塑钢纤维喷射混凝土力学性能及现场试验

2023-12-13柴荣山CHAIRongshan孔二伟KONGErwei丛凯CONGKai倪效学NIXiaoxue

价值工程 2023年33期

柴荣山 CHAI Rong-shan；孔二伟 KONG Er-wei；丛凯 CONG Kai；倪效学 NI Xiao-xue

（山东省公路桥梁建设集团有限公司，济南 250014）

0 引言

随着我国大规模隧道工程的建设，喷射混凝土作为新奥法施工中必不可少的技术手段，应用十分广泛。普通的喷射混凝土凝结硬化后为脆性材料，只能承受压力，抗拉、抗弯、抗剪和抗折能力很弱，造成大量喷层开裂，严重影响围岩整体稳定性，给硐室安全带来隐患。尤其在破碎围岩的硐室中，普通喷射混凝土开裂现象更加严重[1-2]。

20世纪70年代，提出钢纤维增强喷射混凝土衬砌的新技术，并进行了大规模的试验研究[3-6]。随后，由于新型合成纤维的大力开发，使得纤维喷射混凝土有了较大的进展。目前纤维类型主要有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、碳纤维和芳纶纤维等[7-11]。在喷射混凝土应用中，钢纤维使用最早，从理论到试验都相对成熟，但存在喷射施工中不易搅拌、回弹量大、易锈蚀等问题；玻璃纤维性脆，其中含有的二氧化硅成分易与喷射混凝土外加剂发生化学反应；聚丙烯单丝纤维和聚乙烯醇纤维（PVA）分散性不好，施工时易结团，不能均匀的混合在拌合料中；碳纤维和芳纶纤维造价太高。

因此，提出一种新型塑钢纤维，它是由聚丙烯单丝纤维与纤维网混合而成的高强度复合纤维，具有耐腐蚀、易分散、强度高、不损害拌合设备等优点。对塑钢纤维混凝土开展室内试验，得出不同掺量对混凝土力学性能的影响，并通过开展现场喷射试验，对塑钢纤维喷射混凝土试验段的隧道周边收敛进行监测与分析，研究塑钢纤维喷射混凝土对围岩的支护作用。塑钢纤维喷射混凝土具有良好的韧性和抗弯拉性能，在围岩支护中，起到让压卸载作用，减少喷层开裂，为塑钢纤维喷射混凝土在破碎围岩或软弱围岩隧道支护中的推广应用提供参考依据。

1 塑钢纤维混凝土力学性能试验

1.1 试验材料

①水泥。

水泥选用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，密度为3.1g/cm3，其凝结时间、抗压抗折强度、细度均满足规范要求。

②骨料。

粗骨料：选用5～10mm的碎石。

细骨料：选用清洗过的河沙，表观密度为2.58g/cm3，细度模数为2.8。

③塑钢纤维。

塑钢纤维也称仿钢纤维或聚丙烯粗纤维，表面粗糙、凹凸不平、截面形状及比表面积和钢纤维相似，其各项性能参数指标如表1所示。

表1 塑钢纤维性能参数

④减水剂：采用聚羧酸高效减水剂，掺量为水泥质量的1%。

⑤速凝剂：使用液态速凝剂，掺量为水泥质量的4%～6%。

1.2 试验过程

试验主要研究不同掺量塑钢纤维对混凝土力学性能的影响，纤维掺量设计为每方混凝土2kg、4kg、6kg和8kg，相当于体积掺量分别为0.21%、0.42%、0.63%和0.84%。塑钢纤维混凝土力学性能包括抗压强度、劈裂抗拉强度和抗弯强度。

依据现场实际C25喷射混凝土配合比进行设计，水泥、砂子、石子和水的质量比C∶S∶G∶W=1∶2.2∶2∶0.45，水泥质量450kg/m3、砂子990kg/m3、石子900kg/m3、水202.5kg/m3，砂率为52.4%，水灰比为0.45。

试验按照《纤维混凝土试验方法标准》（CECS 13:2009）进行试验，抗压试验和劈裂抗拉试验采用型号为YAW-2000的微机控制全自动混凝土压力试验机，试件选用150mm×150mm×150mm的立方体块，加载速率为0.5～2mm/min；抗弯试验采用四分点加载弯曲试验，试验仪器为WE-300B型电液式万能试验机，试件选用150mm×150mm×600mm的小梁，加荷速度取每秒0.03～0.06MPa。

