王国珍 杨 科

（山东科技大学 土木工程与建筑学院， 山东 青岛 266590)

0 引言

20世纪60年代中期，英国人Majumdar首先研制成功了钢纤维并申请了专利，此后英国专家学者相继投入到钢纤维生产工艺研究工作上来，并对钢纤维混凝土物理力学性能开展了研究工作。20世纪90年代初，专家们在荷兰召开的“国际会议”上认为提高钢纤维维的耐碱性拥有一定限度，通过降低水泥水化物溶液的碱度以提高水泥与钢纤维的相容性。此后，钢纤维混凝土开始进入实际应用阶段，相继在各个国家推广使用并迅速实现工业化生产。1975年之后，我国才开始针对钢纤维混凝土开展大量研究与应用。1983年，我国将钢纤维的应用技术研究纳入到国家重点科技攻关项目。此后，相继研发了轻质钢纤维保温板、隔墙板等，并将其投入到实际工程领域中，拥有较强的应用效果。

经过四十多年以来国内外对钢纤维性能研究，为了使得钢纤维喷射混凝土的抗压、抗拉强度得以提高，可以在普通喷射混凝土中加入钢纤维。将钢纤维维掺入到水泥基体中可改善水泥的力学性能。针对钢纤维这种特殊复合材料而言，钢纤维维在水泥基体中的强度与韧性的大小能够影响钢纤维维最终的增强增韧效果。因水化后溶液对钢纤维维造成大量腐蚀，大量专家学者尝试多种方法对钢纤维的耐腐蚀性进行改善。其一，增强钢纤维维自身耐碱能力；其二，对水泥基体材料进行改性，主要以向水泥基体中加入火山灰质材料、聚合物的方式进行改进，或者研究碱度较低的水泥水化溶液，以降低水化产物中碱含量。

目前，伴随着钢纤维生产技术逐渐提高，研究工作不断深入，生产成本不断降低，针对钢纤维混凝土这种复合材料的结构构件试验、理论分析、设计方法的研究不断完善，钢纤维混凝土的工程应用研究工作更是如火如荼。

JD Krupa Abel等研究了钢纤维混凝土混合组成的复合材料，并分析了硬度、冲击强度、摩擦系数、等因素对这种复合材料的影响规律。Mohammadreza Eftekhari等利用芬德利功率法和时间-应力等效原理（TSS）用以代表非线性粘弹性蠕变曲线，并研究了钢纤维增强混凝土在室温与高温条件下的蠕变强度发展规律。GJ Ma，HQ Xue 等研究了对不同掺量钢纤维混凝土进行了单向拉伸试验，分析了不同掺量的钢纤维对混凝土抗拉强度的影响规律。M.A.Ali，A.J.Majumdar等研究不同掺量、体积分数、长径比的钢纤维对混凝土力学性能的影响规律。

根据不同的工程地质条件隧道施工开挖之后，需要及时向围岩喷射钢纤维混凝土来控制围岩的变形和松弛。喷射钢纤维混凝土时，需要快速施工，混凝土快速达到一定的强度，但目前针对钢纤维喷射混凝土的物理力学性能研究的相关文献屈指可数，钢喷射混凝土在隧道锚喷支护中的应用更是少之又少。因此，我们很有必要的进行钢纤维喷射混凝土力学性能研究，为更加深入地研究钢纤维喷射混凝土应用于隧道锚喷支护中奠定基础。

1 劈拉强度

钢纤维混凝土最大优点是起具有极优良的拉伸性能，其中抗拉强度是钢纤维喷射混凝土最重要的力学参数之一。抗拉强度能够间接反应钢纤维喷射混凝土的其他力学指标，如抗剪强度、冲切强度和钢纤维与混凝土之间的粘结强度等。通过试验证明采用抗折试验和圆柱体或立方体的劈拉试验，也能够确定混凝土的抗拉强度。钢纤维喷混凝土的标准试验方法采用劈拉试验，劈拉强度就为钢纤维喷射混凝土的整体抗拉强度。

钢纤维喷射混凝土的立方体抗压强度试验方法与普通混凝土的试验方法相同，都是采用边长为150mm立方体试件进行试验；但当纤维长度小于等于40mm时，可以采用边长为100mm立方体试件，最后实验结果需要乘以0.8的换算系数。在具体试验时还需考虑试验的加载速度，加载速度宜选取速度为0.02～0.05Mpa/s，当试件在接近破坏且变形加速的状态时，关闭试验机油门，记录下试件破坏过程中的最大荷载，精确至0.01MPa。

