聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能试验研究.pdf

2 0 1 6年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI N A C 0NC RE T E AND C E MENT P RODUC T S 2 0 1 6 No 4 Ap ri l 聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能试验研究 姚 文杰 ， 庞建 勇 ， 姚 韦靖 ( 安徽理工大学土木建筑学院 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 掺 入适量聚 丙烯 纤维可以 阻止混凝 土开 裂、 增加抗拉抗剪 强度、 增 强韧 性、 抗渗性和抗疲 劳性 ， 能够很 好地 改善 混凝 土延性和耐久性 。 本 文在 完成不 同聚 丙烯纤 维掺 量混凝土力学性能对比试验的基 础上 ， 得 出了能够满 足软岩 隧道喷层 支护要 求的混凝 土配合 比。 关键词 ： 聚丙烯 纤维 ； 混凝土 ； 增强机理 ； 力 学性 能 Ab s t r a c t ： Ad d i n g p o l y p rop y l e n e fi b e r c o n c r e t e c a n p r e v e n t c o n c r e t e c r a c k ， e n h a n c e t e n s i l e s h e a r s t r e n g t h ， t o u g h n e s s ， p e n e t r a t i o n r e s i s t a n c e a n d f a t i g u e r e s i s t a n c e ， wh i c h c a n e f f e c t i v e l y i mp r o v e t h e c o n c r e t e d u c t i l i t y a n d d u r a b i l i t y B a s e d o n t h e c o n t r a s t t e s t o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o r c o n c r e t e i n t h i s p a p e r ， d i f f e r e n t c o n t e n t s o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r a r e c o mp l e t e d ， mi x p r o p o r t i o n o f c o n c r e t e f o r s p r a y i n g l a y e r o f s o f t r o c k t u n n e l i s s a t i s fi e d Ke y wo r d s ： P o l y p r o p y l e n e fi b e r ； Co n c r e t e ； E n h a n c e me n t me c h a n i s m； Me c h a n i c a l p r o p e rt i e s 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 6 ) 0 4 6 0 0 3 0前 言 目前 。 喷射混凝土 已广泛应用于隧道锚喷支护 中。随着隧道开挖的不断加深 ， 将会遇到软弱岩层 或土层 当遇到这类地层时 。 地下工程地压显现 ， 围 岩变形量大 ， 隧道破坏严重 ， 因此 ， 需要对隧道周 围 进行喷射混凝土支护 】 - 2 。由观测可以发现 ， 普通混 凝土喷层施工不久之后就会出现局部开裂 、 脱落甚 至整体坍塌现象 这是 由于普通混凝土 自身抗拉性 能弱， 不能与隧道变形协调所致3 1 。为解决普通混凝 土容易开裂 的问题 。 需要采用一种全新的喷层支护 技术来改善其抗拉性能弱 的特性 ， 以使 喷射混凝 土 的变形与隧道围岩的变形协调一致 。 1 聚丙烯纤维混凝土增强机理 复合材料力学理论和断裂力学纤 维间距理论 可 以对 纤 维混凝 土增强 机理 加 以解 释 在纤 维混 凝 土 中， 纤维在基体 中所起到的作用概括起来一般有 以下三种 ： 阻止混凝土开裂 、 增加混凝土抗拉强度 、 增强混凝土韧性 。与普通混凝土相 比， 纤维混凝土 的各项物理力学性能得到了很大的改善和提高 ， 这 都和纤维的以上三个作用相关联。 ( 1 ) 阻止混凝土开裂 ： 主要是 指纤 维对新拌混 凝 土早期收缩裂缝及硬化后收缩裂缝 的产生及 扩 展起到阻碍作用 5 1 。 ( 2 ) 纤维增强基 体抗拉强度 ： 纤维 不仅 只是提 高了抗拉强度 ， 而且在 以拉应力为主应力的受力条 件下 ， 弯拉强度及抗剪强度也得 到相应提高 ； 在掺 人较大掺量 的高弹性模量纤维时 ， 混凝土材料 的抗 压强度也会有一定程度的提高 。 ( 3 ) 增 强混凝土韧性 ： 混凝土 的韧性是指在不 同的应力状 态下当混凝土进入塑性阶段后抵抗变 形的能力 。 