纤维种类与尺寸对喷射混凝土弯曲韧性的影响

王家赫

（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.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

喷射混凝土是通过压缩空气射流成型的一种特种混凝土，具有凝结硬化快、施工便捷等特点，目前广泛用于隧道初期支护、边坡支护等结构中。传统的喷射混凝土属于准脆性材料，在拉应力作用下极易开裂，并出现应变软化现象［1-3］，致使产生单条较宽裂缝，影响隧道衬砌结构的耐久性。隧道初期支护喷射混凝土结构属于隐蔽性工程，发生开裂渗漏等病害后很难修复。因此，提高喷射混凝土的韧性和耗能能力对提升高地应力段和软岩大变形地区隧道初期支护结构安全性和耐久性具有重要意义［4］。

既有研究表明，纤维可以有效提高混凝土的变形和耗能能力，在高地应力条件下隧道初期支护结构采用纤维喷射混凝土的技术方案已经得到业内专家的广泛认可［5-7］。目前国内外专家对模筑纤维混凝土研究较多，而研究纤维喷射混凝土相对较少。因为速凝剂的使用，喷射混凝土的工作性变化特点与普通模筑混凝土有显著区别，纤维喷射混凝土对纤维种类和几何尺寸有更特殊的要求［8-10］。本文通过试验对纤维型号、几何尺寸、掺量等关键指标进行研究，探究对喷射混凝土弯曲韧性提升效果显著且对工作性影响较小的纤维型号，为工程中纤维喷射混凝土配合比设计提供借鉴。

1 试验材料及配合比

试验试件采用喷射混凝土常用的C30混凝土。水泥采用金隅P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料采用北京房山5～10 mm级配碎石，紧密堆积密度1 650 kg/m3，表观密度2 700 kg/m3；细骨料采用天然河砂，细度模数2.6，紧密堆积密度1 900 kg/m3，表观密度2 750 kg/m3。混凝土配合比为水泥470 kg，砂754 kg，石子886 kg，水185 kg。减水剂采用河北三楷科技有限公司生产的聚羧酸高效减水剂，质量掺量为0.8%；速凝剂采用中国铁道科学研究院集团有限公司研发的高性能液体无碱速凝剂，质量掺量为5%。

为研究不同种类和几何尺寸的纤维对喷射混凝土弯曲韧性的影响，本文选用4种型号的纤维，其种类及性能指标见表1。

表1 4种型号纤维种类及性能指标

2 弯曲韧性试验

2.1 预切口三点弯曲韧性试验方法

纤维混凝土弯曲韧性试验采用CECS 13：2009《纤维混凝土试验方法标准》［11］规定的切口梁法。该方法适用于测定带预切口的纤维混凝土梁试件的弯拉强度、弯曲韧性等参数。试验用预切口纤维混凝土梁试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。试验加载采用三分点法，下部跨距为300 mm，在试件中部加载位置设置预切口，切口宽2 mm，深10 mm。试验采用TONI TECHNIK伺服试验机进行位移控制加载，加载速率为0.2 mm/min。加载过程中用LVDT实时采集梁跨中竖向挠度及加载位置的荷载数据，记录频率为1次/s。试验装置如图1所示。

图1 纤维混凝土弯曲韧性试验装置（单位：mm）

2.2 弯曲韧性指数计算

CECS 13：2009对纤维混凝土弯曲韧性指数进行了定义。纤维混凝土预切口三点弯曲试验得出的荷载-挠度曲线见图2。

图2 纤维混凝土荷载-挠度曲线

从坐标原点O点出发，随着荷载增大，纤维混凝土的荷载-挠度曲线满足3阶段发展规律：

①弹性阶段。荷载-挠度曲线近似成线性关系，线性段末端A点对应的荷载即为开裂荷载Fcr，对应的位移即为开裂挠度δ［10］。

②应变硬化阶段。随着位移增大，荷载逐渐增大至峰值荷载，即极限荷载。

③应变软化阶段。荷载随位移增大而逐渐减小，直到纤维混凝土梁完全失去承载力。

图2中，挠度为3.0δ和5.5δ时荷载-挠度曲线上对应的点分别为C和E。分别计算各段曲线下方的面积，算出纤维混凝土的弯曲韧性指数I5和I10，计算公式分别为

通过上述试验及公式可算出不同纤维型号和掺量的喷射混凝土弯曲韧性指数。本文选取4种型号的纤维，每种纤维分别以0.7%和1.0%的体积掺量掺入混凝土，配成8种不同纤维型号和掺量的纤维喷射混凝土并制成混凝土梁试件，每组2个试件。