2 抗折强度

在隧道衬砌、巷道加固、公路及机场路面工程等领域，往往会遇到构件承受弯曲应力的情况，这也是钢纤维混凝土的优势。为了更好的为设计提供可靠的数据必须对钢纤维喷射混凝土的弯曲性能、抗折强度进行研究，通过这些指标对施工期混凝土质量进行有效控制。对普通混凝土梁进行弯曲试验，试验发现试验普通混凝土梁开裂即断，呈现脆性破坏，因此把普通混凝土梁的初裂强度作为梁的整体的抗折强度。抗折强度是评价钢纤维喷射混凝土以及喷射混凝土性能的重要指标之一。钢纤维喷射混凝土的弯曲性能在隧道衬砌、巷道加固等工程中表现尤为突出。同时，必须考虑到梁的界面尺寸、加载方式、跨高比、加载速度对梁抗折强度的影响。在钢纤维喷射混凝土中，由于钢纤维的阻裂增强和边壁作用，使得与普通混凝土梁的强度存在很大差异，钢纤维喷射混凝土的抗折强度与初裂强度有明显提高，并且与钢纤维的特征参数呈线性相关特性。

抗折强度作为钢纤维喷射混凝土性能评价的重要指标之一，在掺入钢纤维时，使得混凝土的强度发生了改变，此时在钢纤维混凝土的边缘界面上，钢纤维所承受的承受一部分拉应力，会使得混凝土的抗拉强度发生一定的降低，从而使得使混凝土的抗拉应力重分布，试验表明混凝土的抗折强度也有显著的提高。在试验中发现钢纤维喷射混凝土的抗折试验试件尺寸之间的换算系数要比一般普通混凝土的换算系数大，通过试验研究发现是由于试模边缘的钢纤维受到一定的约束作用引起模型产生定向作用。通过试验表明，试件进行试验测得的抗折强度值应乘0.82换算系数。

3 早期抗压强度结果及分析

根据不同的工程地质条件隧道施工开挖之后，需要及时向围岩喷射钢纤维混凝土来控制围岩的变形和松弛。喷射钢纤维混凝土时，需要快速施工，混凝土快速达到一定的强度，这样既能防止围岩变形和松弛，维护围岩的自稳能力，又能防止钢纤维喷射混凝土因自重原因脱落，因此，钢纤维喷射混凝土的早期强度对于隧道中快速施工、隧道衬砌结构的稳定性非常重要。

根据现场施工条件以及试验条件的局限性，在试件制作时，根据选定的钢纤维喷射混凝土的配合比，对材料进行搅拌，钢纤维喷射混凝土的配合比与普通喷射混凝土相比，比除了掺入钢纤维外，其它配合比与普通混凝土基本相同。

钢纤维喷射混凝土与普通喷混凝土相比，钢纤维喷射混凝土的早期强度得到明显增高，早期抗压强度增幅也不断加大，因此在普通混凝土中掺入一定量的钢纤维，能够大大增加喷射混凝土的早期强度，在隧道单层衬砌的施工过程中，钢纤维喷射混凝土能够快速达到一定强度，防止围岩变形，同时也能防止因自重钢纤维喷射混凝土脱落。

4 结论

本文分析了钢纤维喷射混凝土及普通喷射混凝土的抗压强度、抗拉强度、早期强度、粘结强度、以及不同纤维类型及掺量下的强度进行了阐述，并对早期抗压强度进行分析, 喷射钢纤维混凝土时，需要快速施工，混凝土快速达到一定的强度，这样既能防止围岩变形和松弛，维护围岩的自稳能力，又能防止钢纤维喷射混凝土因自重原因脱落。在隧道衬砌、巷道加固、公路及机场路面工程等领域，往往会遇到构件承受弯曲应力的情况，这也是钢纤维混凝土的优势。为了更好的为设计提供数据必须对它的弯曲性能、抗折强度进行的研究，通过这些指标对施工期混凝土质量进行有效的控制。

[1]刘永胜, 王志亮, 李永池,等. 钢纤维混凝土力学特性与本构模型研究[J]. 低温建筑技术, 2009, 31(08):32-34.