框格梁用喷射钢纤维混凝土的性能研究

陈 钊，尹 诚，韩雪刚

（岳阳市公路桥梁基建总公司 湖南岳阳414021）

0 引言

为维持人工开挖边坡坡体结构的稳定，保证周边建筑物及人员安全，常需对开挖后的高陡边坡进行稳定性分析［1-3］，并对其采取针对性的支护加固方案［4-5］。锚杆（索）框格梁体系作为边坡加固结构，已被广泛应用于破碎的岩质边坡或土质边坡的加固工程之中，锚杆（索）框格梁体系通过锚杆（索）的拉力将滑动的坡体与稳定的基岩体连接为一体，增加了岩土体各层面的抗滑力，同时又通过坡面上的框格梁将各锚杆（索）连成为整体，形成一个由表至里的被覆式加固体系，有效提升了边坡结构的整体稳定性［6］。

然而，目前框格梁通常采用现浇方法进行施工，框格梁现浇施工常存在诸多问题：①支模难度大，浇筑振捣混凝土易产生胀模或跑模问题；②在高陡坡面上布设钢筋笼施工困难，施工质量难以保证；③坡面上浇筑混凝土，在混凝土自身重力作用下，易产生离析现象。因此，为确保高陡边坡框格梁的质量并提高施工效率，拟采用性能优异的钢纤维混凝土及喷射施工工艺对其进行施工。

钢纤维混凝土是一种新型的多相复合材料，而喷射钢纤维混凝土多用于地铁、基坑、隧道等地下结构工程领域［7-10］，目前，采用喷射钢纤维混凝土来施做高陡边坡框格梁还鲜见报道。如采用喷射钢纤维混凝土施做框格梁，具备施工效率高，施工过程不需振捣，开槽后不需支模板等优点，同时可根据实际工程需求施做出任何形状的结构。

为此，本试验选取工程中常用的波浪型钢纤维和端钩型钢纤维为研究对象，通过室内试验探讨钢纤维类型及不同掺量对钢纤维混凝土流动性、抗压、抗拉以及抗折强度的影响规律，同时对锚杆与钢纤维混凝土的粘结行为进行了分析，以期为喷射钢纤维混凝土在高陡边坡框格梁中的工程应用提供支撑。

1 钢纤维混凝土室内试验

1.1 试验材料

水泥采用P·O42.5R级普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径5～15 mm 连续级配的碎石；细骨料选用河砂，表观密度为2.58 g/cm3，细度模数为2.8；减水剂采用聚羧酸系减水剂，减水率为26%，含气量为1.8%，碱含量（折固）为2.65%，pH 值=6.0；速凝剂采用JY 型速凝剂，初凝时间≤4 min，终凝时间≤7 min；采用上海某公司生产的波浪型钢纤维和端钩型钢纤维，其规格均为30 mm×0.55 mm（长度×直径），长径比均为55，波浪型钢纤维抗拉强度≥600 MPa，端钩型钢纤维抗拉强度≥1100 MPa；波浪型钢纤维如图1⒜所示，端钩型钢纤维如图1⒝所示。

图1 钢纤维Fig.1 Steel Fiber

1.2 试验配合比设计

参照《普通混凝土配合比设计规程：JGJ 55—2011》及《喷射混凝土应用技术规程：JGJ/T 372—2016》，对喷射钢纤维混凝土配合比进行设计。以素混凝土配合比（见表1）为基准，通过室内试验研究钢纤维类型（波浪型钢纤维，端钩型钢纤维）和体积掺量（0.0%，0.5%，1.0%，1.5%）对喷射钢纤维混凝土流动性、力学性能及与钢筋粘结性能的影响。

