基于钢纤维与聚丙烯纤维的喷射混凝土弯曲韧性研究

许 锋，曾 林，柳德虎，罗兰滨，杨金光

（福建冶地恒元建设有限公司，福建 福州 350108）

喷射混凝土是一种通过压缩空气射流成型的特殊混凝土，凝结硬化速度极快且施工中使用较简单，普遍应用于隧道初支、边坡加固等工程实践中。但目前工程中通常使用的喷射混凝土都属于准脆性材料，在拉应力荷载较高时可能会出现开裂等病害问题[1-3]，不利于隧道衬砌的稳定运行。工程实践中喷射混凝土通常应用于位置隐蔽的区域，问题排查及整改难以进行，如果该类区域出现渗水、漏水问题，则难以处置。因此，需进一步深入研究喷射混凝土的韧性特征和耗能能力，强化喷射混凝土隧道初支结构的安全性及耐久性，促进其在高应力区域和软岩大变形区域发挥作用[4-6]。

相关研究调查结果显示，掺入适当纤维能够帮助改良混凝土材料抗裂性能和耗能能力，高地应力条件下使用纤维喷射混凝土构设隧道初支结构的方案也已初步在部分工程中得到应用[7-9]。当前针对喷射混凝土技术的研究主要围绕模筑纤维混凝土开展，纤维喷射混凝土的相关研究报道较少。喷射混凝土中掺加有速凝剂等组分，相较于传统模筑混凝土而言工作性能有所改变，且工程实践中使用的纤维喷射混凝土对纤维具有特殊的尺寸及种类要求[10-12]。为确保工程实践中所用纤维喷射混凝土的弯曲性能，该研究设计试验分析不同纤维种类、掺量、直径及长度等条件下喷射混凝土的工作性能差异，以期推动纤维喷射混凝土技术更好地应用于实际工程项目中。

1 试验材料与配合比

试验中所用水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，混凝土强度为C30，粗集料和细集料分别为5～10 mm级配碎石和天然河砂，两者表观密度分别为2.70t/m3和275t/m3。

经试验及优化，试验所用混凝土质量配合比为水：石子：砂：水泥=185：886：754：470。所用添加剂包含减水剂和速凝剂，其中，速凝剂为高性能液体无碱速凝剂，掺加的质量分数为5%；减水剂为采购自河北某科技公司的聚羧酸高效减水剂，掺加的质量分数为0.8%。

试验中所用聚丙烯纤维和钢纤维包括4类尺寸与形状组合，具体见表1。

表1 4种型号纤维种类及性能指标Table 1 Types and performance indicators of four types of fibers

2 弯曲韧性试验

2.1 预切口三点弯曲韧性试验方案

根据文献[13]中相关描述制备试样，试样为长方体纤维混凝土梁，尺寸规格为100mm×100mm×400mm。制备试样并养护完成后，依据切口梁法进行弯曲韧性试验并测定弯拉强度和弯曲韧性。使用三分点法加载预切口，切口深度和宽度分别为10mm和2mm。试验设备为TONI TECHNIK伺服试验机，加载速度设定为0.2mm/min，使用LVDT传感器收集记录数据，包括梁体跨中的竖向挠度及加载位置的荷载水平，每1s测量一次。试验装置示意图如图1所示。

图1 纤维混凝土弯曲韧性试验装置（单位：mm）Fig. 1 Fiber reinforced concrete bending toughness test device (Unit: mm)

2.2 弯曲韧性指数计算

参考文献[13]，计算不同试件弯曲韧性指标。以预切口三点弯曲试验所得结果为依据画出纤维混凝土的荷载-挠度曲线，如图2所示。

图2 纤维混凝土荷载-挠度曲线Fig. 2 Load-deflection curve of fiber reinforced concrete

结合图2信息可知，从O点开始，荷载-挠度曲线随荷载水平提升可以大致分为如下阶段：

（1）弹性阶段

这一阶段中，荷载增大，挠度随之出现线性增长，开裂荷载为直线段终点A点处纵轴坐标，开裂挠度δ则为B点横轴坐标。

（2）应变硬化阶段

该阶段中，随位移发展，试件荷载逐渐增加，直到荷载达极限值为止。

（3）应变软化阶段

试件荷载降低而挠度继续增加，直至试件完全丧失承载能力。

图2曲线中，D点挠度为3.0δ，对应曲线中C点；F点挠度3.5δ，对应曲线中E点。假设纤维试件弯曲韧性指数为I5和I10，则两者对应的区域面积可表述为如下公式：

收集各组纤维喷射混凝土梁试件试验结果并绘制荷载-挠度曲线，即可计算各组材料弯曲韧性指数。而后用4种不同纤维分别以1.0%和0.7%体积掺量掺入喷射混凝土中并获取8种纤维混凝土，按照掺量及纤维型号分别制备混凝土梁试件，每个试验组均制作试件2个，最终结果取二者平均值。

