例方案的对比来看，掺加比2在总掺量为0.4%时的抗折强度最大，为最优方案。

4 结 论

此次研究通过室内试验的方式，探讨了混掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维对水工喷射混凝土物理力学性能的影响，结论如下：

1) 在水工喷射混凝土中掺加一定量的纤维，可以有效提升其力学性能，掺加聚丙烯纤维的工程效果更佳。

2) 混掺玄武岩纤维和聚丙烯纤维与单掺纤维相比，具有更为明显的优势，具有良好的工程应用价值。

3) 当玄武岩纤维和聚丙烯纤维的体积掺量为1∶1、总掺量为0.4%时，可以获得最佳效果。