表1 素混凝土配合比Tab.1 Plain Concrete Mix Proportion

1.3 试件制作

制备150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件，测定钢纤维混凝土的抗压、抗拉强度；制备100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件，测定抗折强度。为研究钢筋与钢纤维混凝土的粘结性能，试验所用HRB400级月牙肋钢筋的规格为直径15 mm、长度420 mm，配置于150 mm×150 mm×150 mm 的立方体拉拔试件中心位置，其与混凝土基体的有效粘结长度为钢筋直径的5倍，即75 mm，采用PVC 管在试件内部隔离出无粘结段以避免加载端混凝土受到局部挤压，并在钢筋的加载端和自由端分别预留240 mm、30 mm 长，如图2⒜所示。试件制作时，首先所需材料按设计配合比称量备用，先将水泥、河砂、碎石、速凝剂投入SID60 强制式单卧轴混凝土搅拌机中干拌3～5 min，持续搅拌的同时将钢纤维缓慢加入搅拌机内，最后将减水剂和拌合水的混合液连续均匀地浇入搅拌机的干混料中，当拌合物表面无气泡冒出后即停止搅拌，随后进行坍落度测试和试件浇筑。成型试件在室内养护1 d 后脱模，再放置于标养室养护至28 d龄期，试件如图2⒝所示。

图2 拉拔试验及养护中的试件Fig.2 Specimens of Drawing Test and Specimens in Curing

1.4 试验方法

所有试验均按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准：GB/T 50080—2016》、《混凝土物理力学性能试验方法标准：GB/T 50081—2019》及《钢纤维混凝土试验方法：CECS 13∶89》进行；室内试验内容包括坍落度测试、抗压强度、抗拉强度、抗折强度试验以及钢筋拉拔试验；所用仪器包括TYA-2000A 型压力试验机、电液伺服万能试验机；抗压强度试验加载速率为0.50 MPa/s，抗拉、抗折强度试验加载速率均为0.05 MPa/s，钢筋拉拔试验前进行预加载，取预施加荷载为20 kN，重复3次，正式加载方式为位移加载，加载速率为3 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 钢纤维类型及掺量对流动性的影响

钢纤维混凝土的坍落度测试结果如图3 所示，整体而言，掺入钢纤维降低了拌合物的坍落度，而且降低效果随钢纤维掺量的增加越发明显。当钢纤维掺量为0.5%，波浪型钢纤维混凝土和端钩型钢纤维混凝土的坍落度分别为195 mm 和190 mm，较素混凝土分别降低了13.3%和15.6%；逐渐提高钢纤维掺量，两者的坍落度持续降低，这是由于随着钢纤维掺量的增加，增大了拌合物内部的摩擦力，从而流动性有所降低。当钢纤维掺量增加到1.5%，波浪型钢纤维混凝土和端钩型钢纤维混凝土的坍落度分别为170 mm 和160 mm，较素混凝土分别降低了24.4%和28.9%，此时拌合物振捣成型的难度较大，钢纤维出现成团现象。对比波浪型钢纤维混凝土可以发现，随着钢纤维掺量的增加，端钩型钢纤维混凝土的坍落度下降幅度更大；这是由于波浪型钢纤维在拌合物中能均匀分散，而端钩型钢纤维由于两头弯钩的存在，使得在搅拌过程中易搭接成网状结构，从而显著增大拌合物内部的摩阻力，因此拌合物的坍落度下降更为明显，流动性较差。

图3 坍落度与钢纤维类型及掺量的关系Fig.3 Relationship between Slump and Types and Content of Steel Fiber

2.2 钢纤维类型及掺量对抗压强度的影响

钢纤维混凝土1 d、28 d 抗压强度与钢纤维类型及掺量的关系曲线如图4 所示。从图4 中可以看出，在混凝土基体中掺入钢纤维，抗压强度会有所提高，这表明在基体内部呈三维乱向分布的钢纤维起到了约束试件受压膨胀的“套箍”作用。当钢纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，波浪型钢纤维混凝土1 d 抗压强度较素混凝土分别提高了2.2%、4.3%、5.4%，28 d抗压强度较素混凝土分别提高了2.5%、4.0%、5.1%，而端钩型钢纤维混凝土1 d 抗压强度分别提高了5.4%、7.6%、8.7%，28 d 抗压强度分别提高了3.6%、6.2%、6.5%；由此可见，随着钢纤维掺量的增加，两种钢纤维混凝土的抗压强度均有所提高，而抗压强度增长速率逐渐降低。在钢纤维掺量相同的条件下，端钩型钢纤维混凝土的抗压强度略高于波浪型钢纤维混凝土，这是由于两头有弯钩的端钩型钢纤维在混凝土基体中锚固效果更好，能更好地发挥“套箍”作用。

图4 抗压强度与钢纤维类型及掺量的关系Fig.4 Relationship between Compressive Strength and Types and Content of Steel Fiber

