混凝土抗裂增强铣削型钢纤维及其在地铁工程中的应用.pdf

地铁 与隧道 防水 涅 凝 土抗 裂 增 强铣 削 型钢 纤 维及 其 在 地铁 工程 中的应 用 陈心 茹， 朱祖 熹 ( 上海市隧道工程轨道交通设计研究院， 上海 2 0 0 2 3 5 ) 摘要： 针对地铁车站结构混凝土抗裂防裂要求， 提出在混凝土中掺加钢锭铣削型钢纤维以减少和控制裂缝， 剖析 了钢纤 维混凝土的应用机 理 ， 分析 了各类钢 纤维的性 能特 点以及钢锭铣 削型钢 纤维的优 点 ， 结合铣 削型铜纤 维在上 海地铁 车 站混凝土结构顶板工程中的应用实例， 说明了其应用功效， 并提出了今后的研究方向。 关键词 ： 地铁 车站 ； 开孔 结构顶板 ； 混凝 土抗裂 ； 铣 削型钢 纤维 文章编号 ： 1 0 0 7 4 9 7 X( 2 0 1 4 ) 一 1 8 0 0 3 6 0 5 中图分类号： T U 7 6 1 1 1 ； U 4 5 5 文献标识码 ： B M i l l i n g S t e e l Fi b e r Re i n f o r c e d An t i - c r a c k i n g Co n c r e t e a n d I t s A p p l i c a t i o n i n S u b w a y P r o j e c t Ch e n Xi n r u， Z h u Zu x i ( S h a n g h a i T u n n e l E n g i n e e r i n g& R a i l T r a n s i t D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 2 3 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：C o n s i d e r i n g t h e a n t i - c r a c k i n g r e q u i r e me n t s o f t h e s t r u c t u r a l c o n c r e t e i n s u b wa y s t a t i o n c o n s t r u c t i o n ，t h i s a r t i c l e s u g g e s t s a d d i n g mi l l i n g s t e e l fi b e r i n t o t h e c o n c r e t e t o r e d u e e a n d c o n t r o l c r a c k s T h e p a p e r a n a l y z e s t h e a p p l i c a t i o n me c h a n i s m o f t h e s t e e l fi b e r e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， p e r f o r ma n c e f e a t u r e s o f v a r i o u s s t e e l fi b e r s a n d t h e a d v a n t a g e s o f mi l l i n g s t e e l fi b e r f r o m s t e e l i n g o t ，a n d i t t a k e s t h e mi l l i n g s t e e l fi b e r a p p l i c a t i o n i n t h e e o n c r e t e s t r u c t u r e d r o o f p l a t e o f S h a n g h a i s u b wa y s t a t i o n a s a n e x a mp l e t o e x p l a i n i t s a p p l i c a t i o n e f f e c t s ， a n d p o i n t s o u t t h e r e s e a r c h d i r e c t i o n i n t h e f u t u r e Ke y wo r d s ： s u b w a y s t a t i o n ； p e r f o r a t e d s t ruc t u r a l r o o f p l a t e ； a n t i - c r a c k i n g o f c o n c r e t e ； mi l l i n g s t e e l f i b e r 地铁地下车站结构混凝土抗裂防裂， 一直是结构 防水 、结构耐久性的重要 目标 。