隧洞初期支护喷射混凝土结构纤维与钢筋网增强方式对比研究.pdf

2 0 1 4年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 4期 一 单位长度 1 m 的衬砌内的钢筋 面积 ， 7 1 。一 弯 曲韧度 N ra m ， 对应挠度为 L ／ 1 5 0 m m 2 ； 一 钢 的屈 服强 度 ， N ／ m m2 。 结构纤维增强喷射混凝土的抗弯能力按式 2 计 算 b h ／ 6 2 式 中， 慨 一 结构纤维增强喷射混凝 土衬砌可 承载 的最大弯矩 ， N mm； 一 结构纤 维混凝 土 的等效抗 弯强度 ， N ， m m 2 ； b一 衬砌的单位长度 1 0 0 0 m m h一 衬 砌 的厚度 ， m m。 当用结构纤 维取代钢筋 网时 ， 令 ≥Ms ， 求 得 结构纤维混凝土最低等效抗弯 强度 ， 若结 构纤 维 混凝 土 的 ． 值与掺量关系已知 ， 即可得 出在何种 掺量下该结构纤维可 以达到所需的增强效果 。 2 试 验 2 ． 1 结构纤维混凝土等效抗弯强度测试 试验按照 A S T M C 1 6 0 9 ／ C1 6 0 9 M一 1 0进行 [ 8 1 ． 试 验装置示意图见图 2 。 5 0 1 5 0 1 5 0 l 5 0 5 0 f f 娄 0 V、 一 一 誊曩 黑 薯 i 嚣舞 譬 r , -I 位移计． 『 I 2 2 5 J 2 2 5 5 5 0 图 2 纤维混凝土弯 曲性能试验装置示意 图 纤维混凝土 f e 值根据式 3 计算 ． 3 e 一 J ， 6 d 式 中， ～ 等效抗弯强度 ， N ／ m m ； 即 3 m m 下荷载一 挠度 曲线包含 的面积 ； b一 试件截面平均宽度 ， m m； d一 试件截面平均厚度 ， m m。 2 ． 2基于能量表征方式 的结构纤 维与钢筋 网混凝 土韧性测试 等效抗 弯强度是在混凝土试件挠度 为 3 ram下 进行 的计算 ， 但实际工程中隧道围岩条件较差情况 下围岩变形有可能较大 ， 因此 ， 需要对 大挠 度条件 下纤维喷射混凝土的韧性进行测试 ， 并 与钢筋 网混 凝土进行对 比． 以验证纤维喷射混凝土是否可以达 到钢筋网的增韧效果。 试验按 照 AS T M C 1 5 5 0 1 0进行 ． 试验装 置见 图 3 。 利用试验测得的荷载一 挠度 曲线 即可通过积分 计 算 荷 载 起 始 点 和指 定 中心 挠 度 5 ra m、 1 0 ram、 图 3 A S T M C1 5 5 0 1 0试验装置 2 0 ram、 4 0 m m等 之间试件 的能量吸收值 。 2 ． 3 试 验 方案 试验所用 C 3 0喷射混凝土配合 比见表 1 。水泥 选用 P 0 4 2 ． 5 ； 细骨 料为天然河砂 ， 细度模数 2 ． 9 ； 粗骨料最大粒径为 1 2 mm； 减水剂为羧酸系减水剂 ； 速凝剂掺量为胶凝材料的 4 ％； 采用的 R L 6 0纤维材 质为聚烯烃 ， 长度 6 0 m m， 抗拉强度 6 4 0 MP a ， 弹性模 量 1 0 G P a ； 钢筋 网钢筋规格 为 HP B 2 3 5 ， 直径 6 mm， 间距 2 0 0 m m 水胶 比为 0 ． 4 3 。喷射工艺采用湿喷。 表 1 C 3 0喷射混凝 土配合 比 k m 等效抗弯强度试验 A s T M C 1 6 0 9 ／ C 1 6 0 9 M l O 分 4组 ，分别 为 J Z 基 准 ，不掺 纤维 或钢 筋 、 R L 6 0 I R L 6 0掺量为 I k g ／ m 、 R L 6 0 3 R L 6 0掺量 为 3 k g ／ m 、 R L 6 0 6 R L 6 0掺 量为 6 k g ／ m ， 每 组 3 个试件 ， 结果取平均值 。 