任 崇 财

(1.山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006； 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

钢纤维喷射混凝土力学性能研究及应用

任 崇 财1,2

(1.山西省交通科学研究院， 山西 太原 030006； 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

以不同体积掺率的钢纤维作为因变量，设计了钢纤维喷射混凝土的配合比，通过室内试验检测了其力学性能，并通过工程应用实例对其在隧道工程中应用效果进行研究。室内试验表明：当钢纤维体积掺率由0.0%增加到0.8%时，各龄期下钢纤维喷射混凝土的抗拉与抗折强度得到了较大的提高；同时考虑满足钢纤维喷射混凝土的力学性能和经济效益的情况下，建议钢纤维的最佳体积掺率取0.6%。工程应用表明：在隧道二衬结构中采用钢纤维喷射混凝土后，具有施工方便、早期强度高、能够与围岩紧密接触并提供支护抗力，对围岩扰动少等优点，且衬砌结构受压应力较小，满足结构安全设计要求，应用前景广阔。

钢纤维；喷射混凝土；力学性能；室内试验；工程应用

钢纤维喷射混凝土在普通混凝土中掺入一定比例的钢纤维，均匀拌合后通过压缩空气快速喷射至结构面可以形成一种抗弯拉、抗剪切、抗裂及抗磨性能优异的一种新型复合材料[1-2]。目前，该种材料在道路、桥梁、隧道及地下工程中得到了较好的推广，并取得了良好的工程应用效果。

国内外学者基于钢纤维混凝土的广阔应用前景，对其进行了广泛的研究。高尔新等[3]通过理论研究，基于钢纤维的分布规律，从微观上分析了其受力特性。范新等[4]在理论分析方法的基础上，对其在各工程结构中的强度及稳定性进行了理论分析及研究。韩玉芳等[5]论证研究了其在隧道工程中的应用可行性及应用效果。曹康建[6]介绍了在宜昌—巴东高速公路峡口隧道斜井中的应用。宋艳等[7]通过室内试验和数值模拟研究了钢纤维喷射混凝土在深井软岩隧道中的支护效果。由于钢纤维混凝土的运用日益增长，对材料、力学性能与应用的研究尤为重要，但国内外对钢纤维喷射混凝土的力学性能缺乏系统的研究，其在工程中的应用效果亦需论证。

本文以不同体积掺率的钢纤维作为因素变量，设计了钢纤维喷射混凝土的配合比，通过室内试验检测了其力学性能，并通过工程应用实例对其在隧道工程中应用效果进行研究，具有重要意义。

1 室内试验

1.1 试验材料

(1) 钢纤维。采用破浪弯曲型剪切钢纤维，其当量直径平均为0.5 mm，抗拉强度不小于500 MPa，长径比为55。

(2) 集料。粗骨料采用隧道工程现象基质石灰岩碎石，采用连续级配，其粒径为6.0 mm～10.8 mm。细骨料采用普通河砂，其细度模数为2.6。

(3) 水泥及外加剂。水泥采用海螺CONCH牌42.5R普通硅酸盐水泥。外加剂为SY-7A型无碱液体速凝剂；硅粉的掺入量为1.8%水泥用量，拌合所用水为自来水。

1.2 配合比设计

综合考虑抗压、抗弯强度及抗折性能进行混合料的配合比设计，速凝剂的掺入量取6%，制备试件时，分别取钢纤维的体积掺率分别为0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%。拌和方法采用先干拌后湿拌，各试件的材料质量配合比组成如表1所示。

表1 钢纤维喷射混凝土配合比

1.3 试件制备

试件将基于隧道现场实际情况进行制备，采用实地喷射装模。对试件实地养护2 d后进行拆模，脱模后转移至试验室进行28 d标准养护方可进行相关试验。

1.4 试验方案

参照相关标准[8]，对钢纤维喷射混凝土试件分别进行抗压、抗拉与抗折强度试验。其中，抗压强度试验的试件尺寸采用标准立方体试件，抗拉与抗折强度试验的采用标准小梁试件。试验采用WAW-2000型万能试验机，设定应变率为10-4/s作为加载控制方式。