在结构与防水设计 、 施工的各过程 中， 必须采取很多措施 ， 以满足这方面 的要求， 其中从混凝土材料着手 ， 限制裂缝产生与扩 展是常用的措施 ， 例如添加增塑减水剂 、 膨胀抗裂剂 以及采用水泥基渗透结晶型防水材料等， 都是有效措 施。掺加纤维类材料也常采用， 其中掺加各类合成纤 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 1 8 作者简介： 陈心茹， 女， 高级工程师。联系地址： 2 0 0 2 3 5上海中 山西路 1 9 9 9号申隧设计大厦 1 6楼上海市隧道工程轨道交通 设计研 究院。 维更是为人所熟知， 而掺加钢纤维类材料尤其是钢锭 铣削型钢纤维 ， 则在 国内地下工程使用 尚不够广泛 ， 工程技术人员对其 了解也不充分 。为此 ， 本文着重介 绍铣削型钢纤维及其在地铁工程中的应用， 其对混凝 土抗裂 、 增强功效 ， 在特定条件下十分有效 。 1 钢锭铣削型钢纤维及其特点 钢锭铣削型钢纤维是一种新型高性能的钢纤维 品种 。钢锭铣削型钢纤维混凝土的配合 比设计方法 大体与普通 昆 凝土相同， 不同点为： 采用强度双控标 准( 抗压强度和弯拉强度) ； 钢纤维掺量根据设计要 求的弯拉强度确定； 单位用水量和砂率与纤维掺量有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 地铁与隧道防水 在变截面或开孔周 围的顶板 ， 应采用钢纤维混凝土。 2 )钢纤维混凝土在地下结构顶板开孔段的适用 范围 般为两条诱导缝或施工缝间的区段 ， 钢纤维体 积率宜为 0 4 0 一 0 7 5 。 其 中在同一区段问可采用同 体积率的钢纤维， 也可采用由近及远递减的方式。 3 ) 当地下结构顶板上有路面， 且路面结构层厚度 小于 3 0 0 mm时 ， 结构顶板应采用钢纤维混凝土。 4 )结构顶板开孔或变截面及其他相关结构采用 钢纤维混凝土时， 也可采用其他抗裂、 防水的外加剂 ， 但严禁使用含氯盐类 的外加剂 。 目前， s T B Q 卜 0 3 0 0 0 1 上海轨道交通地下车 站与地下区间钢筋混凝土结构耐久性设计通用文件 中规定 ：当结构顶板开设直径大于 5 m的圆孔或面 积大于 2 4 m 的方孔时 ， ( 孔周边混凝土 ) 应添加钢锭 铣削钢纤维 ， 以增强混凝土抗裂性能 。 以上做法 ， 在上海轨道交通 中应用颇为成功。 3 几种钢纤维性能比较 钢纤维对混凝 土的增强作用主要是通过它与基 体问的粘结力来实现的， 由于钢纤维与基体 的粘结使 钢纤维能起到阻止裂缝开展并承受荷载的作用 ， 改善 了普通混凝土易裂、易脆的弱点。而基体性能参数， 尤其是钢纤维类别对混凝土界面粘结性能 、抗裂性 能， 影响显著 。 3 1 粘结性能 1 ) 试验材料 水泥 ：大连小野 田水泥厂生产的 4 2 5级普通硅 酸盐水泥； 砂： 标准砂； 钢纤维： 钢锭铣削型钢纤维， 剪切钢纤维( 0 2 5 m m x 0 2 5 m m x 2 5 m m) ， 钢丝切 断弯钩形钢纤维( 3 0 0 6 ) 。 2 ) 试验结果 大连理工大学对铣削钢纤维、 剪切钢纤维、 切断 弯钩形钢丝这 3 类钢纤维 ，以 C 4 0钢纤维混凝土强 度进行粘结对比试验， 所得试验数据见表 1 。 试验证明： 铣削钢纤维混凝土 比其他两种钢纤维 混凝土的粘结强度显著提高。 3 2 抗裂性能 表 1 钢纤维的粘结强度 钢纤维类型 混凝土强度 粘结强度 MP a 铣削钢纤维 C F 4 0 6 9 8 剪切钢纤维 C F 4 0 0 8 6 钢丝钢纤维 C F 4 0 3 7 6 关于限制条件下混凝土收缩的试验方法 ， 国内外 都没有标准。 本研究采用的是 K r a a i 提出的平板式试 验方法， 在实验室进行试验时， 需保持较低的湿度， 以 利于试件在较短的时间内完成试验。 在本试验中， 将收缩裂缝按其宽度分为大、 中、 小 和极细 4种类 型。 宽度在 3 mm左右的收缩裂缝其度 量指数为 3 ， 宽度在 2 mm、 1 mm及 0 5 mm左右的其 度量指数分别为 2 、 1 及 0 5 ，每 1 度量指数乘 以其相 应的裂缝长度之和 ， 其乘积即为该试件的收缩裂缝总 量 ， 并 以此值作为评定钢纤维改善混凝土抗裂性能的 依据。