纤维对喷射混凝土抗折强度的影响

2023-07-30王嘉旋王家赫渠亚男仲新华苏婉玉李连吉孔庆欣

铁道建筑 2023年6期

王嘉旋王家赫渠亚男仲新华苏婉玉李连吉孔庆欣

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

喷射混凝土是一种通过机械将混合的拌和料喷射至受喷面上硬化成型的混凝土。由于其独特的施工工艺和免于支护、成型迅速的优点，在铁路隧道初期支护中取得了广泛的应用。随着我国铁路隧道越来越多地途经不良地质地带，工程沿线岩爆、软岩大变形等地质问题突出，给隧道建设施工进度、人员安全带来极大挑战。素喷射混凝土强度低、韧性差、破坏呈脆性［1］，亟须提升其性能以适应隧道建设要求。任崇财［2］通过试验研究了波纹钢纤维对混凝土力学性能的影响，发现当纤维体积掺量为0.8%时，混凝土28 d抗折强度提高幅度为83.8%。刘新荣等［3］发现在端钩型钢纤维0.5%、0.8%的体积掺量下，喷射混凝土的抗弯、抗拉强度随着掺量增加均显著提高。田文元［4］研究了湿喷仿钢纤维喷射混凝土，当掺入1 kg/m³的仿钢纤维时相较于对照组混凝土抗折强度提升了45.8%。杨健辉等［5］研究发现，掺入0.7%端钩型钢纤维与0.3%的仿钢纤维，28 d抗折强度较普通混凝土提高了18.2%。从上述研究可以看出，掺入纤维可极大地提升混凝土性能，进而提高喷射混凝土的适用性，从而保障隧道施工与服役安全。

本文选取工程中常用的纤维，开展纤维喷射混凝土抗折强度、应力-应变全曲线试验，研究纤维对喷射混凝土强度的影响规律，提出抗折强度发展公式，探究不同纤维对混凝土抗折强度增强机理。本文成果可为纤维喷射混凝土的工程应用提供一定参考。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥为P·O 52.5硅酸盐水泥，烧失量2.43%，密度3.12 g/cm³；硅粉的SiO2含量86.9%，密度2.214 g/cm³，粒径0.31 μm，比表面积20 m2/g；碎石粒径为5 ~10 mm；机制砂，细度模数3.16；速凝剂，碱含量0.19%，含固量51.84%；聚羧酸减水剂，减水率32%；端钩型钢纤维长度30 mm，直径0.50 mm；波纹型钢纤维长度30 mm，直径0.97 mm；仿钢纤维长度30 mm，直径0.60 mm。

1.2 配合比

水胶比为0.37，砂率为51%，胶材掺量为470 kg/m³，其中硅灰掺量35 kg/m³，基准组粗细骨料掺量分别为833、883 kg/m³；端钩型钢纤维设置10、20、30 kg/m³ 三个掺量；波纹型钢纤维掺量为30 kg/m³；仿钢纤维掺量为7.6 kg/m³；掺入纤维后混凝土增大的体积量从砂石骨料中按砂率不变原则等体积扣除。下文配合比编号中JZ表示基准组，DG表示单掺端钩型纤维，BW表示单掺波纹型纤维，FG表示单掺仿钢纤维，数字表示纤维掺量（kg/m³）。

1.3 试验方法

抗折试件参照JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》喷射成550 mm × 450 mm × 120 mm的大板，随后切割为100 mm × 100 mm × 400 mm棱柱体开展试验。试验方法参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》、JGJ/T 372—2016进行。采用切割而成的100 mm × 100 mm × 300 mm棱柱体试件开展受压应力-应变全曲线试验。试验中以0.3 MPa/s的初始加载速度对试件进行预压，加载至破坏荷载的40%。正式加载时，加载速度为0.5 mm/min，等速率位移加载直至破坏。

2 试验结果分析

2.1 端钩型钢纤维对喷射混凝土抗折强度的影响

喷射混凝土抗折强度与端钩型钢纤维掺量的关系见图1。可知：未掺纤维的试件1、3、28 d抗折强度分别为3.7、4.3、6.0 MPa。掺入10 kg/m³端钩型钢纤维1、3、28 d抗折强度相较于未掺纤维分别提升了10.8%、7.0%、10.0%；掺入20 kg/m³端钩型钢纤维1、3、28 d抗折强度相较于未掺纤维分别提升了27.0%、34.9%、25.0%；掺入30 kg/m³端钩型钢纤维，1、3、28 d抗折强度相较于未掺纤维分别提升了43.2%、67.4%、46.7%。可以看出，端钩型钢纤维起到了阻碍混凝土内部裂缝扩张的作用，从而大大提升了抗折强度。

图1 混凝土抗折强度与端钩型钢纤维掺量的关系

2.2 不同纤维对喷射混凝土抗折强度的影响

配合比DG30、BW30以及FG7.6的纤维体积掺量均为0.38%，对喷射混凝土抗折强度影响对比见图2。可知：对喷射混凝土抗折强度提升效果由高到低依次为端钩型钢纤维、波纹型钢纤维、仿钢纤维。端钩型钢纤维的弯钩以及波纹型钢纤维的异形表面的存在增大了混凝土强度提升效果，而仿钢纤维外表平直光滑，故对混凝土抗折强度提升最小。随着龄期发展混凝土基体强度提升，与异形表面的握裹更为紧密，使得波纹型钢纤维后期对抗折强度的提升接近端钩型钢纤维。