纤维混凝土最大的优点是韧性得到了显 著改善嘲 。 2原材料与试验方法 2 1 原材料 水泥 ： 本试验采用普通硅 酸盐水泥 ， 因为水泥 中的 C ， S和 C ， A含量较高 ，能够很好地与速凝剂相 融 ， 且速凝时间短 、 早期强度高 ， 同时后期的强度也 相 当可观 细骨料 ： 采用细度模数为 2 8的中粗砂 ， 其中直 径小于 0 0 7 5 m m的颗粒不超过 2 0 ， 本试验所用砂 的级配见表 1 。 粗骨料 ： 选用 卵石或碎石 ， 其最大粒 径不超过 表 1 砂 的级配 基金项 目： 安徽 省高校 自然科学重 大项 目( K J 2 0 1 5 Z D 2 0 ) ： 深 井 高应力软岩巷道局部弱支护机理与合理支护形式研究 。 一 6 0 1 5 mm， 因要在混凝土 中添加速凝剂 ， 为避免发生碱 骨料反应 ， 选择不含 S i O ： 的石材作为粗骨料。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 姚文杰 ， 庞建勇 ， 姚韦靖 聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能试验研究 水 ： 自来水。 速凝剂 ： 使用速凝剂的 目的是使混凝土快速凝 结并有一定的强度 。为提高早期强度 ， 减少 回弹损 失 ， 速凝剂可选用碳酸盐或氯酸钠等 。通常所选择 的速凝剂应满足以下条件：初凝时间少于 3 m i n ； 终凝时间少于1 2 m i n ； 混凝土凝结8 h 后的强度 不低于0 3 M P a ； 混凝土 2 8 d强度不低于不加速凝 剂试件强度的 7 0 。 纤维 ： 长度为 1 2 mm的束状单丝聚丙烯纤维 ， 物 理力学性能见表 2 。 表 2 聚丙烯纤 维的物理 力学性能指标 2 2 试 验 内容 本研究对普通喷射混凝土、 不同掺量聚丙烯纤 维喷射混凝土进行 了抗压强度 、劈裂抗拉强度 、 抗 折强度等力学性能的室内对比试验 。 为 了确定聚丙烯纤维混凝土恰 当合理 的配合 比， 通过初步配合 比设计 ， 确定 试验用混凝土 配合 比为水泥： 砂： 石： 水= 1 ： 1 8 5 ： 1 8 5 ： 0 4 5 【 。 保持上述配合 比不变 ， 通过改变纤维掺量对混 凝 土各项物理力学性能进行测定。 分 别 制 作 纤 维 掺 量 为 0 、 0 6 k g m 3 , 0 , 9 k g m 、 1 2 k g m 、 1 5 k g m 、 1 8 k g m。 的试 件 ，并测试上述试 件 3 d 、 7 d 、 2 8 d龄期 时的抗压强度 、 劈裂抗拉强度 和 2 8 d时的抗折强度【 。 2 3 试件制作 首先成型尺寸为 2 0 0 mm 2 0 0 m mx 4 O O m m 的混 凝土试件 ， 并养护至规定龄期 。试验所用试件采用 钻 芯取 样 ，抗 压强 度 和抗折 强度 均 采用 尺 寸为 0 5 0 mmx l O O m m的试件 ，劈裂抗拉强度采用尺寸为 0 5 0 mm x 2 5 mm 的试件 。 2 4 试验结果与分析 表 3为不 同聚丙烯纤维掺量下 ， 不 同龄期混凝 土的力学性能试验结果汇总。 表 3 不 同纤维掺量下聚丙烯纤维混凝土 的力学性能 ( 1 ) 抗压 强度 图 1为抗压强度试验结果 。由图 1可见 ， 随纤 维掺量 的增加 ， 混凝土的抗压强度基本保持平稳状 态 ； 从 3 d和 7 d抗压强度试验结果上看 ， 随着纤维 罨 矮 纤维掺i ( k g m ) 图 1 不 同纤维掺量混凝土抗压强度试验结果 掺量 的增加 ， 抗压强度有小 幅度下 降 ； 从 2 8 d抗 压 强度试验结果上看 在纤维掺量较低 的情况下 ， 抗 压强度随着纤维掺量的增加而明显增大 ， 但 当纤维 掺量达到某一值后 ， 抗压强度又会随纤维掺量的增 加而呈现下降趋势。 ( 2 ) 劈裂抗拉强度 图 2为劈裂抗拉强度试验结果 。由图 2可见 ， 随着纤维掺量增加 混凝土的劈裂抗拉强度基本保 持平稳状态 ： 从 3 d和 7 d劈裂抗拉强度试验结果上 看 ， 随着纤维掺量 的增加 ， 劈裂抗拉强度 出现小 幅 下 降 ； 从 2 8 d劈裂抗拉 强度试 验结果上看 ， 随着纤 维掺量的增加劈裂抗拉强度亦增强 ， 但在纤维掺人 量达到某一值时 ， 劈裂抗拉强度又会随纤维掺量 的 增加 而出现下降趋势 其基本走势与抗压强度一 致 ， 区别在于在 尚未达到一定纤 维掺量之前 劈裂 抗拉强度 的增长速率 明显 比抗压强度 的增 长速率 一 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 6年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 4 0期 o o 2 o 4 o 6 o 8 1 o 1 2 1 4 1 6 1 8 2o 纤维掺 ( k g m。 ) 图 2 不 同纤维掺量混凝土劈裂抗拉强度试验结果 快 。这是 因为超过某一纤维掺量 时 ， 过多的纤维影 响了骨料之 间的黏结 使骨料之间 的黏结 不再稳 固， 致使劈裂抗拉强度出现小幅下滑。 ( 3 ) 抗折强度 图 3为 2 8 d抗折 强度试验结果 。由图 3可见 在 尚未达到一定纤维掺量前 ， 抗折强度随着纤维掺 量 的增加而增强 ：当纤维掺量超 过这一 固定值时 。 抗折强度也 出现 了小幅度 的下降。抗折强度在一定 程度上 间接地反 映了劈裂抗拉强度 ， 所 以， 抗折强 度和劈裂抗拉强度 随纤维掺量变化 的试验 结果基 本一致 。 罨 憩 辖 纤维掺量 ( k m ) 图 3 不同纤维掺量混凝土 2 8 d抗折强度试验结果 2 5聚丙烯纤维掺量的选择 综合考虑抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗折强度 试验结果 ， 并结合 图 1 、 图 2 、 图 3各试验 曲线的走 势 ， 建议选择 0 9 k g m 的聚丙烯纤维掺量 ， 因为此时 聚丙烯纤维混凝土的抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗 折强度均达到最高 。 3结论 ( 1 ) 聚丙烯纤维 的掺人可改 善混凝 土的韧性 ， 并对混凝 土结 构在整体性 和承载力方面也有相应 一 6 2一 的提升 并可使混凝土的抗冲击性得到一定程度 的 提高。 ( 2 ) 与普通混凝土相 比， 聚丙烯纤维混凝土 的 抗压强度变化不 大 ，但劈裂抗拉强度最大提高 了 3 9 5 2 ， 抗折强度最大提高了 8 7 1 。 ( 3 ) 综合考虑 喷层混凝土 的抗压强度 、 劈裂抗 拉强度 、 抗折强度 以及支护优越性等 因素 ， 经济合 理的聚丙烯纤维掺量为 O 9 k g m ， 。 ( 4 ) 与普通 混凝 土相 比 ， 聚丙烯纤维混凝 土的 力学性能明显提升 ， 将其用于锚喷支护的喷层或作 为衬砌结构支撑 围岩 其分担压力的效果将明显优 于普通混凝 土。 ( 5 ) 由试验结果 可以断定 ， 用聚丙烯纤维混凝 土作隧道喷层 ， 其优 良的物理力学性能 ， 在锚 喷支 护与 围岩相互作用 的整体性方面也能得 到一定 程 度 的提升 ， 这使得衬砌支护经过调整后 ， 隧道的变 形较小 ， 能够满 足软岩隧道喷层支护要求 ， 具 有较 为广泛的应用前景。 参考文献 ： 【 1 庞建勇， 徐道富 聚丙烯 纤维混凝 土喷层 支护技术 及其在 顾桥 矿 区的应 用 J 岩 石 力学 与工 程学 报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 5 ) ： 1 0 7 3 1 0 7 7 2 张腾蛟， 王瑞 柔性锚 喷技 术及其应用 J 山西煤 炭， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 2 ) ： 3 1 - 3 3 【 3 】 姚传勤聚丙烯纤 维混 凝土喷层在矿业工程 中的应用f J 】 安徽理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 6 2 9 【 4 徐磊， 庞建勇， 张金松， 等 聚丙烯纤维混凝 土喷层支护技术 研究与应用 J 地下空 间与工程学报， 2 0 1 4 ， 1 0 ( 1 ) ： 1 5 0 1 5 5 5 贺 长乐， 欧 志华 聚丙烯 纤维混凝 土的研究现状及 探讨 J 广东建材。 2 0 0 5 ( 6 ) ： 8 9 【 6 普桑天， 庞建勇， 闾沛 喷射聚丙烯纤 维混凝土在矿 业工程 中的应用 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ( 8 ) ： 3 8 - - 4 1 7 】 贺少辉， 马万权， 曹德胜， 等 隧道湿喷纤维 高性 能混凝土单 层永 久衬 砌研 究 J 】 岩石 力学 与 工程 学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ： 3 5 0 9 351 7 8 】 庞建勇， 闯沛 软岩巷 道聚丙烯混凝 土钢筋 网壳 复合衬砌 试验及工程应用研究 J 】 岩土力学与工程学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 3 8 2 9 3 8 3 4 【 9 】 庞建勇， 阊沛， 普 桑天 聚丙烯纤维混凝 土钢筋 网壳 复合衬 砌模型试验研究 J 混凝土 与水泥制 品， 2 0 1 2 ( 1 ) ： 4 0 4 3 1 0 中华 人 民共 和 国 国家 经 济 贸 易 委员 会 D I J F 5 1 5 O 一 2 0 0 1 水工混凝土试验规程f S 北京： 中国电力出版社， 2 0 0 6 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 1 2 2 7 作者简介 ： 姚文杰 ( 1 9 8 9 一 ) ， 男 ， 硕士研究生 。 通讯地 址： 安徽省淮南市舜耕中路 1 6 8 号 联 系 电 话 ： 1 3 8 6 6 1 5 0 0 9 2 E ma i l ： y a o we n j i e l 1 1 1 1 1 6 3 c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m