孙明书 蔡莉莉 秦文涛 郭小坤 郭军峰

摘 要：为提高隧道支护系统的稳定性，研究在普通喷射混凝土内掺杂塑钢纤维材料，以提高其抗压、抗渗和力学支撑性能。塑钢纤维提升喷射混凝土性能的研究依托复合材料、纤维间距理论，试验结果显示：塑钢纤维混凝土的最大承受荷载为17.2 kN;最大平均渗透高度5.4 cm，为普通喷射混凝土的40.6%;最大渗透系数0.506×10-9 cm/s，为普通喷射混凝土的16.5%;塑钢纤维喷射混凝土的抗压性、抗渗性和韧性均优于普通喷射混凝土。

关键词：塑钢纤维;喷射混凝土;高性能;性能优化;复合材料;渗透高度

中图分类号：TU528       文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）03-0139-05

Study on performance optimization of high performance

shotcrete with plastic steel fiber

SUN Mingshu，CAI Lili，QIN Wentao，GUO Xiaokun，GUO Junfeng

（Southwest Communications Construction Group Co.，Ltd.，Kunming 650000，China）

Abstract：In order to improve the stability of the tunnel support system， the paper studies the doping of plastic steel fiber in the ordinary shotcrete to improve its compression， impermeability and mechanical support performance. The theoretical basis of improving the performance of shotcrete with plastic steel fiber is composite material theory and fiber spacing theory. The test results show that the maximum load of the concrete is 17.2 kN. The maximum average penetration height is 5.4 cm， which is 40.6% of ordinary shotcrete， and the maximum permeability coefficient is 0.506×10-9 cm/s， which is 16.5% of ordinary shotcrete. The compressive strength， impermeability and toughness of steel fiber reinforced shotcrete are better than those of ordinary shotcrete.

Key words：plastic steel fiber; shotcrete; high performance; performance optimization; composite materials; penetration height

使用于隧道施工中的喷射混凝土可起到封闭围岩、分散外力的作用，与钢拱架等共同形成隧道支护结构。普通的喷射混凝土材料在承受外部荷载时，很容易产生裂纹，甚至发生脆性断裂，给隧道工程的施工和使用安全埋下隐患[1]。目前有关喷射混凝土的性能优化研究主要围绕在提升混凝土的抗裂和抗韧能力。学者们尝试添加矿物材料、改性速凝剂、改善制备工艺等探究提升喷射混凝土的可行途径[2]。塑钢纤维是一种高强度纤维，截面形状及比表面积和钢纤维相似。已有研究证实纤维材料能够提升喷射混凝土的力学性能，但是掺杂塑钢纤维喷射混凝土的材料配比、力学性能和增强机理的研究还不完善[3]。鉴于此，研究将从塑钢纤维掺杂的增强机理、材料配比和力学性能角度分析塑钢纤维掺杂对喷射混凝土的性能优化效果。

1 塑钢纤维混凝土增强机理及制备

1.1 纖维力学增强机理

掺杂塑钢纤维增强混凝土性能的主要作用机理可从复合材料理论和纤维间距理论两方面分析。塑钢纤维混凝土是一种复合材料，可将这种材料视为一个多相系统，性能也是构成该复合材料的各相性能的叠加[4]。假定塑钢纤维混凝土内纤维和基体在受力时均发生弹性形变，并且内部纤维排列均匀且连续，与基体粘接性良好。基体、纤维和塑钢纤维混凝土材料的表示符号分别为m、f、c。复合材料的横截面积为A，应力为σ。根据弹性叠加原理，可得：

σc=σmρm+σfρf=σm（1-ρf）+σfρf （1）

式中：ρm、ρf分别表示基体和纤维材料的体积率，其为基体或纤维材料在塑钢纤维混凝土内的体积占比;σm、σf分别表示基体和纤维材料的应力;ρm、ρf分别表示两种材料的弹性模量。

复合材料的弹性模量Ec可由材料应力对应变ε进行一阶求导得到。由于纤维材料在复合材料内排列均匀且连续，与受力方向一致，如图1所示。fc、fm、ff分别表示复合材料、基体和纤维材料的受力。可得复合材料的平均应力σc的计算公式为：

