聚丙烯纤维对高岩温输水隧洞喷射混凝土力学性能的影响

2022-12-26薛晓飞

水利科技与经济 2022年12期

薛晓飞

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司东莞分公司，广东东莞 523321)

1 概述

随着水工建设技术的发展和进步，大埋深地下洞室工程数量日渐增多。显然，隧洞埋深的增加叠加地热因素的影响，高低热问题在长、大、深水工隧洞中普遍存在[1]。输水隧洞中的高岩温环境不仅会造成施工环境的恶劣，同时也会给喷射混凝土结构造成损伤性影响，不利于隧洞的整体安全和稳定[2]。因此，开展高岩温水工隧洞衬砌混凝土性能研究具有十分重要的意义。

在喷射混凝土中掺入一定量的纤维，可以有效减少内部缺陷，提高喷射混凝土的整体性能，特别是分散纤维和喷射混凝土中的浆体桥接，可以有效约束混凝土受拉边缘以及裂缝尖端的力，从而有效提升喷射混凝土的强度和韧性[3]。可以说，纤维的加入有效克服了素喷射混凝土的缺陷和不足，在促进喷射混凝土发展方面起到重要作用[4]。就目前的实际情况来看，关于纤维对喷射混凝土性能的影响规律和增强机理的研究并不完善，特别是还没有关于纤维对高岩温条件下喷射混凝土性能的影响研究，这也限制了纤维喷射混凝土在高岩温地下洞室工程中的应用[5]。基于此，本文选择喷射混凝土中常用的聚丙烯纤维，通过室内试验的方式，探讨其对高岩温喷射混凝土力学性能的影响。

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，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，且速凝剂需要与水泥材料相容，强度等级不小于42.5 MPa[4]。因此，本次研究选择的是P.O42.5普通硅酸盐水泥，并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，水泥材料的各项指标均满足试验要求，可以用于本次试验研究。

表1 水泥样品主要性能指标测定结果

混凝土中掺入一定量的粉煤灰，可以显著提升水泥浆液的均质性、致密性和强度。本次试验使用的粉煤灰为电厂Ⅱ级粉煤灰，其细度为20.6%，需水量比为100%，烧失量为1.58%，含水量为0.5%，各项检测结果符合 C30 混凝土技术指标。

喷射混凝土对细骨料的要求较高，需要使用细度模数不小于2.5的粗砂或中砂[5]。根据相关要求，本次研究选择的是天然河沙，其细度模数为2.59，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。

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。本次研究选择的人工石灰岩碎石，质地坚硬，压碎率小于2.3%，粒径范围为5.2～10 mm。

在喷射混凝土施工过程中，为了保证混凝土中的胶凝物质可以迅速凝固，使喷射混凝土和围岩尽快成为一体，往往需要加入速凝剂[6]。本次研究选择的是KTA-08型速凝剂，其初凝时间为2.5 min，终凝时间为5.5 min，掺量为水泥用量的4%。

在喷射混凝土中加入纤维材料可以显著提升其性能，这也是本次研究的主要目的。试验中选用的是聚丙烯纤维，长度19 mm，直径18～48 μm，其主要技术指标均符合《喷射混凝土应用技术规程》(JGJ/T 372-2016)规范要求。

试验中使用的减水剂为KTA-01聚羟酸效减水剂；试验用水为普通自来水。

2.2 试验方案

本次试验的主要目的是探索高岩温条件下聚丙烯纤维对喷射混凝土力学性能的影响。试验中，选择水工隧洞施工常用的C40喷射混凝土进行配合比设计，其塌落度为160～200 mm。结合相关研究成果和聚丙烯纤维在水工喷射混凝土领域的工程经验，设定0、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 kg/m3共6种不同的聚丙烯纤维掺量率进行试验。各试验方案的配合比见表2。

表2 各试验方案每立方米材料用量 /kg

2.3 试验方法

结合国内外研究成果和工程经验，在喷射混凝土制作时采用二次搅拌工艺[1]。为了模拟喷射混凝土施工过程中的高岩温情况，试验中选择长2.4 m、宽1.2 m、厚约12 cm的砂岩板，利用在其下部设置电阻丝加热的方式提高岩板的温度，同时通过调整电阻丝的功率以及与岩板的距离进行温度控制，使岩板的上表面温度分别保持在40℃、60℃和80℃，以模拟不同温度水平的高温围岩岩体。试件的制作采用TK700湿喷机进行湿喷作业。在喷射混凝土的养护过程中，为了避免湿度因素对试验结果可能产生的影响，养护湿度保持为95%以上。对养护至28 d龄期的喷射混凝土利用红外线全自动桥式切割机进行切割，制作成适合力学性能测试需要的试件进行试验。