图4 是未掺钢纤维与掺不同钢纤维( 纤维掺量 3 0 k g m ) 对混凝土收缩裂缝的影响图。 皿 础 嫖 KB MS HS K B 一未掺钢纤维； M s 掺剪切钢纤维 ； H s 一掺钢 锭铣削钢纤 维 图 4 收缩裂缝总量对 比图 表 2为抗弯拉强度试验结果 。由表 2可见 ， 对 C 3 0 C 5 0混凝土 ，钢纤维掺量为 3 O 9 0 k g m 时 ， 钢 锭铣削型钢纤维混凝土的抗弯拉强度比普通混凝土 提高 2 0 5 0 。 表 2中的试验结果表明， 钢锭铣削型钢纤维混凝 土的抗弯拉强度比普通混凝土有明显的提高， 且与钢 纤维的掺量成正比。随着混凝土强度等级的提高， 钢 纤维混凝土抗弯拉强度的增长幅度变小。 4 钢纤维混凝土应用实例 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 抗弯拉强度试验结果 混凝土设计 钢纤维掺量 2 8 d 弯拉强度 强度增长 强度等级 ( k g m ) MP a 率 0 3 1 4 、 3 0 461 4 6 8 C2 5 6 0 52 6 6 7 5 9 0 59 7 9 0 1 O 398 C3 O 3 0 48 0 2 06 6 0 62 2 5 6 _ 3 0 5 6 6 3 0 6 6 9 l 8 - 2 C 4 0 4 5 7_2 4 2 79 6 0 7 0 5 2 46 O 5 7 2 C5 0 6 0 6 6 3 1 59 9 0 7 1 3 2 4 7 4 1 上海地铁 2号线杨高路车站顶板 上海地铁 2 号线杨高路车站顶板 1 4 1 8 轴位置 开设直径 1 1 I n的圆孔 。 1 ) 车站混凝土原材料要求 水泥 ： 4 2 5强度等级 ， 普通硅酸盐水泥 ； 石子 ： 直 径 5 2 5 mm的碎 石 ； 砂 ： 中粗砂 ； 粉煤灰 ： 级 粉煤 灰 ； 钢纤 维 ： 钢锭铣削型钢纤维 ； 减水剂 ： WL l混凝 土泵送剂。 2 ) 车站钢纤维混凝土配合 比 杨高路车站顶板开设采光 圆孔 ， 其钢纤维混凝土 配合 比如表 3所示 。 表 3 C 3 0预拌钢 纤维混凝土 配比 k g m3 2 0 0 j 3 6 0 l 6 0 l 7 0 l 7 6 7 9 6 5 j 0 5 L 1 0 0 k g 胶凝材料 注 ： 1 ) 钢纤维混凝土总用量 5 2 5 m ， 连续 浇灌 1 7 h ， 其 中 2 0 0 m 混 凝土另掺 0 5 k 咖 尼龙纤维； 2 ) 坍落度 1 3 e m， 施工要求混凝土表面 覆 盖塑料 薄膜 和一 层草包 ， 湿养不 少于 1 4 d 。 当时， 也曾做过同时掺钢纤维和尼龙纤维的混凝 土试件 ， 并将它与普通混凝土、 钢纤维混凝土比较， 其 结果如表 4 所示。 4 2 上海轨道交通人 民公 园车站工程 地铁与隧道防水 表 4 各种混凝土力学性 能比较 测试龄 普通混凝土 钢纤维混凝土 掺钢纤维和尼 试验项 目 龙纤 维混凝 土 期 d MP a MPa MPa 7 2 8 抗压强度 2 8 2 8 4 1 0 O 3 9 2 1 3 8 2 7 0 3 7 9 1 O 0 4 5 8 l 2l 4 7 2 l 2 5 2 8 5 0 1 O 0 6l2 1 2 4 抗弯强度 2 7 0 4 5 1 O O 6 1 l 3 6 6 0 4 l 3 5 劈拉强度 2 7 0 2 3 8 1 0 0 3 _ 3 2 1 4 0 3 6 4 1 5 3 上海轨道交通人民公园车站顶板 1 1 一 l 4轴位置 矩 形开 口( 2 7 rex 5 1T I ) 采用两种钢纤维混凝土 ， 分别 为 3 0 k g m 和 6 0 k g m 。 其中 6 0 k rn 3 混凝土用在开 孔周围 ， 钢纤维混凝土用量 8 7 0 m 。 1 ) 人民公园站混凝土配合比 人 民公园车站 C 3 0预拌钢纤维混凝 土的配合 比 见表 5 。 表 5 人 民公 园车站 C 3 0预拌钢纤维混凝土 配合 比 k g m 4 2 5级 WL 一 1 夕 口 剂 水 钢纤维 粉煤灰 砂 石 水泥 S P - 4 0 6 2 0 0 3 6 0 6 0 7 0 7 6 7 9 6 5 1 8 L I O 0 k g 胶凝材料 2 0 0 3 5 0 3 0 6 0 6 9 5 1 0 0 0 1 5 UI O 0 k g 胶凝材料 2 ) 人 民公园车站钢纤维混凝土 原材料 ： 同杨高路站。