2 室内试验结果分析

2.1 钢纤维喷射混凝土的应力-应变曲线

配合比相同的情况下，对比A组与D组试件无侧限抗压强度试验结果，可得两类混凝土的应力-应变曲线如图1所示。

图1不同类型混凝土的应力-应变曲线

由图1可知，两种类型混凝土的抗压强度值相差不大，其值受钢纤维的掺入影响并不明显。相比于普通混凝土，钢纤维混凝土的弹性模量值要略低，且在相同峰值应力下，其峰值应变增加。另一方面，由图1可知，普通混凝土的应力-应变曲线下降时斜率较大，曲线陡峭，呈脆性破坏特征。而钢纤维喷射混凝土的应力-应变曲线下降幅度较为平缓，有一定的缓冲，呈塑性变形破坏特征，这是因为，钢纤维的掺入，大大提高了混凝土的抗拉强度，使得混凝土出现开裂时，由于钢纤维与混凝土紧密粘结在一起，充分发挥了钢纤维的抗拉性能，从而使混凝土的韧性明显提高，由脆性破坏转为塑性变形破坏。

2.2 纤维体积掺率对钢纤维喷射混凝土抗压强度的影响

相应龄期下，不同钢纤维体积掺率下的混凝土抗压强度试验结果如图2所示。

图2钢纤维体积掺率对抗压强度的影响

由图2可知，对于钢纤维喷射混凝土，相应龄期下，随着钢纤维体积掺率的增加，其抗压强度呈增大趋势，但增加幅度不大，曲线平缓增长，其中纤维掺率为0.8%时，28 d抗压强度提高幅度为20.7%。观察图2可知，钢纤维体积掺率为0.4%时，钢纤维喷射混凝土的14 d抗压强度发生了降低，这是因为钢纤维混凝土试件在制备时由于振捣不均匀而造成内部密实度较低，从而降低了早期抗压强度。

2.3 纤维体积掺率对钢纤维喷射混凝土抗拉强度的影响

14 d与28 d龄期下，不同钢纤维体积掺率下的混凝土抗拉强度试验结果如图3所示。

图3钢纤维体积掺率对抗拉强度的影响

由图3可知，当钢纤维体积掺率由0.0%提高到0.8%时，各龄期下钢纤维喷射混凝土的抗拉强度得到了大幅度提高。其中，当钢纤维体积掺率为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%时，相比于普通混凝土，28 d抗拉强度提高幅度分别达到了31.2%、55.5%、89.3%、97.6%。因此，当钢纤维体积掺率为0.6%时，混凝土抗拉强度已得到了很好的增强，继续提高纤维掺率，增强效果已不明显。因此，就增加混凝土的抗拉强度而言，工程应用中可取其最佳体积掺率为0.6%。分析抗拉强度增强机理可知，钢纤维掺入拌合后，其与混凝土将紧密结合在一起形成统一整体，当混凝土材料达到极限抗拉强度后，钢纤维与水泥胶体的界面粘结力将阻止裂缝的扩展，同时钢纤维将拉应力向周围转移并承担大部分拉应力，使得混凝土抗拉强度得到大幅度增强。

2.4 纤维掺率对喷射混凝土抗折强度与抗折初裂强度的影响

制备不同纤维掺率试件，待试件养护至28 d后，对其进行抗折试验，试验结果如表2所示。

表2 钢纤维喷射混凝土的抗折试验结果

由表2可知，在普通混凝土中分别掺入0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的纤维体积掺率后，其抗折初裂强度分别提高了9.57%、38.03%、62.50%、69.41%；抗折强度分别提高了14.07%、48.19%、76.55%、83.80%。因此，钢纤维掺入后，混凝土的抗折初裂强度与抗折强度得到了有效的改善，其中抗折强度改善效果优于抗折初裂强度。同时，当钢纤维体积掺率由0.6%提高到0.8%时，其抗折强度增强效果已不显著，钢纤维的掺率接近饱和。因此，针对抗折强度而言，考虑经济效益，工程应用中可取钢纤维的最佳体积掺率为0.6%。

2.5 纤维掺率对钢纤维喷射混凝土弯曲性能的影响

工程中，隧道支护时的喷射混凝土将受到弯矩作用，其弯曲性能可通过弯曲韧性进行表征。本文参照相关规范标准[8]，采用ASTMC1018韧度指数方法分别计算设定挠度所对应下的弯曲韧度指数ηm5、ηm10、ηm30，其中，挠度分别设定为3.0、5.5、15.5倍初裂挠度。钢纤维喷射混凝土的实测荷载-挠度曲线如图4所示，其弯曲韧度指数计算结果如表3所示。