1.3 试验结果与讨论

1.3.1 塑钢纤维混凝土抗压强度

每方混凝土掺量为2kg、4kg、6kg和8kg的塑钢纤维，在相同混凝土配比情况下，分别测定7d和28d的抗压强度，如图1所示。

图1 塑钢纤维不同掺量下混凝土抗压强度

由图1所示，塑钢纤维掺量在2kg时，混凝土抗压强度比不掺纤维时反而降低。考虑到少量纤维的掺入，纤维分散于基体之间，造成空隙和裂缝，反而降低混凝土的整体性和密实性，因此造成混凝土强度降低。掺量在4kg时，随着掺量的增加，抗压强度逐渐增强，是因为塑钢纤维在基体开裂中起到桥连作用，但整体强度提高不明显。不掺纤维时，混凝土28d强度为41.8MPa，每方混凝土掺入8kg纤维时，混凝土28d强度为46.2MPa，强度提高10.5%。塑钢纤维混凝土7d和28d抗压强度变化趋势相同。

1.3.2 塑钢纤维混凝土劈裂抗拉强度

每方混凝土掺量为2kg、4kg、6kg和8kg的塑钢纤维，在相同混凝土配比情况下，分别测定7d和28d的劈裂抗压强度，如图2所示。

图2 塑钢纤维不同掺量下混凝土劈裂抗压强度

由图2可知，塑钢纤维混凝土的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增大而增大。不掺纤维时，28d劈裂抗拉强度为3.4MPa，每方混凝土掺入8kg纤维时，28d劈裂抗拉强度为5.8MPa，强度提高70.6%。纤维掺量在4kg和6kg时，强度提高幅度较大。掺入6kg时，28d劈裂抗拉强度为5.6 MPa，相对于空白混凝土试样，强度提高为64.7%，所以纤维掺量在6kg以上时，劈裂抗拉强度提高不明显。塑钢纤维混凝土7d和28d劈裂抗拉强度变化趋势相同。

1.3.3 塑钢纤维混凝土抗弯强度

每方混凝土掺量为2kg、4kg、6kg和8kg的塑钢纤维，在相同混凝土配比情况下，测定28d的抗弯强度，如图3所示。

图3 塑钢纤维不同下掺量混凝土抗弯强度

由图3可知，随着塑钢纤维掺量的增大，抗弯强度逐渐增大，每方混凝土掺入8kg塑钢纤维时的抗弯强度为4.5MPa，不掺纤维的空白试样抗弯强度为2.4MPa，抗弯强度提高87.5%。每方混凝土掺入6kg塑钢纤维时的抗弯强度为4.3MPa，抗弯强度提高79.2%。表明塑钢纤维掺量在6kg以上时，混凝土抗弯强度提高不大。

2 工程应用

2.1 现场概况

某高速公路隧道隧道左线轴线起止桩号为ZK40+900～ZK42+510，长1610.0m，隧道右线轴线起止桩号为K40+913～K42+511，长1598.0m，为小净距隧道，双向六车道。隧址区海拔高程254.2～460.3m，相对高差约206.1m，整体较陡，隧道最大埋深约128.0m。隧址区出露和揭露地层为第四系残坡积层（Q3dl+el）及奥陶系（O）地层，主要为强风化灰岩和中风化灰岩、局部夹泥灰岩。Ⅳ、Ⅴ级围岩支护由C25喷射混凝土、径向锚杆、钢筋网和钢架组成，喷射混凝土厚度为24～28cm。

2.2 塑钢纤维混凝土现场喷射试验

按设计要求，选择在左洞Ⅴ级围岩处进行50m塑钢纤维喷射混凝土试验，并与普通喷射混凝土段进行对比。根据塑钢纤维力学性能试验结果，塑钢纤维的掺量为每方喷射混凝土6kg。喷射过程中，进行喷大板试验，测定抗压强度和劈裂抗拉强度，同时测定喷射混凝土回弹率。结果表明：隧道边墙回弹率为7.8%，拱顶回弹率为15.6%。测定塑钢纤维喷射混凝土抗压强度为29.4MPa、劈裂抗拉强度为5.3MPa，普通喷射混凝土抗压强度为26.9MPa、劈裂抗拉强度为3.2MPa。

2.3 现场监测与分析

隧道周边收敛是测量隧道表面两点间的距离变化，收敛曲线结果如图4所示。

图4 隧道周边收敛曲线

从图4可以看出，塑钢纤维喷射混凝土隧道周边收敛较普通喷射混凝土稍大，尤其是在隧道支护前期，两者位移相差较大，随着时间的增加，两者位移相差越来越小，最后都趋于稳定。监测结果表明，塑钢纤维喷射混凝土在早期支护中，能允许隧道有一定的变形，随着时间延长，且能有效控制围岩的收敛变形。隧道在刚开挖后，围岩产生应力卸载，此时，应适当的让围岩应力进行释放，并能及时提供支护抗力。当围岩应力较大时，对于施加的普通喷射混凝土，韧性较差，很容易使喷层开裂。因此，对于有较好韧性的塑钢纤维喷射混凝土，喷射后与围压密贴，共同受力变形，能对围岩起到有效的支护作用。