图2 不同纤维对抗折强度的影响对比

2.3 端钩型钢纤维对喷射混凝土延性的影响

通过试验得到受压应力-应变全曲线试验峰值应变。配合比DG30的峰值应变（4.52 × 10-3）相较于JZ（3.87 × 10-3）提升了16.8%。端钩型钢纤维掺入到喷射混凝土中，提升了喷射混凝土的延性与变形能力。

参考文献［6-7］，采用上升段为多项式，下降段为有理分式的混凝土全曲线方程，对应力-应变全曲线进行拟合分析。多项式具体形式为

式中：y为应力（σ）与峰值应力（fc）的比值；x为应变（ε）与峰值应变（ε0）的比值；a、b为多项式参数。

不同配合比的应力-应变拟合曲线见图3。可知，DG30下降段较为平缓，峰后曲线与坐标轴围成的面积明显增大，表明端钩型钢纤维对纤维喷射混凝土增强作用明显。

图3 不同配合比的应力-应变拟合曲线

当拟合方程中上升段参数a值增大，下降段参数b值减小时，则曲线更为平缓，混凝土的延性越好。掺入端钩型钢纤维有效提高了试件的延性与韧性。

2.4 纤维喷射混凝土抗折强度发展规律

由于掺入速凝剂纤维喷射混凝土强度发展迅速，对抗折强度随龄期的发展规律进行分析可知，1 d强度可达到28 d强度的40% ~ 60%，3 d强度可达到28 d强度的70% ~ 80%。引用规范MC10《CEB‐FIP Model Code 2010》［8］中的强度发展公式［式（2）］，对抗折强度随龄期的发展进行拟合分析，相关参数见表2。

表2 抗折强度发展公式参数

式中：f(t)为t龄期时混凝土的强度；A为与混凝土自身性质有关的系数；B为28 d龄期时混凝土强度。

由表2可知，相关系数（R2）很高，说明该强度发展模型与纤维喷射混凝土的实际情况拟合良好，可反映强度发展规律。对A值取均值；B值与28 d强度接近，将B取为28 d强度。则不同龄期纤维喷射混凝土抗折强度公式为

式中：f（ft）为纤维喷射混凝土龄期（t）时的抗折强度；ff28为28 d龄期时的抗折强度。

2.5 纤维喷射混凝土增强机理

依据复合材料力学理论得到纤维喷射混凝土的抗折强度计算公式［9］

式中：σfc为纤维混凝土的抗折强度；α为纤维喷射混凝土抗折强度与抗拉强度的比值，参考文献［10］，α取2；lf为纤维长度；df为纤维直径；ηθ为纤维分布方向系数，纤维在混凝土内的分布方式为三维乱向分布，当纤维方向与受力方向相同时，具有最佳增强效果；Vf为纤维的体积掺量；τeq为纤维与基体间的等效黏结锚固强度；σfm为基体的抗折强度。

为了确定纤维分布系数，选取掺量30 kg/m³端钩型钢纤维混凝土钻芯试件进行CT扫描，结果见图4。通过电脑图形软件分析得到试件受弯时拉力方向与纤维的夹角（θi）。统计多次扫描结果，所有夹角均小于50°，约40%的夹角在0 ~ 10°内，15%的夹角在10° ~ 20°内，45%的夹角在20° ~ 50°内。统计结果表明，由于喷射成型工艺，试件中纤维存在明显的定向分布特点。

图4 CT扫描结果

利用统计结果计算纤维分布系数［11］：

式中：ni为试件中纤维数量。

端钩型钢纤维、波纹型钢纤维、仿钢纤维均为硬纤维，喷射工艺对纤维分布的影响类似，可认为三种纤维在喷射混凝土中的分布系数相同。将CT扫描结果代入，得出ηθ为0.910，代入式（4）中，可得到不同纤维与混凝土基体的等效黏结锚固强度，见图5。可知，在三种纤维体积掺量同为0.38%时，随龄期增长，等效黏结锚固强度均增大。钢纤维的等效黏结锚固强度相较于仿钢纤维更大，且端钩型钢纤维相较于波纹型钢纤维1、3 d等效黏结锚固强度大，28 d小。两端弯钩可提供较强的锚固咬合作用，早龄期基体强度不高，波纹型钢纤维的黏结锚固作用不及端钩型钢纤维。随着龄期发展，基体强度升高，基体与波纹型钢纤维的握裹越来越紧密，波纹型钢纤维波浪形的外表面可提供更高的等效黏结锚固强度。

图5 等效黏结锚固强度对比

上述对比分析表明，不同纤维增强机理有所不同。属于有机合成材料的仿钢纤维具有较高的疏水性，与混凝土的黏结附着力不及钢纤维，在试件所受拉力传递至纤维后会因颈缩而导致脱黏，从混凝土基体拔出过程中只能通过纤维伸长变形消耗能量。平整光滑的表面不能与基体锚固、咬合，故增强效果较差。钢纤维则更为亲水，有利于增加周围混凝土水化程度，从而与基体产生更强的黏结力［12］。在纤维拔出过程中，端钩型钢纤维、波纹型钢纤维表面化学黏结力更强。同时弯钩和异形表面的存在提供了锚固效果，有效限制了裂缝发展，在拔出过程中纤维变形消耗大量能量，从而产生了相较于仿钢纤维更强的性能提升效果。