通过抗压强度可知，素混凝土试件呈现开裂并立即被压碎的脆性破坏特征，同时出现剥离、掉块现象。钢纤维混凝土较素混凝土表现出一定的塑性破坏特征，试件在达到极限强度时无崩裂、无碎块，仅产生了竖向裂缝和表面少量的剥落，基本保持了完整的外形，同时裂缝处有钢纤维被扯出或拉断的迹象。

2.3 钢纤维类型及掺量对抗拉强度的影响

钢纤维混凝土28 d 抗拉强度与钢纤维类型及掺量的关系曲线如图5 所示。可以发现，混凝土中掺入钢纤维后，抗拉强度相比于同配比的素混凝土有较大程度的提高。当钢纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，波浪型钢纤维混凝土抗拉强度较素混凝土分别提高了42.4%、56.4%、60.6%，而端钩型钢纤维混凝土分别提高了60.6%、77.0%、84.8%；由此可见，在钢纤维掺量相同的条件下，端钩型钢纤维对混凝土的抗拉强度的提升幅度更大。钢纤维对混凝土抗拉强度的提高效果主要是通过钢纤维在基体内部的桥接作用来实现，在受荷情况下，钢纤维将裂缝扩展界面的应力向四周传递，有效限制裂缝的产生与发展；端钩型钢纤维的两头弯钩处有圆弧段，钢纤维从基体拔出的阻力有所增大，能分担更多由裂缝扩展界面传递来的应力，因此，相比于波浪型钢纤维，端钩型钢纤维对抗拉强度的提升幅度更大。

图5 抗拉强度与钢纤维类型及掺量的关系Fig.5 Relationship between Tensile Strength and Types and Content of Steel Fiber

当掺量达到1.0%后，随着钢纤维掺量继续增加，抗拉强度提升幅度逐渐放缓；由于随着钢纤维掺量的增加，钢纤维与基体黏结界面间的缺陷逐渐增多，在受荷作用下内部缺陷极易发展成细小裂缝，随着荷载持续施加，试件内部裂缝逐渐与表面裂缝贯通，直至破坏。

2.4 钢纤维类型及掺量对抗折强度的影响

喷射钢纤维混凝土应用在边坡支护中主要是承受弯曲应力。钢纤维混凝土28 d 抗折强度与钢纤维类型及掺量的关系曲线如图6 所示。可以看出，无论采用何种类型的钢纤维，抗折强度都随着钢纤维掺量的增加而有所提升；这表明钢纤维掺量越大，纤维间距越小，更能抑制钢纤维混凝土裂缝的发展，其韧性性能也越好。当钢纤维掺量为0.5%、1.0%、1.5%时，波浪型钢纤维混凝土的抗折强度较素混凝土分别提高了39.7%、58.8%、64.8%，而端钩型钢纤维混凝土分别提高了66.6%、84.5%、92.5%；表明在对抗折强度提高的贡献中，纤维的增韧效果起到了关键作用，同时可以看出，在钢纤维掺量相同的条件下，端钩型钢纤维混凝土的抗折强度高于波浪型钢纤维混凝土，这充分说明钢纤维的形状对混凝土增韧效果影响显著。由于端钩型钢纤维两头弯钩的锚固作用，与基体的咬合力大于波浪型钢纤维，这增加了钢纤维被拉直及从基体中拔出所需的能耗，从而可以更大程度地承受裂缝扩展界面传递的应力，大幅提高混凝土的增韧效果。

图6 抗折强度与钢纤维类型及掺量的关系Fig.6 Relationship between Flexural Strength and Types and Content of Steel Fiber

通过抗折试验发现，裂缝最先出现在小梁试件下部受拉区。对素混凝土而言，受荷条件下，小梁试件下部逐渐有细小裂缝产生，随着荷载持续施加，裂缝迅速扩展并贯穿整个截面，试件发生了折断破坏，破坏断面较为平整，且呈现出脆性破坏特征，见图7⒜。对端钩型钢纤维混凝土而言，小梁试件开裂后，可以听到基体内钢纤维被拉断或拔出的声音，由于钢纤维与基体之间的黏结作用，延缓了裂缝的扩展速率，并在达到最大荷载后，仍可继续承载，但此时的强度不再增长；在小梁试件粗糙的破坏断面周围存在若干细小裂缝，与素混凝土小梁试件相比，裂缝数量更多、宽度更小，这是由于钢纤维将荷载向四周传递所导致的；同时可以观察到破坏断面处钢纤维有被拔出、拉断和变形（两头弯钩趋于平直）的现象，呈明显塑性破坏特征，见图7⒝。波浪型钢纤维混凝土小梁试件的抗折试验现象与端钩型钢纤维混凝土类似，同样观察到了破坏断面处钢纤维有被拔出、拉断的现象。