图4钢纤维喷射混凝土的实测荷载-挠度曲线

由图4可知，对于钢纤维喷射混凝土，其在大挠度与开裂的情况下，仍具备相当高的韧性，而普通混凝土荷载-挠度曲线开裂后极速下降。因此，钢纤维的掺入显著提高了混凝土的韧性，弯曲性能得到了有效增强。

表3 钢纤维喷射混凝土的弯曲韧度指数

由表3可知，对于钢纤维喷射混凝土，当钢纤维体积掺率由0.2%增加到0.8%的过程中，其弯曲韧度指数得到了有效的增加。其中当钢纤维的体积掺率大于0.6%后，弯曲韧度指数增长幅度开始减缓。而普通混凝土开裂后即发生折断，呈脆性破坏。

3 工程应用

3.1 工程概况

某隧道处于新建高速公路上，隧道全长6.5 km，地处构造剥蚀中低山区，地形复杂，隧道出口处500 m范围内岩层出现层间破碎。实际踏勘并进行专家会审后，决定对II类、III类围岩采用钢纤维喷射混凝土技术，并确定隧道左线ZK64+235—ZK64+259 、右线YK63+500—YK73+501采用全断面钢纤维湿式喷射混凝土进行施工取待挂网喷射混凝土施工。其中钢纤维的体积掺率取0.6%，各材料的性能、配合比设计均同室内试验。

3.2 施工质量控制要点

(1) 拌合。采用强制式拌合工艺，按试验配合比确定各材料用量，先加集料、水泥及钢纤维干拌30 s左右，再加水及外加剂湿拌70 s左右出料。

(2) 岩面处理。采用湿喷法进行喷射，喷射前应对岩面进行处理，采用高压水冲去岩面残留岩块及石粉；为保证喷射湿度及粘附力，喷射前应在工作面上适当洒水。

(3) 喷射工艺。喷射混凝土时，喷射角度应在80°～90°内，喷嘴至需要喷射面的距离宜为0.8 m～1.0 m，应按螺旋形轨迹进行移动喷射，每次喷射厚度应小于5 cm。

(4) 养护。喷射完成后并当纤维喷射混凝土终凝2 h后，应对衬砌处进行喷水养护，养护时间不低于14 d。

3.3 钻芯取样分析

对隧道左线ZK64+235—ZK64+259(共两段，每段10 m)、右线YK63+500—YK73+501(共5段，每段20 m)钢纤维喷射混凝土段进行钻芯取样，对比室内试验检测钢纤维喷射混凝土的强度。检测结果如表4所示。

表4 钢纤维喷射混凝土段钻芯取样检测结果

由表4可知，各路段钻芯取样结果表明，钢纤维喷射混凝土在各龄期下抗压强度与抗拉强度均大于室内试验值，且较好的满足相应设计强度要求，具有良好的强度。

3.4 现场监测与分析

为对钢纤维喷射混凝土路段衬砌结构对周围岩层的扰动情况以及自身实际力学性能进行评测，遂对其进行了现场检测。选取右线YK63+500—YK73+501中第3段进行围岩应力与钢纤维喷射混凝土衬砌结构应力进行现场监控测量。

(1) 围岩应力。围岩应力的监控设备采用JXY-3型双模压力盒进行测量，压力盒分别布设在墙腰、拱腰及拱顶处，围岩应力监测结果如图5所示。

图5 YK63+540—YK73+560段围岩应力监测曲线

由图5可知，围岩应力在时间增长的情况下呈增大趋势，并逐渐趋于平稳。围岩最大应力出现在墙腰右侧，最大为0.28 MPa，且各测点的围岩应力均较小，在可控范围内。说明钢纤维衬砌结构能够与围岩紧密接触，提供支护抗力且对围岩扰动少。

(2) 钢纤维喷射混凝土衬砌结构应力。采用振弦式应变计对钢纤维喷射混凝土衬砌结构的应力进行监控测量，应变计分别布设在墙腰、拱腰及拱顶处的喷层中间，测试的方向选择径向应力的方向。钢纤维喷射混凝土衬砌结构应力监测结果如图6所示。