3 试验结果分析

3.1 预切口三点弯曲试验结果

对不同试验组分别进行弯曲韧性试验，以所得结果为依据分别画出荷载-挠度曲线，具体如图3所示。

图3 纤维喷射混凝土弯曲试验荷载-挠度曲线Fig. 3 Load deflection curve of fiber sprayed concrete bending test

结合图3信息可知，纤维尺寸固定条件下，喷射混凝土极限荷载和开裂荷载随纤维掺量提升而增加。

结合图3（a）和图3（b）可得，钢纤维掺量固定条件下，喷射混凝土中纤维长度和极限荷载、开裂荷载均保持正相关关系。

结合图3（a）和图3（c）可得，钢纤维长度相同条件下，掺入弯钩钢纤维相较于普通直纤维，极限荷载和开裂荷载水平更加优良。

结合图3（a）和图3（d）可得，纤维几何尺寸、纤维掺量等因素固定条件下，聚丙烯纤维相较于钢纤维能够更显著地改良喷射混凝土临界荷载，换言之，聚丙烯纤维更有利于优化纤维喷射混凝土的抗裂性能。

3.2 纤维喷射混凝土弯曲韧性求解

结合公式（1）、（2）计算各组材料弯曲韧性指数，所得结果见表2。

表2 纤维喷射混凝土弯曲韧性计算结果Table 2 Calculation results of bending toughness of fiber sprayed concrete

由表2可知，纤维掺量在一定范围内，混凝土开裂挠度、极限荷载和弯曲韧性均随纤维体积掺量提升而提升。但当纤维用量超出一定水平后，喷射混凝土工作性能反而会出现下降。

结合GW30-55及GW40-55的数据可得，掺入固定掺量钢纤维条件下，纤维长度和开裂挠度、临界荷载及弯曲韧性指数之间保持正相关关系，而纤维长度超出一定长度后会对施工效率产生不利影响，导致混凝土流动性较弱。因此，工程实践中一方面应当考虑纤维增韧效果，另一方面则需考虑施工便捷性。

结合GW30-55及GW30-20的数据可得，维持钢纤维长度水平不变，相较于普通直纤维，弯钩形状钢纤维能够更大幅度改良材料弯曲韧性。

结合GW30-55及PP30-55的数据可得，维持纤维几何尺寸固定，则使用聚丙烯纤维改良材料韧性的效果更佳，且聚丙烯纤维增强混凝土弯曲韧性在掺量为1.0%时达最大值（I5=13.10）。

结合上述内容可得，在试验设定条件内，随纤维长度增加，纤维喷射混凝土弯曲韧性不断增强，但工程实践中需要兼顾施工便捷性及增韧效果确定合适的纤维长度。表面压痕聚丙烯纤维或端部弯钩状钢纤维均能有效强化混合料韧性水平，因此不建议工程实践中采用普通直状纤维。选择纤维种类时，钢纤维或聚丙烯纤维均能有效改良纤维喷射混凝土的增韧效果，但实验过程中聚丙烯纤维的增韧效果优于钢纤维，其原因可能在于试验所用聚丙烯纤维采取了表面压痕处理，且自身有良好的抗拉强度。预切口三点弯曲试验结果表明，PP30-55试件最终发生破坏的形式皆为纤维拔出，分析认为，经表面压痕处理的纤维材料能够大幅强化纤维和基体之间粘结效果，提高拔出耗能水平，进而达到强化材料弯曲韧性的效果。

4 结论

（1）纤维掺量及几何形状相同条件下，随纤维长度增加，喷射混凝土弯曲韧性水平快速增长。工程实践中选定纤维长度水平时应兼顾工作便捷性及增韧性能。所设计试验中，采用GW40-55弯钩钢纤维的纤维喷射混凝土时能够表现出良好的弯曲韧性水平，工作性能也处于较高水平。

（2）经表面压痕处理的聚丙烯纤维或设置弯钩的钢纤维能够有效强化纤维和基材之间粘结性能，一定程度提升纤维拔出时的耗能水平并提高纤维喷射混凝土的弯曲韧性水平。

（3）掺入纤维尺寸、掺量等条件固定时，聚丙烯纤维具有高于钢纤维的增韧作用，临界载荷更大，即弯曲韧性和抗裂性能更强，聚丙烯纤维的最佳掺量为1.0%，此时弯曲㓞性指数5=13.10。