σc=σm[1+（n-1）ρf]（2）

式中：n为纤维材料和基体材料弹性模量的比值。通过式（2）可以看出，塑钢纤维混凝土的抗拉强度和纤维、基体材料的弹性模量成正比。但是当纤维掺杂含量较低时，上述结论并不明显。

fft=αft（1-ρf）+βτρflfdf（3）

式（3）是依据复合材料理论求得的塑钢纤维混凝土抗拉强度fft的计算公式。α、β数值可由试验得出;α与基体的软化效应有关;β与纤维取向、粘接强度、分散度、有效长度等有关。

由复合材料理论可知，塑钢纤维材料增强混凝土的抗拉性能的作用机理为：纤维材料并有一定的延展性，在复合材料内乱向分布，与基体材料之间具有咬合效果[5]。纤维材料连续，有效长度长，在基体中分布均匀;与基体粘接强度大，塑钢纤维混凝土的性能越好。纤维间距理论认为，塑钢纤维的掺杂可以降低混凝土的固有缺陷程度，提高材料的抗变形能力[6]。塑钢纤维对混凝土内裂缝的约束力学模型如图2所示。

图2（a）是塑钢纤维对混凝土裂缝的约束模型;图2（b）是图2（a）中断面的截面图。混杂在混凝土内的纤维材料能对裂缝尖端产生反向的应力场，降低其应力集中程度，阻止其进一步扩展。

KT=2aπ（σfc-τ）≤Klc（4）

式（4）是复合材料的应用强度因子KT的计算公式。Klc为临界应力强度因子;a表示混凝土裂缝的宽度;σfc是混凝土受到的沿纤维方向的均匀拉应力大小;τ是纤维形成的应变阻力在纤维—基体界面上的最大剪应力。当KT大于Klc时，混凝土出现断裂。

ffc=K（1s-1sc）+fm（5）

根据纤维间距理论，纤维间距s对混凝土的抗拉强度具有显著影响。根据该理论，混凝土抗拉强度ffc的计算公式如式（5）所示。K与纤维粘接强度有关;sc是纤维增强效果的上限数值;fm是基体的抗拉强度。当纤维间距低于某一数值时，掺杂塑钢纤维才能优化混凝土的抗拉性能。

1.2 喷射混凝土配比设计及制备

制备高性能喷射混凝土的配比设计需要满足下述条件：混凝土具有良好的耐久性和压送性;较高的强度和韧性;合理的经济性;厚度一定;喷射回弹量和粉尘量较少[7]。高性能喷射混凝土的主要配比设计指标为水胶比，凝胶材料、矿物掺杂料和水泥用量、粗细骨料和砂率、材料配合比。

高性能喷射材料的水胶比一般为0.4～0.5。水胶比超过0.5，混凝土强度较低，容易在喷射过程中出现剥落现象;水胶比低于0.4，喷射的回弹量和粉尘量较大[8]。凝胶材料的用量为混凝土的用水量与水胶比的比值。喷射混凝土内掺杂的矿物材料一般为硅灰、粉煤灰等，矿物掺杂料用量为混凝土矿物掺合料用量和矿物掺合料的掺量乘积。掺杂矿物材料可以提高混凝土强度，降低水化热。水泥用量为凝胶用量减去矿物掺合料用量。喷射混凝土的水泥用量一般不低于400 kg/m2  [9]。

混凝土内的拌合物包括粗骨料、细骨料、外加剂、掺合料、水、水泥。拌合物的用量一般为2 350～2 450 kg/m2。粗细骨料的选择影响混凝土的内部粘接性。细骨料选用普通河砂。粗骨料一般选用碎石、卵石等，尺寸最大在5～10 mm;砂率一般为50%～60%[10]。使用体积法计算混凝土配比，粗、细骨料的用量公式为：

mc0ρc+mf0ρf+mg0ρg+ms0ρs+ma0ρa+mw0ρw+0.01α=1（4）

式中：mc0、mf0、mg0、ms0、ma0、mw0分别为水泥、掺合料、粗骨料、细骨料、外加剂和水的质量;ρc、ρf、ρg、ρs、ρa、ρw分别为水泥、掺合料、粗骨料、细骨料、外加剂和水的密度;ρa的数值可根据现行的《混凝土外加剂均质性试验方法》确定;α为含气量百分数，取值为1。