图6 YK63+540—YK73+560段钢纤维喷射混凝土衬砌结构应力监测曲线

由图6可知，钢纤维喷射混凝土衬砌结构的应力随时间的增加缓慢增长并逐渐趋于平稳，最终增长趋势几乎为0。钢纤维喷射混凝土衬砌结构的最大压应力出现在左侧墙腰处，最大为0.52 MPa，且其余各测点的应力值均较小，说明衬砌结构受力较小，满足结构安全设计要求。

4 结 论

(1) 钢纤维掺入后与混凝土紧密粘结在一起形成统一整体，充分发挥了其抗拉性能，从而使混凝土的韧性明显提高，由脆性破坏转为塑性变形破坏。

(2) 当钢纤维体积掺率由0.0%增加到0.8%时，各龄期下钢纤维喷射混凝土的抗拉与抗折强度得到了较大的提高；同时考虑满足钢纤维喷射混凝土的力学性能和经济效益的情况下，建议钢纤维的最佳体积掺率取0.6%。

(3) 工程应用表明：在隧道二衬结构中采用钢纤维喷射混凝土后，具有施工方便、早期强度高、能够与围岩紧密接触并提供支护抗力，对围岩扰动少等优点。且衬砌结构受压应力较小，满足结构安全设计要求，应用前景广阔。

(4) 由于隧道环境复杂，钢纤维喷射混凝土的耐久性有待进一步研究和探讨。

[1] 王战兵．浅谈喷射钢纤维砼在隧道加固工程中的应用[J].山西交通科技，2003(S2):76-77．

[2] 李文兵．钢纤维混凝土断裂性能的试验研究[J]．交通科技，2010(1):84-86．

[3] 高尔新,李元生,薛 玉.喷射混凝土钢纤维分布特性分析[J].岩土工程学报,2002,24(2)：202-203.

[4] 范 新,章克凌,王明洋.钢纤维喷射混凝土支护抗常规爆炸震塌能力研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(7)：1437-1442.

[5] 韩玉芳,谢士宏,吕臣敬.喷射钢纤维混凝土的工程特性及在隧道工程中的应用[J].石家庄铁道学院学报(自然科学版),2007,20(3)：99-101.

[6] 曹康建.湿喷钢纤维混凝土在隧道单层衬砌中的应用[J].水利与建筑工程学报，2011,9(3)：83-102．

[7] 宋 艳，朱珍德，张慧慧.深埋隧道喷射钢纤维混凝土支护的数值模拟[J].水利与建筑工程学报,2013，11(2)：204-208．

[8] 中国工程建设标准化协会.钢纤维混凝土试验方法：CECS13：2009[S].北京：中国计划出版社，2009.

ExperimentalStudyonMechanicalPropertiesofSteelFiberReinforcedShotcreteanditsApplicationinTunnelEngineering

REN Chongcai1,2

(1.ShanxiTransportationResearchInstitute,Taiyuan,Shanxi030006,China; 2.KeyLaboratoryofHighwayConstructionandMaintenanceTechnologyandTransportationIndustryinLoessArea,Taiyuan,Shanxi030006,China)

By taking different volume of steel fiber as a factor, this paper designed the mixture ratio of steel fiber shotcrete and then analyzed its mechanical properties by laboratory test, and discussed the application effects in tunnel engineering. Laboratory tests show that when the volume ratio of steel fiber increases from 0 to 0.8%, the tensile strength and flexural strength of steel fiber reinforced concrete under different ages can be improved dramatically, but the compressive strength change is not obvious. Considering the mechanical and economic benefits of steel fiber reinforced shotcrete, it is suggested that the optimum volume fraction of steel fiber should be 0.6%. The engineering application shows that the use of steel fiber shotcrete in tunnel lining structure has many advantages, such as convenient construction, high early strength and less disturbance to the surrounding rock. Moreover, the compressive stress of lining structure is small which could meet the requirement of structural safety design and has broad application prospects.

steelfiber;shotcrete;mechanicalproperty;laboratorytest;engineeringapplication

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.038

2017-06-15

2017-07-27

任崇财(1968—)，男，山西运城人，高级工程师，主要从事公路桥梁工程的勘察设计工作。E-mail: 646461088@qq.com

TU528.572

A

1672—1144(2017)06—0189—05