人民公园车站 C 3 0预拌钢 纤维混凝土的力学性能见表 6 ， 其抗裂效果见表7 。 表 6 人 民公 园车站钢纤维混凝土力学性能 2 8 d 抗 压强度 混凝 土品种 2 8 d抗 弯强度 MP a MP a 普通混凝土 3 7 0 1 0 0 5 -4 掺 3 0 k e g m 钢纤维混凝土 3 9 1 1 0 6 7 8 掺 6 0 k g m3 钢纤维混凝土 4 1 2 1 l 1 4 - 3 零覆土顶板混凝土添加钢纤维抗裂 的车站 所谓零覆土顶板混凝土是指直接在结构顶板混 凝土上铺设路面、 不加覆土的顶板结构混凝土。为增 加顶板 的强度和抗裂性能 ， 可在此结构顶板混凝土 中 添加钢锭铣削钢纤维抗裂 ， 用以直接铺设路面 ， 已在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 地铁与隧道防水 表 7 采用钢 纤维混凝土的抗裂效果 2号线 地铁车站 1 号线 人民公园站 杨 高路站 墙体结构型式 单墙( 无内衬) 复合式侧墙 复合式侧墙 顶板开孔尺寸 矩形孔 5 m x 2 7 m 直径 1 1 m圆孑 L 不设置 ( 仅设 诱导缝 设置 设 置 施工缝 ) 混凝土强度 C 3 0 C 3 0 C 3 0 等级 钢纤维掺量 O 3 0 - 6 0 6 0 ( k g m ) 采 用普通 混凝 经 多 个 冬 夏 季 节 裂缝和渗水 土 ， 开 L 处 每 温度 变化考验 ， 开 经 多 个 冬 夏 试 隔 2 O 4 0 e m 孔 四周无裂缝渗 验， 未发现斜裂 情况 出 现 l条 4 5 。 水现象 发生 ， 顶 板 缝 斜裂缝 未进行堵漏处理 上海轨道交通 中有应用实例 ， 例如 ： 1 ) 轨道交通 4号 线兰村路站 ； 2 ) 轨道交通 6号线世纪大道站 ； 3 ) 轨道 交通 8 号线人民广场站顶板相应地面九江路处 ； 4 ) 轨 道交通 7号线徐家汇站 ； 5 )轨道交通 1 0号线江湾体 育场站。 其中，轨道交通 l 0 号线江湾体育场站及地下开 发空间横穿界泓河 ， 其车站顶板即为河床底板。为了 防止流动的河水对结构顶板持续冲刷 、 损毁 ， 过河段 结构顶板在外 防水层上浇筑有 2 0 0 mm厚 的钢筋混 凝土河床罩面( 图 5 6 ) 。针对车站与地下空 间结构 顶板混凝土极易开裂 、 渗水 的情况 ， 考虑到混凝土耐 久性 以及河床耐冲刷等问题 ， 过河段顶板及河床罩面 除采用常规防水及耐久性设计外 ， 在顶板混凝土中设 计添加钢锭铣削钢纤维( 掺量 0 4 ) ， 河床罩面7 昆 凝 土中钢纤维掺量为 0 6 ， 后期整体效果良好。 其他结构顶板混凝土中添加钢锭铣削钢纤维 ， 用 作抗裂、 增强措施， 在深圳地铁等也有类似的应用， 在 此不赘述。 5 结语 目前 ， 结构顶板采用大开孔构造时 ， 在混凝土中 添加钢锭铣削钢纤维比较成功， 但在进一步扩大应用 上 ， 还不够充分 。除了造价等 因素外 ， 对于界定应用 姒 仍 玳n 野 l ， J ， z 一 c F 3 O钢纤维混凝土河床罩面( 钢i 膨润土防水毯 一 钢纤维混凝土顶板兼 河床底板 ( 钶 l l I “ 一 z i 。 y - 1 6 ) 图 5 车站及地下空间顶板 、 河床罩 面防水构造 河 床 罩 面 单 组 分 聚 氨 酯 密封胶 ( 2 0 x 1 0 ) 车站 结构 土防水毯 全断面出浆 注浆管 L l 5 0 0 8 面 地下空间结构 膨润土防水毯充填 图 6 车站与地下 空间连接部位顶板及 河床罩面 防水构造 于何种断面 、 尺寸 、 外形等结构构造部 位 ， 尚不够清 晰 ， 因此需进一步深化钢锭铣削钢纤维在地铁等地下 工程 中应用的理论与实践。 。 参考文献 ： 1 陈昌祺 ， 鲍艳玲 ， 陈心茹 用于地 下结构与河道结构组合的 结构 ： 中国， 1 0 1 1 4 8 8 9 3 P 2 0 1 0 0 1 1 3 【 2 朱祖熹， 陆明， 柳献 隧道工程防水设计与施工 M 北京： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 1 2 【 3 上海市建设和交通委员会 D G T J 0 8 5 9 2 o 0 6钢锭铣削 型钢 纤维混凝 土应 用技术规程 S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m