混凝土帆布护坡设计与性能测试

刘慧艳

(辽宁省凌源市水务局设计院，辽宁 凌源 122500)

近几十年来，提高水泥的力学性能以适应更复杂的施工环境是一个重要的研究课题。为了减少对环境的影响，建筑中不断使用新材料，其中，混凝土帆布是一种理想的护坡建筑材料[1-3]。

通常，像混凝土帆布这样的布料是由制造商卷起并密封在一个包装中的。它可以被运送到部署地点以便于使用。混凝土帆布允许在不需要搅拌/浇铸/精整设备或框架的情况下进行施工，工程师只需喷水就可以将混凝土帆布定位在目标表面。混凝土帆布硬化后，形成刚性保护层。与传统的护坡层材料(如喷射混凝土层)相比，混凝土帆布可以进行更快、更容易和更具成本效益的产品安装，并且具有减少环境影响、缩短施工周期和降低劳动力成本的优异效益[4-6]。在耐久性方面，混凝土帆布的耐磨性是标准OPC混凝土的两倍，具有优异的耐化学性、良好的耐候性，并且不会在紫外线下降解。混凝土帆布具有高耐久性，预期寿命至少为50年。此外，混凝土帆布具有良好的抗渗性，材料的渗透性主要取决于颗粒大小、颗粒密度、颗粒形状或骨料周围的孔隙结构[7-9]。

混凝土帆布在边坡防护中的应用越来越广泛[10-12]。然而，据作者所知，文献中关于对混凝土帆布护坡的岩土工程性状的研究很少。为了给混凝土帆布在边坡防护领域的应用提供设计依据，文章对混凝土帆布护坡的设计与性能评价进行了研究。首先，进行了一系列试验；其次，研究了混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的抗压强度发展、拉伸强度和剪切强度。最后简要介绍了混凝土帆布护坡的施工过程，分析了混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布层的拉应力、剪应力和位移，并对混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的拉伸和剪切强度进行了比较。研究了不同养护时间的混凝土和喷射混凝土边坡的稳定性。

1 机械性能

喷射混凝土是公路工程中广泛应用于路堤边坡快速施工的一种工程材料。本节介绍了混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的组成和制备工艺。然后，测试了混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的抗压强度延展、拉伸和剪切性能，并与喷射混凝土进行了比较。

1.1 原材料及制备

混凝土帆布是一种三层复合构件(如图1所示)，其中底层是由复丝纤维制成的实心织物(SF层)，中间层是3D单丝纤维增强(间隔纱线)无机基质，顶层是由复丝纤维制成的网状织物(MF层)。中间层填充一种水泥材料，它最初是柔性的，湿润后几分钟就会硬化。

图1 混凝土帆布的三维结构

一般来说，3D间隔织物是用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维编织而成的。本研究中，3D间隔织物的厚度为15mm。SF层和MF层通过间隔纱线连接。这些间隔纱线可以改善水泥层和织物层之间的黏合，并防止基体开裂。在制备混凝土帆布的过程中，将一定比例的干粉混合物倒入混合器，以94r/min的速度搅拌10min，然后将混合好的粉末从MF层逐渐振动到3D间隔织物中。当三维间隔织物与粉末紧密浸渍时，在MF层上用环氧树脂黏合一层PVC膜，以密封混凝土帆布。环氧树脂固化后，混凝土帆布产品即可投入使用，需要提高混凝土帆布强度时，可在SF层表面喷自来水。如果水稍微渗入SF层，喷水将立即停止。样品制备在25°C的室温和75%的相对湿度下进行。本研究所用的混凝土帆布初凝时间小于20min，终凝时间仅为40min。

喷射混凝土是边坡防护快速施工的常用材料[13-15]。喷射混凝土的典型配合比被用作与混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的对比参考。喷射混凝土配合比见表1。

1.2 实验方法

受混凝土厚度的限制，用于抗压试验的混凝土帆布试样尺寸为15mm×15mm×30mm，而喷射混凝土试样尺寸为100mm×100mm×100mm。文章研究了它们1、3、7、28、60、180d的抗压强度。使用尺寸为270mm×80mm×15mm的板，在养护28d后获得普通混凝土、FRP增强混凝土帆布试样和喷射混凝土的抗拉强度。

当边坡防护层受到较大的侧向荷载作用时，边坡防护层可能发生剪切破坏。文章研究了固化10d后混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布在经纬面内方向的抗剪强度。剪切试验用混凝土帆布试样的尺寸为120mm×40mm×15mm。用双面剪切试验(如图2所示)测试混凝土帆布和FRP在厚度方向上的抗剪强度。样品尺寸为120mm×40mm×15mm。所有样品储存在养护室(20±2°C，60±5%RH)中，直到试验当天。

图2 双面剪切试验

2 结果分析

混凝土帆布和喷射混凝土的抗压强度随时间的变化如图3所示。混凝土帆布和喷射混凝土在180d的抗压强度大致相同，混凝土帆布的1d抗压强度约为42.92MPa(超过最终强度的80%)，而喷射混凝土的1d抗压强度仅为10.21MPa(约为最终强度的35%)。混凝土帆布的10d抗压强度几乎达到其最终强度的90%，而喷射混凝土仅达到其最终强度的40%左右。显然，早期高增长率的保护层抗压强度对于边坡工程的快速施工具有重要意义。

