周平　王志杰　楊躍　季曉峰

摘要：以隧道熱害問題為背景，通過模型試驗、近似模擬濕噴技術、定量分析及微觀測試相結合的方法研究不同摻量玄武巖纖維噴射混凝土劈裂強度和粘結強度等力學性能的影響，橫向對比標準養(yǎng)護和干熱養(yǎng)護下的不同體積摻量的玄武巖纖維混凝土的力學性能，同時也加入硅灰以及鋼釬維作為參照，以便從機理程度上提出更有效的解決熱害措施。試驗研究表明：在混凝土中加入玄武巖纖維，對混凝土起到了增強和阻裂的作用，改善了混凝土的脆性易裂的破壞狀況。干熱環(huán)境下，加入少量的玄武巖纖維能夠提高混凝土的力學性能。當玄武巖摻量為0.1%玄+5%硅灰時，噴射混凝土的力學性能最好，加入0.2%玄武巖纖維摻量，也有一定程度的改善。實際隧道施工中，可通過加入適量的玄武巖纖維和適量的硅灰，可降低混凝土在熱害環(huán)境下的危害。

關鍵詞：熱害；玄武巖纖維；噴射混凝土；劈裂強度；粘結強度

中圖分類號：TU528.0

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2016）01006908

Abstract：

We studied the effect of different amount of basalt fiber on the splitting strength， bond strength and other mechanical properties of shotcrete under the context of tunnel heatharm by using a combined method of model test， approximate simulation wet shotcrete technique， quantitative analysis and microscopic testing. Then we compared mechanical properties of shotcrete with different amount of basalt fiber both under standard curing and dry heating curing， and added silica fume and steel fiber into shotcrete to find an effective way to solve heatharm. The results show that the basalt fiber added to the shotcrete can increase the strength of the shotcrete and resist cracks， which improves the fragility of shotcrete. Moreover， in dry and hot environment， a small amount of basalt fiber added can improve the mechanical properties of shotcrete. When the mixing amount of basalt consists of 0.1 percent basalt fiber and 5 percent silica fume， the mechanical properties of shotcrete is the best， and 0.2 percent basalt fiber added can also improve to a certain degree. In practice， adding moderate amount of basalt fiber and silica fume into shotcrete can reduce the damage of concrete under heatharm.

Keywords：heatharm； basalt fiber； shotcrete； splitting strength； bond strength

中國是世界上隧道數(shù)量最多的國家[1]。隨著長大深埋隧道逐漸增多[2]，建設過程中會遇到高地熱等自然災害[3]。高地熱主要以兩種形式出現(xiàn)，干熱和濕熱[4]。工程調(diào)研表明，在高地熱環(huán)境中，干熱環(huán)境普遍存在，干熱環(huán)境噴射混凝土性能劣化嚴重[5]，特別是粘結強度損失嚴重，甚至脫粘開裂，對圍巖的支護作用基本失效，是制約高地溫噴射混凝土功能的關鍵要素。

玄武巖纖維作為中國最近幾年剛剛研發(fā)出的一種新型纖維材料[6]，在土木工程中的應用研究還處于剛起步的階段。國外學者[711]玄武巖纖維復合材料力學方面的進行了相關研究。中國學者如潘慧敏[12]和鄭捷 [13]將其合理地摻入噴射混凝土中，利用玄武巖纖維和混凝土的優(yōu)點，實現(xiàn)“性能與經(jīng)濟效應超疊加”的復合材料設計理念。為改善混凝土脆性大、易開裂等弊端，其他學者[1415]把玄武巖纖維材料引入到噴射混凝土中，更好的優(yōu)化噴射混凝土與巖石的界面性質，提高粘結強度。對于熱害環(huán)境下的混凝土性能試驗，鮮有學者對玄武巖纖維、硅灰以及鋼纖維噴射混凝土進行性能探究。

試驗在標準狀況下和干熱環(huán)境下研究不同玄武巖纖維慘量噴射混凝土的力學性能，設置不同纖維體積摻量對噴射混凝土劈裂強度和粘結強度的影響，優(yōu)化玄武巖纖維的摻量。同時對比探究鋼纖維以及玄武巖纖維與硅灰共同作用對噴射混凝土性能的影響，以便從不同角度尋找熱害環(huán)境下的最優(yōu)混凝土性能，對后期研究起到幫助作用。

1工況設計及試件成型

為減小試驗偶然誤差，本次試驗分兩批進行，且兩批試驗獨立進行。

1.1試驗工況設計

項目總共進行兩次試驗，分別對兩次試驗進行工況設計，如表1、表2所示。

1.2試件選擇

通過試驗室現(xiàn)有的條件，進行材料的組配試驗，并用混凝土振動臺振動成型混凝土近似模擬噴射技術，分析熱害環(huán)境對不同玄武巖纖維慘量的噴射混凝土性能的影響。表3和表4是試驗試件尺寸規(guī)范和換算系數(shù)。

2混凝土原材料及配合比設計

根據(jù)（JGJ55—2000）《普通混凝土配合比設計規(guī)程》和 （GB50086—2001）《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》計算得到各原材料配比情況如表5、表6所示。

第1批試驗

試驗準備：晾曬砂子，清洗小石頭，并進行烘箱加熱。準備材料數(shù)據(jù)：mc0=440 kg，mw0=198 kg，ms0=950 kg，mg0=810 kg，m速=22 kg

各組用料情況如表5所示。

3試驗數(shù)據(jù)分析

3.1標準環(huán)境玄武巖纖維噴射混凝土性能研究

對經(jīng)過養(yǎng)護好的玄武巖纖維混凝土進行性能試驗，探索標準環(huán)境下和干熱環(huán)境下的玄武巖纖維噴射混凝土的劈裂強度和粘結強度，如圖2和圖3所示。按照試驗步驟，規(guī)范操作，得出一組劈裂強度和粘結強度的試驗數(shù)據(jù)，為了減少誤差，使試驗數(shù)據(jù)和結果更具說服力，本組進行了兩次試驗，第2次試驗驗證第1次試驗。