对养护至规定龄期的喷射混凝土试件，利用FTC-2000力学万能试验机进行抗压强度、抗折强度和劈裂抗拉强度试验。对高岩温输水隧洞喷射混凝土而言，抗裂性能十分重要。结合相关研究成果和本文的研究目的，采用的混凝土抗裂性能评价指标为：

(1)

式中：k为抗裂性能指数；εp为混凝土极限拉伸值；ft为混凝土抗拉模量，MPa；σz为混凝土预压应力，MPa；E为混凝土弹性模量，MPa；εd为混凝土干缩值。

3 试验结果与分析

3.1 抗压强度

对不同聚丙烯纤维掺量方案下28 d龄期的抗压强度进行试验，结果见表3。

表3 抗压强度试验结果

由试验结果可以看出，岩温是喷射混凝土强度的重要影响因素，喷射混凝土的强度会随着岩温的升高而迅速降低。由此可见，在高岩温输水隧洞开挖施工过程中，采取必要的工程措施降低岩温对喷射混凝土的影响具有重要意义。另外，在岩温相同的条件下，掺加聚丙烯纤维方案的抗压强度值均大于未掺加聚丙烯纤维方案的抗压强度值。因此，在喷射混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维，可以有效提升高岩温环境下喷射混凝土的抗压强度。

以表3中的数据为依据，抗压强度随聚丙烯纤维掺量的变化曲线见图1。从图1可以看出，随着聚丙烯纤维掺量的增加，抗压强度呈现出先增加后减小的变化特点；且聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m3时，喷射混凝土的抗压强度值达到最大。究其原因，主要是在掺加聚丙烯纤维的条件下，喷射混凝土的整体性会得到有效增强，因此抗压强度值会显著提高。但是，过量掺入聚丙烯纤维会给混凝土的拌制带来一定的难度，很难避免聚丙烯纤维在混凝土内部的聚团现象，因此抗压强度值会有所下降。

图1 抗压强度变化曲线

3.2 抗折强度

在不同聚丙烯纤维掺量方案下，对喷射混凝土试件在不同养护温度条件下的28 d龄期抗折强度进行试验，试验结果见表4。

表4 抗折强度试验结果

从试验结果可以看出，与抗压强度类似，岩温也是喷射混凝土抗折强度的重要影响因素，抗折强度值随着围岩岩温的升高而迅速下降。另一方面，掺加聚丙烯纤维喷射混凝土的抗折强度值明显偏大，说明在高岩温喷射混凝土中掺加聚丙烯纤维有助于提升其抗折强度。从具体的试验数据来看，掺加0.6 kg/m3时，喷射混凝土的抗折强度值最大。与抗压强度不同的是，围岩岩温越高，掺加聚丙烯纤维对提升喷射混凝土抗折强度的作用越强。例如，当围岩岩温为80 ℃时，掺加0.6 kg/m3聚丙烯纤维的喷射混凝土抗折强度为6.76 MPa，与未掺加聚丙烯纤维方案的抗折强度4.53 MPa相比，提高了约49.23%；而围岩温度为40℃时，仅增加约8.28%。由此可见，掺加聚丙烯纤维对提高高岩温环境下喷射混凝土的抗折强度效果更佳，具有显著的工程应用价值。为了直观呈现抗折强度的变化规律，绘制喷射混凝土抗折强度随聚丙烯纤维掺量变化曲线，见图2。

图2 抗折强度随粉煤灰取代率变化曲线

3.3 劈裂抗拉强度

劈裂抗拉强度试验结果见表5。

表5 劈裂抗拉强度试验结果

从试验结果可以看出，劈裂抗拉强度的变化规律与抗折强度类似。首先，劈裂抗拉强度值随着围岩岩温的升高而迅速下降。其次，随着聚丙烯纤维掺量的增加，喷射混凝土的劈裂抗拉强度呈现出先迅速增加后不断下降的变化趋势，当掺加0.6 kg/m3时，喷射混凝土的劈裂抗拉强度值最大。最后，围岩岩温越高，掺加聚丙烯纤维对提升喷射混凝土劈裂抗拉强度的作用越强。喷射混凝土劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维掺量变化曲线见图3。