图3 混凝土帆布和喷射混凝土的抗压强度分析

混凝土帆布、喷射混凝土和FRP增强混凝土帆布的28d拉伸性能如图4所示。与喷射混凝土相比，混凝土帆布的抗拉强度在经向上提高了1.43MPa，在纬向上提高了0.82MPa。如图4(a)和图4(b)所示，由于3D织物的加入，混凝土帆布表现出典型的应变硬化行为，其极限拉伸应变超过20%，而喷射混凝土表现出脆性行为。经编混凝土帆布试样在第一次裂纹处的拉伸应力(0.72MPa)高于纬编混凝土帆布试样(0.17MPa)。在第一道裂纹之外，纬纱混凝土帆布表现出更迅速的拉应力增加。当经纬混凝土帆布的应变进一步增加到15.1%和22.0%时，其最大拉应力分别为1.43MPa和0.82MPa。经纬向角减小时，增强效率系数大幅度提高，经纬向试样产生差异。这是由于经纱/纬纱强力的贡献较大，沿加载方向的取向角减小。

FRP增强混凝土帆布的拉伸性能如图4(c)所示。AFRP的加入使纤维增强混凝土的初始裂纹强度提高了5倍。此外，FRP增强混凝土帆布试样的拉伸曲线表明，在应变为4.06%(经纱)和3.74%(纬纱)时，拉伸应力达到峰值。超过峰值应力后，拉应力突然减小，并伴有局部裂纹扩展。混凝土帆布胶接AFRP的塑性较低是由AFRP与混凝土帆布材料杨氏模量的差异造成的。混凝土帆布(约30GPa)和3D间隔织物(约10GPa)的杨氏模量远低于AFRP(123GPa)的杨氏模量。因此，AFRP可以在很小的拉伸应变下显著提高FRP增强混凝土帆布的拉应力。FRP增强混凝土帆布的承载力主要取决于AFRP的力学性能。但AFRP的极限应变远低于3D间隔织物，一旦破坏，AFRP就不能再加固混凝土帆布。然后，连铸机的应力迅速下降到普通连铸机的承载能力水平。

图4 混凝土帆布、喷射混凝土和FRP增强混凝土帆布的28d拉伸性能

综上所述，FRP增强混凝土帆布的极限应变低于混凝土帆布，AFRP的加入提高了混凝土的极限抗拉强度，但降低了延性。此外，AFRP的掺入可以显著提高混凝土帆布的抗弯强度。FRP增强混凝土帆布的抗弯抗拉强度可达到50MPa，而混凝土帆布的抗弯抗拉强度仅为4MPa。

混凝土帆布和FRP加固混凝土帆布在10d的抗剪强度如图5所示。经向抗剪强度为3.5MPa，纬向为3.0MPa。FRP增强混凝土帆布的极限抗剪强度在经纱方向为5.0MPa，在纬纱方向为4.4MPa。高抗剪强度避免了边坡土层承受较大水平荷载时的剪切破坏。混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的厚度方向抗剪强度分别为6.5MPa和13.5MPa。混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布在厚度方向的抗剪强度远高于经纬向的抗剪强度。

图5 混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的剪切性能

述试验结果表明，混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布具有高拉伸强度、快速硬化、高早期强度和高剪切强度的特点。这些特点使混凝土帆布成为快速施工护坡的理想材料。

3 结论

文章通过对混凝土帆布和FRP增强混凝土帆布的抗压强度、抗拉强度的测试，得出以下结论：

(1) 混凝土帆布的抗压强度发展比喷射混凝土快得多，最终抗压强度基本相同。尽管混凝土帆布的极限拉伸应变是喷射混凝土的2.0倍，但混凝土帆布在纬向的初始裂纹抗拉强度与喷射混凝土相似，约为0.5MPa。FRP加固能显著提高其抗拉强度，达9MPa，在厚度方向上其剪切强度可达10MPa。FPR加筋混凝土具有较高的抗拉强度和抗剪强度，作为应急工程和复杂地质条件下的边坡防护层具有更大的优势。

(2) FRP增强混凝土帆布具有较高的抗拉强度，显著提高了安全系数。采用FRP加固混凝土帆布作为护坡层时，高度为10m的土质边坡的安全系数达到2.0，而混凝土帆布仅能在6m以下的高度进行防护。由于混凝土帆布具有较高的早期抗拉强度和杨氏模量，FRP加固混凝土帆布层边坡在养护后24h内的安全系数至少达到1.4，而喷混凝土保护层边坡的安全系数小于1.2。这说明FRP加固混凝土帆布更适合作为快速施工的边坡防护层。

(3) 由于土体抗剪强度降低，边坡稳定性随降雨入渗降低。然而，由于保护层的低渗透性和高抗拉强度，由FRP加固混凝土帆布层保护的10m高的斜坡可以保持其稳定性。结合强度发展快的特点，在边坡工程中应用混凝土，对于在恶劣条件下(如强烈的落水、洪水、泥石流等)的快速施工具有重要意义。