钢纤维喷射混凝土及其在隧道工程中的应用

摘要：介绍钢纤雏在喷射混凝土中的作用机理、钢纤维的韧性及与隧道新奥法锚喷支护中相关的几种主要力学性能，结合其在隧道工程中的应用，说明钢纤维喷射混凝土能很好地满足隧道新奥法的要求，是一种理想的支护材料。

 

关键词：隧道工程钢纤维喷射混凝土     韧性     新奥法     支护材料

 

    钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）和钢纤维喷射混凝土（Steel Fiber ReinforcedShotcrete，SFRS）作为一种新型建筑材料，近年来在国内外得到了迅速发展。和普通混凝土相比，钢纤维混凝土不仅能明显改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨和抗裂能力，而且能大大增强断裂韧性和抗冲击等多项性能，加之施工简便，价格相对低廉，所以在道路路面、桥梁结构、隧道衬砌支护等工程中的应用日益广泛。其中，钢纤维喷射混凝土是由均匀散布有钢纤维的混凝土拌和料，借助压缩空气高速喷射至受喷面而成的新型复合材料，它随着在隧道和地下工程中新奥法的推广和使用，已引起人们的高度重视，并在实际工程中取得了良好的效果。

 

 

    研究钢纤维混凝土的增强机理，是提高钢纤维对混凝土增强、增韧和阻裂效应，从本质上改变其物理、力学、化学性能，并造就材料新性能的理论基础，也是进行钢纤维混凝土性能设计的依据。对钢纤维混凝土的增强机理，主要有两种理论解释，一是1963年由美国罗穆阿尔迪（Romualdi）提出的纤维间距理论，这一理论以线弹性断裂力学为基础，强调了钢纤维混凝土在结构形成和受力过程中对裂缝发生和发展的抑制作用；另一种是复合力学理论，其出发点是复合材料构成的混合理论，即将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，应用混合理论来推求纤维混凝土的应力、弹性模量和强度等。由于以上两种理论都存在一定的片面性，近年来，国内外对钢纤维喷射混凝土的基本特性进行了多方面的试验研究和探索，试图综合复合力学理论和纤维间距理论的优点，进一步完善、充实和得到符合钢纤维混凝土特征的新理论，但因为未能从根本上解决两种理论的自身缺陷，依然无法取得令人满意的结论。

 

 

    在喷射混凝土中加入钢纤维可以改善混凝土吸收能量的能力和抗冲击能力，提供开裂的阻力，控制开裂，并且能明显改善延展性。例如，在混凝土基体开裂后，它仍然具有承载能力。加入钢纤维的混凝土和素混凝土、钢筋混凝土的性能相比改善和提高了许多。

 

    在喷射混凝土中掺加钢纤维，主要是为了提高原为脆性材料的喷射混凝土的韧性。韧性是指钢纤维喷射混凝土在承载过程中吸收变形的能力，是钢纤维喷射混凝土的一个重要特性。常以荷载一位移曲线与横坐标轴所包络的面积来表示。喷射混凝土中加入钢纤维后，喷射混凝土的变形能力与残余抗弯强度有了显著的提高，如图1所示。

    在隧道工程中，钢纤维喷射混凝土的韧性使得与岩面紧密贴合的喷层不但具有一定的柔性，而且在同围岩共同变形过程中持续有效地提供支护抗力，有助于围岩通过应力调整，形成足够大的塑性区，充分发挥塑性区岩体的“卸载”作用，使传到支护体上的压力大为减小。

 

 

    钢纤维喷射混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展，因此加入钢纤维对于喷射混凝土抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等有明显的改善作用，见图2。

    图2是一组典型的试验结果。当钢纤维掺量在1% ～2%体积率的范围内，抗拉强度提高40% ～80%，抗弯强度提高60% 一120%，抗剪强度提高50% 一100% 。但钢纤维对混凝土的抗压强度提高幅度较小，一般在0% 一25%之间，根据铁道科学研究院的试验证明，决定抗压强度的主要因素仍是喷射混凝土本身的配合比设计，见表1。