马双狮 孙金坤 周文峰 蒋中友 杨 倩

Cement and concrete production 水泥与混凝土生产

湿喷混凝土和湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土强度对比分析

马双狮1孙金坤2周文峰2蒋中友1杨 倩2

（1.西华大学土木建筑与环境学院，四川 成都 610039；2.攀枝花学院土木与建筑工程学院，四川 攀枝花 617000）

考虑喷射混凝土和普通混凝土一样存在抗弯、抗拉能力较低及韧性较差等问题，对湿喷混凝土与湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土进行强度试验。通过实验结果分析可以得出湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土的力学性能优于普通湿喷混凝土，其中钢纤维的掺入使得高钛重矿渣混凝土的力学性能大幅增强，相较于普通湿喷混凝土抗压强度提升34.34%、抗拉强度提升57.06%、抗折强度提升36.32%，具有更好的柔韧性与抗裂性。

湿喷混凝土；湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土；抗压强度；抗拉强度；抗折强度

0 引言

喷射混凝土最初是由机喷砂浆发展而来，距今已经有一百多年的发展历史。最早使用喷射混凝土支护技术的是20世纪40年代修建奥地利卡普隆水力发电站的米尔隧洞，在初始阶段，人们只会使用干喷法，但其喷射成型的衬砌强度低、易开裂、韧性差以及施工过程中粉尘浓度高、回弹率高等问题[1]。20世纪70年代湿喷法逐步兴起，相对于干喷法降低了粉尘浓度和高回弹率改善了施工环境，但难以避免喷射混凝土本身抗变形差、易开裂、抗渗性差、耐久性差等问题，直到纤维混凝土的出现使得这一问题得以改善[2]。在喷射混凝土内部加入纤维改善其本身的结构，通过纤维与水泥基体复合，增加其抵抗变形、开裂和耐久性差的问题，其中钢纤维应用较为广泛因为其具有较高抗拉强度、握裹力强等优点。高钛重矿渣多孔的特性使得钢纤维与高钛重矿渣的内聚力与摩擦力大大提高，与水泥基体的亲和力也会随之增强，加上高钛重矿渣本身抗冲击韧性、耐久性能、抗渗性能好以及干燥收缩小[3-4]，与钢纤维的复合提高了喷射混凝土抵抗变形、开裂和耐久性差的能力。通过对湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土与普通湿喷混凝土的强度性能对比分析，可以对湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土在工程的应用提供一种思路。

1 力学性能对比分析

1.1 抗压强度

本实验方案根据 GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[5]采用立方体抗压强度Fcu强度标准，制作立方体抗压强度试验非标准试块，尺寸边长100 mm，采用万能力学试验机连续且均匀地以0.05~0.08 MPa/s的速度对试件进行加载直到破坏，测得极限抗压强度，根据规范该强度有一个换算系数为0.95，实测抗压强度的0.95倍得到实验室标准抗压强度，根据以下公式计算：

式中：Fcu--喷射混凝土立方体试件抗压强度（MPa）；

F--试件破坏载荷（N）；

A--试件承压面积（mm2）。

通过上述试验方法实际测得普通湿喷混凝土和湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土立方体抗压强度如下表。

表1 立方体抗压强度实验结果

通过表1可知：普通湿喷混凝土7d抗压平均破坏荷载为346.21kN，平均抗压强度是32.89MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土7d抗压平均破坏荷载为463.16MPa，平均抗压强度为44.0MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗压强度提高了33.78%；14d普通湿喷混凝土抗压平均破坏荷载为428.31kN，平均抗压强度是40.69MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土14d抗压平均破坏荷载为593.16MPa，平均抗压强度为56.35MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗压强度提高了38.49%；28d普通湿喷混凝土抗压平均破坏荷载为479.68kN，平均抗压强度是45.57MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土28d抗压平均破坏荷载为644.41MPa，平均抗压强度为61.22MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗压强度提高了34.34%。

1.2 抗折强度

抗折强度主要体现材料的柔韧性，本实验采用100 mm×100 mm×400 mm 的非标准棱柱体试件，根据 GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规范中尺寸换算系数标准对测得的结果进行换算，换算系数一般为 0.85。测定喷射混凝土抗折破坏载荷F，然后根据下列公式计算得到Ff：

式中：Ff--喷射混凝土抗折强度（MPa）；

F--破坏载荷（N）；

l--支座间跨度（mm）；

师：这几位同学真不简单，敢于大胆的质疑教材，还能分析得如此深刻。这种怀疑精神，我们每一位学生最好都应该具有的。

b、h--试件截面的高度和宽度（mm）。

通过上述试验方法实际测得普通湿喷混凝土和湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土棱柱体抗折强度如下表。