图7 混凝土小梁试件抗折破坏形态Fig.7 Flexural Failure Mode of Concrete Small Beam Specimens

2.5 钢纤维类型及掺量与锚杆粘结性能的影响

由于拉拔试验中锚杆有效粘结长度较小，所以假设粘结应力沿锚杆的有效粘结长度均匀分布，有效粘结长度范围内粘结应力的平均值即为锚杆与钢纤维混凝土的粘结强度。依据《纤维混凝土试验方法标准：CESC 13∶2009》，锚杆与钢纤维混凝土间的粘结强度按式⑴计算：

式中：τ为锚杆与钢纤维混凝土间的粘结强度（MPa）；F为最大拔出荷载（N）；d为锚杆的直径（mm）；l为锚杆的有效粘结长度（mm）。

钢纤维类型及掺量对锚杆与钢纤维混凝土粘结强度关系曲线如图8⒜所示。从图8⒜中可以看出，波浪型及端钩型钢纤维混凝土与锚杆的粘结强度均高于素混凝土，这是由于锚杆与钢纤维混凝土接触处受力机制不同于素混凝土，见图8⒝，钢筋与钢纤维混凝土的粘结作用主要包括：①锚杆肋纹处与钢纤维混凝土的机械咬合力；②锚杆与钢纤维混凝土凹凸接触面、钢纤维的摩擦力；③锚杆与钢纤维混凝土中胶凝材料的胶着力。

图8 钢筋与钢纤维混凝土的粘结性能Fig.8 Bonding Behavior between Steel Bar and Steel-fiber-reinforced Concrete

同时，随着钢纤维掺量的增加，粘结强度呈现出上升的趋势，且端钩型钢纤维混凝土与锚杆粘结强度的上升幅度更大，其原因可归纳为2个方面：①钢纤维间距减小，增加了与锚杆接触界面的粗糙程度，产生更大的摩擦阻力；②肋纹突出处有较多钢纤维，拉拔时受到的抵抗力更大，锚杆受到的拉拔力可以通过钢纤维较快地向四周传递［11］，显著抑制接触界面环向拉应力的扩展，避免出现应力集中，因此钢纤维混凝土与锚杆的界面粘结性能有所提升，这种提升效应在钢纤维掺量较小时更为突出，随着钢纤维掺量的进一步增加，粘结强度上升幅度有所降低，这说明了钢纤维对粘结强度的增强作用存在上限。

3 结论

为在高陡边坡框格梁施工中推广应用喷射钢纤维混凝土，本文就不同钢纤维类型及掺量下钢纤维混凝土的性能展开了研究，获得了如下有益的结论：

⑴钢纤维的掺入，显著降低了混凝土的流动性，且随着钢纤维掺量的增加，混凝土的坍落度持续降低；在钢纤维掺量相同的条件下，端钩型钢纤维混凝土的流动性略低于波浪型钢纤维混凝土。

⑵钢纤维的掺入对混凝土抗压强度略有提升，而对抗拉、抗折强度的提升较为明显，且钢纤维的掺量越大，其提升的幅度越大，同时改善了混凝土的破坏形态，其中端钩型钢纤维的增强效果更加明显，但随着钢纤维掺量的进一步增加，这种增强效果逐渐降低。

⑶波浪型与端钩型钢纤维混凝土与钢筋的粘结强度均高于素混凝土，且随着钢纤维掺量的增加，其粘结强度上升幅度逐渐降低。

⑷综合考虑现场喷射施工要求及材料性能，高陡边坡框格梁用喷射钢纤维混凝土推荐选用端钩型钢纤维，而且其体积掺量宜为1.0%，抗压、抗拉及抗折强度较素混凝土分别提高6.2%、77.0%和84.5%，其与锚杆的粘结强度较素混凝土提高37.8%，此时喷射钢纤维混凝土能达到最佳工作状况。