研究设计的塑钢纤维喷射混凝土的材料配比结果如表1所示。

由表1可知，兩种方案的石、水、塑钢纤维、减水剂、凝胶用量一致，砂率均为52%，水胶比均为0.41%。研究制备喷射混凝土所用的水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥，其强度等级为42.5。砂子的选材符合国家现行的《水泥强度试验用砂标准》（GB 178—1977）。速凝剂选用无碱高效液体速凝剂，该速凝剂的固含量可达65%及以上，与不同水泥的适用性良好[11]。减水剂使用萘系高效减水剂，减水率为20%。

依据《喷射混凝土应用技术规程》（JGJ/T 372—2016），塑钢纤维喷射混凝土的制备分为混凝土制备和喷射大板两部分。将称量完成的原料投入搅拌机内进行搅拌，使纤维材料均匀分布于干拌合料之中，机器搅拌1～2 min。加减水剂、速凝剂和水进行湿拌，时间为2.5 min左右。大板喷射试验所用大板尺寸为450 mm×350 mm×120 mm，喷射完成后将其置于相对湿度90%以上和温度为17～23 ℃的环境下养护。

2 塑钢纤维喷射混凝土的性能测试

2.1 单轴抗压强度试验

将普通喷射混凝土和塑钢纤维喷射混凝土的大板试件均切割为长、宽、高均为100 mm的试验试件，分别测量其单轴抗压强度。

两种喷射混凝土的单轴抗压强度测试结果如图3所示。普通喷射混凝土的峰值应力为26.4 MPa，峰值应变为0.001 5 mm。塑钢纤维喷射混凝土的峰值应力为41.3 MPa，峰值应变为0.002 5 mm。普通喷射混凝土的峰值应力和峰值应变数值均小于塑钢纤维喷射混凝土。在峰值应力施加结束后，普通喷射混凝土的应变曲线比塑钢纤维喷射混凝土的更加陡峭，形态破损速度更快。这说明塑钢纤维喷射混凝土的弹性模量大于普通喷射混凝土。结合纤维间距理论和复合材料理论可知，上述现象产生的原因可能是塑钢纤维的掺入能够提高喷射混凝土的延性所致。

2.2 三轴抗压强度试验

将两种喷射混凝土使用岩石切割机分割为直径50 mm，高100 mm的圆柱体试件。分别对其进行三轴抗压试验，围压分别为5、10和15 MPa，得到两种喷射混凝土的应力应变曲线如图4所示。

图4（a）、（b）分别是普通喷射混凝土和塑钢纤维混凝土通过3轴抗压试验得到的应力应变曲线。施加围压越大，喷射混凝土的峰值应力和应变也越大，并且喷射混凝土被破坏的速度也越快。对比不同围压下，两种喷射混凝土的应力应变曲线可知，塑钢纤维喷射混凝土的峰值应力和峰值应变均高于普

通喷射混凝土。施加围压分别为5、10和15 MPa时，塑钢纤维喷射混凝土对应的残余强度分别为33、43和51 MPa。增加速度分别为30.0%和18.6%，残余强度的增速随围压的增大而降低。无论是普通喷射混凝土还是塑钢纤维喷射混凝土，峰值强度、弹性模量均与围压成正比例关系。

2.3 弯曲韧性试验

将两种喷射混凝土使用岩石切割机分割为长、宽为100 mm，高为400 mm的长方体试件。分别对其进行三点弯曲试验，得到2种喷射混凝土的荷载-挠度曲线，具体如图5所示。

由图5可知，普通喷射混凝土和塑钢纤维混凝土的最大承受荷载分别为12.3、17.2 kN，对应的扰度分别为0.08、0.11 mm。普通喷射混凝土的破坏形式为崩裂，混凝土承受最大荷载之后，再施加少量荷载，混凝土的结构迅速被破坏。塑钢纤维喷射混凝土在被破坏之后还可以继续承受一定的荷载，不会发生脆性破坏。对比结果显示，塑钢纤维喷射混凝土的韧性优于普通喷射混凝土，具有更高的承载能力。