3 研究结果

3.1 预切口三点弯曲试验结果

对8种不同纤维型号和掺量的纤维喷射混凝土的弯曲性能进行测试，得到的荷载-挠度曲线见图3。

图3 纤维喷射混凝土弯曲试验荷载-挠度曲线

由图3可知，对于同一尺寸纤维，纤维掺量越大，喷射混凝土弯曲试验中开裂荷载和极限荷载越大。

对比图3（a）和图3（b）可知，钢纤维掺量相同时，纤维长度越长，混凝土弯曲过程中开裂荷载和极限荷载越大。

对比图3（a）和图3（c）可知，钢纤维长度一定时，带弯钩钢纤维对喷射混凝土开裂荷载和极限荷载提高效果更显著。

对比图3（a）和图3（d）可知，相同体积掺量的有机纤维（PP纤维）对喷射混凝土开裂荷载和极限荷载的提升效果比钢纤维更显著，即掺入有机纤维的喷射混凝土的开裂荷载和极限荷载均显著高于同等掺量的钢纤维喷射混凝土。

3.2 纤维喷射混凝土弯曲韧性求解

利用式（1）和（2）计算8种不同纤维型号和掺量的纤维喷射混凝土的弯曲韧性指数，结果见表2。为方便对比，将各纤维喷射混凝土的开裂荷载、极限荷载、开裂挠度也列于表2中。表中各参数均为2个试件试验结果的平均值。

由表2可知，增加纤维体积掺量可有效提高混凝土的弯曲韧性、极限荷载和开裂挠度。但纤维用量过多会对混凝土工作性造成影响，进而影响成型质量。

表2 纤维喷射混凝土弯曲韧性计算结果

对比GW30-55和GW40-55发现，钢纤维掺量一定时，纤维长度越长，混凝土弯曲韧性指数越大，相应的混凝土抗弯极限荷载和开裂挠度也越大。但纤维过长会影响混凝土流动性及泵送效果，因此在选择钢纤维长度时应综合考虑混凝土的弯曲韧性和工作性。

对比GW30-55和GZ30-20发现，纤维长度相同时，带弯钩钢纤维对混凝土弯曲韧性提升效果更显著。

对比GW30-55和PP30-55发现，纤维尺寸相同时，有机纤维对混凝土弯曲韧性的提升效果更明显。尤其当有机纤维体积掺量为1.0%时，纤维混凝土弯曲韧性指数I5=13.10，大大优于其他各组试验结果。

综上，要提高纤维喷射混凝土弯曲韧性，首先要保证纤维长度不小于骨料尺寸，即大于10 mm。在此基础上，纤维长度越长，混凝土弯曲韧性越好。由于受工作性的制约，纤维喷射混凝土中的纤维长度选择应综合考虑增韧效果和工作性。为提高弯曲韧性，纤维混凝土设计中通常要求纤维从基材中拔出。钢纤维端部的弯钩和有机纤维表面的压痕均可提高纤维与基材之间的黏结力，从而提高纤维拔出过程中的耗能能力。因此，在纤维选型方面应优先选择带弯钩或表面处理的纤维。在纤维材质方面，钢纤维和有机纤维（PP纤维）均可提高混凝土的弯曲韧性，且有机纤维提升效果更显著。这是因为试验中使用的有机纤维表面进行了压痕处理，且纤维本身抗拉强度较高。在弯曲破坏过程中，纤维几乎全部为拔出破坏。表面压痕处理使纤维拔出过程中耗能能力更强，因此对纤维混凝土弯曲韧性提高效果也更显著。

4 结论

本文选取不同种类、不同尺寸的4种型号纤维，研究在0.7%和1.0%体积掺量下纤维喷射混凝土的弯曲韧性。结论如下：

1）纤维掺量和形状相同时，纤维长度越长，混凝土的弯曲韧性提升效果越显著。纤维长度的选择应综合考虑增韧效果及其对混凝土工作性的影响。对于C30常规喷射混凝土，选择长度40 mm、直径0.55 mm的带弯钩钢纤维可以在保证混凝土工作性前提下获得较高的弯曲韧性。

2）钢纤维端部的弯钩和有机纤维表面的压痕均可增大纤维与基材之间的黏结力，提高荷载作用下纤维拔出过程中的耗能能力。端部带弯钩的钢纤维和表面压痕处理的有机纤维的弯曲韧性均显著高于同等掺量不带弯钩的普通直纤维。

3）纤维几何尺寸与掺量相同时，有机纤维PP30-55对喷射混凝土弯曲韧性的提升效果比钢纤维更显著。有机纤维体积掺量1.0%时，纤维混凝土弯曲韧性指数I5=13.10，显著优于其他各组试验结果。