鋼纖維噴射混凝土及其在隧道工程中的應(yīng)用

摘要：介紹鋼纖雛在噴射混凝土中的作用機(jī)理、鋼纖維的韌性及與隧道新奧法錨噴支護(hù)中相關(guān)的幾種主要力學(xué)性能，結(jié)合其在隧道工程中的應(yīng)用，說明鋼纖維噴射混凝土能很好地滿足隧道新奧法的要求，是一種理想的支護(hù)材料。

 

關(guān)鍵詞：隧道工程鋼纖維噴射混凝土     韌性     新奧法     支護(hù)材料

 

    鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）和鋼纖維噴射混凝土（Steel Fiber ReinforcedShotcrete，SFRS）作為一種新型建筑材料，近年來在國內(nèi)外得到了迅速發(fā)展。和普通混凝土相比，鋼纖維混凝土不僅能明顯改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂能力，而且能大大增強(qiáng)斷裂韌性和抗沖擊等多項性能，加之施工簡便，價格相對低廉，所以在道路路面、橋梁結(jié)構(gòu)、隧道襯砌支護(hù)等工程中的應(yīng)用日益廣泛。其中，鋼纖維噴射混凝土是由均勻散布有鋼纖維的混凝土拌和料，借助壓縮空氣高速噴射至受噴面而成的新型復(fù)合材料，它隨著在隧道和地下工程中新奧法的推廣和使用，已引起人們的高度重視，并在實際工程中取得了良好的效果。

 

 

    研究鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，是提高鋼纖維對混凝土增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)，從本質(zhì)上改變其物理、力學(xué)、化學(xué)性能，并造就材料新性能的理論基礎(chǔ)，也是進(jìn)行鋼纖維混凝土性能設(shè)計的依據(jù)。對鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，主要有兩種理論解釋，一是1963年由美國羅穆阿爾迪（Romualdi）提出的纖維間距理論，這一理論以線彈性斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)了鋼纖維混凝土在結(jié)構(gòu)形成和受力過程中對裂縫發(fā)生和發(fā)展的抑制作用；另一種是復(fù)合力學(xué)理論，其出發(fā)點是復(fù)合材料構(gòu)成的混合理論，即將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系，應(yīng)用混合理論來推求纖維混凝土的應(yīng)力、彈性模量和強(qiáng)度等。由于以上兩種理論都存在一定的片面性，近年來，國內(nèi)外對鋼纖維噴射混凝土的基本特性進(jìn)行了多方面的試驗研究和探索，試圖綜合復(fù)合力學(xué)理論和纖維間距理論的優(yōu)點，進(jìn)一步完善、充實和得到符合鋼纖維混凝土特征的新理論，但因為未能從根本上解決兩種理論的自身缺陷，依然無法取得令人滿意的結(jié)論。

 

 

    在噴射混凝土中加入鋼纖維可以改善混凝土吸收能量的能力和抗沖擊能力，提供開裂的阻力，控制開裂，并且能明顯改善延展性。例如，在混凝土基體開裂后，它仍然具有承載能力。加入鋼纖維的混凝土和素混凝土、鋼筋混凝土的性能相比改善和提高了許多。

 

    在噴射混凝土中摻加鋼纖維，主要是為了提高原為脆性材料的噴射混凝土的韌性。韌性是指鋼纖維噴射混凝土在承載過程中吸收變形的能力，是鋼纖維噴射混凝土的一個重要特性。常以荷載一位移曲線與橫坐標(biāo)軸所包絡(luò)的面積來表示。噴射混凝土中加入鋼纖維后，噴射混凝土的變形能力與殘余抗彎強(qiáng)度有了顯著的提高，如圖1所示。

    在隧道工程中，鋼纖維噴射混凝土的韌性使得與巖面緊密貼合的噴層不但具有一定的柔性，而且在同圍巖共同變形過程中持續(xù)有效地提供支護(hù)抗力，有助于圍巖通過應(yīng)力調(diào)整，形成足夠大的塑性區(qū)，充分發(fā)揮塑性區(qū)巖體的“卸載”作用，使傳到支護(hù)體上的壓力大為減小。

 

 

    鋼纖維噴射混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展，因此加入鋼纖維對于噴射混凝土抗拉強(qiáng)度和主要由主拉應(yīng)力控制的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等有明顯的改善作用，見圖2。

    圖2是一組典型的試驗結(jié)果。當(dāng)鋼纖維摻量在1% ～2%體積率的范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度提高40% ～80%，抗彎強(qiáng)度提高60% 一120%，抗剪強(qiáng)度提高50% 一100% 。但鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度提高幅度較小，一般在0% 一25%之間，根據(jù)鐵道科學(xué)研究院的試驗證明，決定抗壓強(qiáng)度的主要因素仍是噴射混凝土本身的配合比設(shè)計，見表1。