玄武巖纖維噴射混凝土在標準環(huán)境下（即20 ℃）養(yǎng)護，從試驗數(shù)據(jù)可得出：1）標準養(yǎng)護下，當加入0.1%玄+5%硅灰時，玄武巖纖維噴射混凝土在劈裂強度和粘結強度將大大提高。特別是針對粘結強度，提高比例明顯。2）加入0.2%的玄武巖纖維，在劈裂強度中提高不明顯，但在粘結強度中強度大大提高。3）隨著玄武巖纖維含量的增加，劈裂強度先減小后增加，呈對數(shù)形式；粘結強度隨玄武巖纖維的增加而增加。

3.2干熱環(huán)境玄武巖纖維噴射混凝土性能研究

3.2.1劈裂強度試驗數(shù)據(jù)

干熱環(huán)境下第1次試驗劈裂強度數(shù)據(jù)，如表11所示。

烘箱模擬干熱環(huán)境（即70 ℃），并在規(guī)定期限進行養(yǎng)護。對混凝土進行劈裂強度和粘結強度試驗通過以上試驗數(shù)據(jù)可得出一些結論：1）在噴射混凝土中加入0.1%玄+5%硅灰時，將大大提高噴射混凝土的劈裂強度和粘結強度。在劈裂強度中，相對于0%玄武巖纖維混凝土性能提高2 MPa。2）在第1次試驗中，當加入2%的玄武巖纖維，在劈裂強度中也提高了混凝土的劈裂強度和粘結強度，但在第2次試驗中對其劈裂強度和粘結強度提高性能不明顯。

3.3機理分析

比較在標準環(huán)境下和干熱環(huán)境下玄武巖纖維噴射混凝土的劈裂強度，對數(shù)據(jù)進行處理，如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可得出：1）在干熱環(huán)境下混凝土劈裂強度較標養(yǎng)環(huán)境是下降的，即在現(xiàn)實熱害隧道工程中，干熱環(huán)境下的噴射混凝土性能劣化嚴重，所以有必要對混凝土進行改善。2）從圖8可知，當加入01%玄+5%硅灰時，其劈裂強度往上升趨勢，說明適量的玄武巖與少量的硅灰將提高噴射混凝土的劈裂強度。干熱環(huán)境下，噴射混凝土容易過早裂化，硅灰的作用可減緩其裂化的時間。且在裂化過程中，玄武巖噴射混凝土受力初期應變較小，玄武巖纖維承受的拉應力小，混凝土起到主要的受力作用；隨著應力逐漸增大，裂縫產(chǎn)生，應力重分布，原來混凝土產(chǎn)生的應力向玄武巖纖維轉移，使得裂縫處的玄武巖纖維能夠繼續(xù)承受荷載；如果裂縫處的玄武巖纖維越多，裂縫穩(wěn)定擴展的時間就越長，從而提高劈裂的強度。

比較標準環(huán)境下和干熱環(huán)境下玄武巖纖維噴射混凝土的粘結強度，對數(shù)據(jù)進行處理，如圖10和圖11所示。

1）相對于標養(yǎng)環(huán)境，干熱環(huán)境下混凝土的粘結強度降低。2）從試驗數(shù)據(jù)可知，在干熱環(huán)境下，加入0.1%玄+5%硅灰時，其粘結改善效果最好。另外，加入體積比2%的玄武巖纖維也可以較明顯的提高噴射混凝土的粘結強度。產(chǎn)生現(xiàn)象的原因在于混凝土在凝固過程中，由于體積減小，導致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的微小裂紋，這些裂紋的存在形成混凝土的初始缺陷，大大降低混凝土的抗拉強度。在干熱環(huán)境下，水份消失更快，凝固較早，裂紋產(chǎn)生加速。加入玄武巖纖維能夠減少因為變形而引起的裂紋，控制裂紋的數(shù)量，起到阻裂的效果。同時，玄武巖纖維在混凝土中形成網(wǎng)狀的結構，提供了拉拔或拔段荷載，從而提高了混凝土彎拉極限強度。熱害環(huán)境下的粘結強度效果比標準養(yǎng)護下的要差主要原因在于干熱環(huán)境下影響著玄武巖纖維與混凝土的相互作用力，但總體作用效果比普通混凝土好。

4結論

1）從試驗數(shù)據(jù)可得：噴射混凝土在干熱環(huán)境下，其力學性能降低且劈裂強度較粘結強度降低幅度大。玄武巖纖維噴射混凝土在干熱環(huán)境下能夠改善混凝土因過早開裂而失去承載能力，尤其是粘結強度大大提升。

2）研究結果表明：不同玄武巖纖維體積摻量對噴射混凝土性能的影響不一樣。當加入0.1%玄+5%硅灰時，噴射混凝土的劈裂強度和粘結強度改善效果明顯，加入0.2%玄武巖纖維慘量時，也有一定程度的改善。

3）干熱環(huán)境下以混雜玄武巖纖維和硅灰改性效果優(yōu)于單種玄武巖纖維噴射混凝土性能；鋼釬維在改性方面有待進一步的試驗和研究。

4）在玄武巖纖維含量較少的情況下，玄武巖纖維噴射混凝土劈裂強度隨玄武巖纖維的含量變化影響小，實際試驗中應考慮加大玄武巖纖維的含量。

5）在實際工程中，噴射混凝土通過加入適量的玄武巖纖維和適量的硅灰，可有效降低熱害環(huán)境對混凝土的不利性能。

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（編輯王秀玲）