复合材料网中聚丙烯含量对混凝土衬砌力学性能影响的研究

王 雷，莫奕新

安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001

矿用编织网多用由多根横向金属条和纵向金属条交错编织焊接连接成的金属网格，其优点在于受力均匀、整体稳定性号，强度较高，且连接时不会被撕裂，可有效降低二次支护的概率，从而提高作业效率［1-3］。但其质量较重，网孔较大，遮挡面积较小，且容易受酸碱腐蚀，不便铺设，容易存在施工安全隐患，而聚丙烯的特性可以很好地弥补这些不足，但在强度等方面又存在缺陷［4-7］。目前以钢丝和聚丙烯为材料的矿用复合材料网因其支护效果理想，价格经济，得到越来越多的关注运用，但是聚丙烯含量不同的复合材料网对混凝土力学性能的影响也明显存在差异［8-10］。

本文根据实际工程的需要，对淮南某公司生产的两种聚丙烯复合材料网进行了力学实验，选择力学性能更优越的复合材料网作为混凝土衬砌材料。

1 模型试验

综合试验条件，模型以衬砌结构拱顶部分为原型，几何相似比为C=2。模型所用的材料与原型相同。

1.1 模型制作

试验所用混凝土强度C20，配合比为：水泥：砂子：石子：水=1:2:2:0.45，钢筋网由直径为Ф6mm的Q235A钢筋构成，复合材料网由钢丝和聚丙烯经特殊工艺连接构成，其中复合材料网A含10%聚丙烯，复合材料网B含20%聚丙烯，网架结构如图1所示。按照长0.1m，厚0.1m，高0.3m，分别制成钢筋网衬砌模型、复合材料网A衬砌模型、复合材料网B衬砌模型。

图1 复合材料网架结构图

1.2 试验方法

在混凝土衬砌模型周边设置3台最大压力为1000kN的千斤顶，模拟均布围压；在支座处设置涂有黄油的厚钢板，做好固定，保证模型受力时径向的约束；为了模拟荷载均匀分布，在千斤顶与模型间设置钢板，用砂浆填实之间的缝隙。

根据内部网架结构尺寸，在网架的左右上端部、中间端部对应设置环向应变测点和径向应变测点，并对应变测点进行编号，其中奇数编号为环向应变测点，偶数编号为径向应变测点，应变测点具体布置如图2所示。

图2 测点布置图

试验荷载从1MPa开始进行加载，以0.5MPa每步递增，直到模型破坏。测量设备采用YE2539高速静态电阻应变仪和计算机。测量电路采用半桥连法。

2 试验结果与数据分析

如图3所示，分别对复合材料网A衬砌、复合材料网B衬砌和钢筋网衬砌三组模型进行试验，试验模拟荷载只考虑垂直于衬砌结构接触面的径向压力，从而得到内部网架整体相应的应变变化曲线图，三组变化曲线图如图4～6所示。其中钢筋网衬砌模型试验作为参照试验，为两种复合材料网衬砌的比较提供依据，得到更准确的分析结果。

图3 试验示意图

图4 钢筋网架应变荷载曲线图

图5 复合材料网A应变荷载曲线图

图6 复合材料网B应变荷载曲线图

对试验数据进行比较分析可得到以下结果：

（1）由图4～6可知，当钢筋网架衬砌达到屈服时，两种复合材料网架衬砌整体上仍处于受拉状态，抗拉性能比钢筋网架衬砌更好。但钢筋网架衬砌和复合材料网B衬砌最大承载力为34kN，复合材料网A衬砌可承受大约35kN的荷载，可见复合材料网A衬砌较复合材料网B衬砌具有更好的承载性。

（2）由图5～6可知，两种复合材料网衬砌从施加荷载直至模型破坏过程中，位于拱顶处的环向1号测点应变值随荷载变化最为明显，复合材料网A比复合材料网B的应变曲线整体上更平缓，其中前者的单位荷载下应变最大变化量达到3.4×10-4m，后者的单位荷载下应变最大变化量达到4.6×10-4m，可见复合材料网A相对于复合材料网B变形发展较为缓慢，更不容易因为荷载瞬间的增大而发生破坏。同时，复合材料网A中曲线的不够光滑是由于加载的局限性，使变形不均匀导致的。

（3）由图5～6可知，两种复合材料网径向的应变变化较为稳定，其中复合材料网A径向最大应变差达到1.7×10-3m，复合材料网B径向最大应变差达到0.11×10-3m，后者明显小于前者，可见直至破坏前复合材料网B网架中径向构件较好的力学性能没有得到充分发挥。

3 结论

（1）含10%聚丙烯的复合材料网A相对含20%聚丙烯的复合材料网B内部有足够数量和强度的钢丝，之间相对交错牢固铰接形成整体，使每根网带的抗拉强度得到提高，从而在保证一定柔韧性的同时有效地增强了混凝土衬砌的承载力。

（2）含10%聚丙烯的复合材料网A相较含20%聚丙烯的复合材料网B的变形更为缓和，抗拉性能更优越，可对混凝土衬砌起到更好的基础支护作用，且质量更轻，价格更经济，是更理想的巷道支护材料。

（3）通过试验发现复合材料网中聚丙烯能够优化混凝土衬砌力学性能，但最佳含量还需进一步试验研究。