表2 棱柱体抗折强度实验结果

表2实验结果表明：14d普通湿喷混凝土抗折平均破坏荷载为16.196kN，平均抗折强度是4.13MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土14d抗折平均破坏荷载为26.471MPa，平均抗折强度为6.75MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗折强度提高了63.44%；28d普通湿喷混凝土抗折平均破坏荷载为19.176kN，平均抗折强度是4.89MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土28d抗折平均破坏荷载为30.134MPa，平均抗折强度为7.68MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗折强度提高了57.06%。

1.3 抗折强度

抗折强度是衡量混凝土抗开裂性能的主要指标。喷射混凝土的劈裂抗拉强度高则可以保障喷射混凝土在巷道围岩之间起到很好的支护作用，保证支护的稳定性。本实验根据 GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》规定进行实验，由于采用轴向拉伸试验在夹具处易发生应力集中导致局部破坏，加载过程中轴线校准困难易发生偏拉现象使测试结果发生较大误差，故制作150mm×150 mm×150 mm的标准立方体试块进行实验，通过下式进行计算得到劈裂抗拉强度。

式中：Fts--立方体劈裂抗拉强度（MPa）；

F--试件破坏载荷（N）；

A--试件劈裂面面积（mm2），A=bh；

b、h--劈裂面试件宽度、高度（mm）。

表3 立方体抗折强度实验结果

通过表3的实验结果表明：普通湿喷混凝土14d能够承受的平均破坏荷载为113.383kN，平均抗拉强度是3.21MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土14d抗拉平均破坏荷载为163.540MPa，平均抗拉强度为4.63MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗拉强度提高了44.23%；28d普通湿喷混凝土抗拉平均破坏荷载为138.108kN，平均抗拉强度是3.91MPa，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土28d抗拉平均破坏荷载为188.106MPa，平均抗拉强度为5.33MPa，相对于普通湿喷混凝土的抗拉强度提高了36.32%。

2 柔韧性与抗裂性对比

喷射混凝土的柔韧性和抗裂性存在正相关关系，一般来说提高喷射混凝土柔韧性，能够减缓喷射混凝土的开裂趋势，其抗裂性也越好。柔韧性可以通过抗折强度进行表征，而抗裂性可以粗略的使用折压比系数 λ 来表征。

式中： λ--折压比系数；

Ff--喷射混凝土抗折强度（MPa）；

Fcu--喷射混凝土抗压强度（MPa）。

折压比系数是个定义性的概念，这样的比值正好和抗裂性成对应的比例关系[6]，普通湿喷混凝土和湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土的折压比系数见表4。

表4 喷射混凝土折压比系数

通过表4可以看出：普通湿喷混凝土28d折压比系数为0.107，湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土28d折压比系数为0.125，说明其抗裂性优于普通湿喷混凝土，整体来看湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土的柔韧性和抗裂性更好，更适合于巷道围岩的支护。

3 结论

（1） 湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土7d的抗压强度是44.0MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升33.78%；14d的抗压强度是56.35MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升38.49%；28d的抗压强度是61.22MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升 34.34%。

（2）湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土14d的抗折强度是6.75MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升63.44%；28d的抗折强度是7.68MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升57.06%。

（3）湿喷钢纤维全高钛重矿渣混凝土14d抗拉强度是4.63MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升44.23%；28d抗拉强度是5.33MPa，其值相对普通湿喷混凝土提升36.32%。

（4）掺入钢纤维的全高钛重矿渣湿喷混凝土相较于普通湿喷混凝土具有更高的强度、柔韧性及抗裂性。

[1]李伏虎，马芹永.纤维材料在喷射混凝土中的应用与研究进展[J].化工新型材料，2013（8）：169-171.

[2]朱广兵.喷射混凝土研究进展[J].混凝土，2011（4）：105-109.

[3]孙金坤.全高钛重矿渣混凝土应用基础研究[D].重庆大学，2006.

[4]杨贺，梁贺之，迭健，等.高钛重矿渣纤维混凝土力学性能试验研究[J].钢铁钒钛，2020，41(02):69-74.

[5]混凝土物理力学性能试验方法标准：GB/T50081—2019[S].北京：中国建筑工业出版社，2019.

[6]任禹，成云海，王贯东，等.湿喷混凝土力学性能试验分析及高应力巷道支护应用[J].混凝土，2013（3）：128-130+133.

马双狮（1994- ），男，四川省攀枝花市，汉族，学历：硕士研究生，单位：西华大学土木建筑与环境学院，研究方向：建筑材料。

孙金坤（1975- ），男，云南省江川县，汉族，学历：博士研究生，职称：教授，单位：攀枝花学院土木建筑与工程学院。

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