2.4 抗渗试验

将制备完成的混凝土喷射至上口直径175 mm，下口直径185 mm，高150 mm的圆台体试模内，每种混凝土制备6个试件。注模成功之后等待混凝土成型，脱模之后养护28 d，进行抗渗试验。抗渗试验的持续时间为24 h，水压为1 MPa。2种喷射混凝土的抗渗试验结果如表2所示。

由表2可知，普通喷射混凝土的最大平均渗透高度为13.3 cm，最大渗透系数为3.071×10-9 cm/s。塑钢纤维喷射混凝土的最大平均渗透高度为5.4 cm，是普通喷射混凝土的40.6%;最大渗透系数为0.506×10-9 cm/s，是普通喷射混凝土的16.5%，表明塑钢纤维喷射混凝土的抗渗性能更优;这是因为塑钢纤维的加入可以增强混凝土内部结构粘接性。在混凝土裂缝出现的早期，塑钢纤维和基体形成的混合体可以抑制裂缝的进一步发展，降低喷射混凝土的孔隙率。因此，塑钢纤维喷射混凝土的抗渗性能优于普通喷射混凝土。

3 结语

隧道施工的难度和规模逐渐加大，对喷射混凝土材料的性能要求明显提高。研究使用复合材料理论和纤维间距理论，分析塑钢纤维增强喷射混凝土性能的理论可行性，对塑钢纤维掺杂下的原料最佳配合比进行设计。抗压试验表明，塑钢纤维喷射混凝土的峰值应力为41.3 MPa，峰值应变为0.002 5 mm，数值均高于普通喷射混凝土。弯曲韧性试验结果表明，塑钢纤维混凝土的最大承受荷载分别为17.2 kN，在被破坏之后还可以继续承受一定的荷载，不会发生脆性破坏。而普通喷射混凝土的破坏形式为崩裂。抗渗试验结果显示，塑钢纤维喷射混凝土的最大平均渗透高度是普通喷射混凝土的40.6%，最大渗透系数是普通喷射混凝土的16.5%。上述结果表明：研究制备的塑钢纤维喷射混凝土的抗压、抗渗和韧性更優，相比普通喷射混凝土有明显改善。但是研究制备的喷射混凝土并未应用至实际隧道施工中，其与围岩结构的相互作用效果不明。后续需要通过实际应用分析该喷射混凝土的应用价值。

【参考文献】

[1] 周佳媚，张迁，蒙国往，等.钢纤维混凝土力学性能和弯曲韧性研究[J].铁道标准设计，2017，61（8）：84-90.

[2] 林桂武，刘杰，陈宇良，等.复掺硅粉、钢纤维混凝土早龄期力学性能的试验研究[J].混凝土，2020（10）：72-75.

[3] 伍凯，徐佳楠，陈峰，等.型钢-钢纤维混凝土黏结性能及界面损伤分析[J].建筑材料学报，2020，23（3）：572-580.

[4] 王志杰，徐海岩，李志业，等.钢纤维混凝土裂缝宽度影响系数试验探究[J].铁道工程学报，2019，36（7）：81-86.

[5] 李瑶，邓永刚，徐长伟.掺纳米SiO_2/粉煤灰/硅灰的钢纤维混凝土力学性能及界面的研究[J].混凝土，2020（5）：60-63.

[6] 焦晓光.钢纤维混凝土地面配合比设计及性能研究[J].中国建材科技，2019，28（4）：72-75.

[7] 刘牧天.探求粘接碳纤维材料加固混凝土结构及设计方法[J].粘接，2020，41（3）：79-83.

[8] 胡静.基于力学与透水性的透水混凝土的配合比设计[J].粘接，2020，41（2）：126-130.

[9] 罗琳，刘雄，包春燕.喷射混凝土黏结特性研究进展[J].绍兴文理学院学报（自然科学），2019，39（2）： 7-19.

[10] 牛建刚，左付亮，王佳雷.冻融作用后塑钢纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究[J].硅酸盐通报，2017，36（8）：2 541-2 546.

[11] 于磊.塑钢纤维轻骨料混凝土部分力学性能研究[J].智能城市，2017，3（7）：76-77.