弯曲韧性能量吸收试验 A S T M C 1 5 5 0 1 0 分 4 48 组 ，分别为 J Z 基准 ，不掺纤维或钢筋 、 R L 6 0 3 R L 6 0掺量为 3 k g ／ m 、 R L 6 0 6 R L 6 0掺量为 6 k g ／ m。 、 0 6 2 0 0 钢筋直径 6 mm、 间距 2 0 0 m m、 置 于试 件中心位置 ， 每组 3个试件 ， 结果取平均值。 3试 验结 果与 讨论 3 ． 1 等效抗弯强度 赵 正， 李强 ， 刘 国平 ， 等 隧洞初期支护喷射混凝土结构纤维与钢筋网增强方式对比研究 图 4为等效抗弯强度试验结果 ， 通过回归分析 得 出纤维掺量 r 与等效抗弯强度 之 间的函数 关系式为 一 0 ． 0 3 3 v ／ 0 ．7 5 v s -t- 0 ．5 5 4 经方差 分析得 出相关 系数 尺 1 ．显著性 水平 P 0 ． 0 0 0 1 。由此可见 ． R L 6 0纤维在 1 - 6 k g ／ m 掺量范 围 内， 与 很好地符合公式 4 的二次 函数 关系 式 ， 若纤维掺量 已知 ， 可 以直接通过公式 4 求出纤 维混凝土的等效抗弯强度。 通过公式 1 、 2 、 4 便可计算一定掺量下纤 维可以取代的单位长度 1 m 内钢筋 面积 ， 结果见表 2 ， 反 之亦 可 。 O l 2 3 4 5 6 纤 维掺l／ k g ／ m3 图 4 纤维掺量与等效抗弯强度 间的关系 表 2 纤维掺量与配筋 间的对应关系 h o 3 0 m m 3 ． 2 基于能量表征方式 的结构纤维与钢筋网混凝 土韧 性 素混凝土是脆性显著 、韧性较差的结构材料 ， 当 混凝 土受力超过 自身抗力并产生裂缝时 ， 裂缝迅速 扩展并断裂 见图 5中 J Z曲线 ， 混凝 土破坏时变形 较小 ， 而“ 新奥法” 隧洞初期支护需要支护与 围岩 同 时变形 、 吸收变形能 ， 喷射混凝土应具有较强 的变 形 能力 。 这就需要通过配筋或掺纤维来 实现 。 在隧 洞环境下架设钢筋 网存在诸多难点与弊端 ， 而通过 掺纤维替代钢筋网则可 以克服这些问题 ， 并且减少 了工序、 节省了造价 。 图 5 各 试 的 中 心 挠 度 一 荷 载 曲线 表 3为各试件 峰值 荷载及不 同挠度 范 围内能 量的吸收值 。由表 3可知 ， 掺人 3 k g ／ m。 和 6 k g ／ m 纤 维后 ． 峰值荷载分别 比基准提高 2 2 ． 9 ％和 1 4 ． 0 ％， 而 钢筋 网没有 提高 R L 6 0在 3 k g ／ m 掺量下 韧性值低 于 0 6 2 0 0钢筋 网．但掺入 6 k g ／ m 纤维在 0 ～ 3 5 mm 挠度范围内能量吸收值均高于 0 6 2 0 0钢筋网 见 图 6 ， 而且 在 1 8 ra m低挠度范 围内， 残余 承载力均 高于钢筋 网 见图 5 。 表 3 各试件峰值荷载及不 同挠度范 围内能量 吸收值 咖 涩 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 O 3 5 4 0 中心挠度／ m m 图 6 各试的中心挠度一 能量吸收值 曲线 4结论 1 通过等效抗 弯能力计算 ， 可 以得 出在 同一 弯矩作用 下分别所 需的配筋 率和纤维混凝土等效 抗弯强度。 2 经试验得 出 R L 6 0纤维掺 量 v s 与等效抗 弯强 度 之间的函数关系式 ， 并 通过等效抗弯能 一 4 9 5 4 3 2 1 0 B d 乏 骥静 较 O O O 0 0 O O O O 0 砌 。 z 褥挺