纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的应用.pdf

2 0 1 2 年 第 1 2期 (总 第 2 7 8 期 ) N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No ． 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ．0 3 4 纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的应用 曹擎宇 ， 。郝挺字 ’ ，孙伟 z ( 1 ．中冶建筑研究总院有限公司 ，北京 1 0 0 0 8 8 ；2 ．东南大学 材料科学与工程学院 ，江苏 南京 2 1 1 1 8 9 ) 摘要： 纤维混凝土用于隧道二次衬砌中， 用以提高混凝土的抗裂性能。选用钢纤维、 纤维素纤维、 改性聚酯纤维、 聚乙烯醇纤维、 聚丙 烯纤维单掺及与钢纤维复掺， 采用平板法、 圆环法和测长法测试其抗裂性能， 试验结果证明纤维混凝土不仅提高了混凝土的劈裂抗拉强 度和抗折强度， 而且抗裂性能较普通混凝土有明显的改善， 特别是纤维素纤维混凝土抗裂性能更好。 将纤维素纤维混凝土应用于 I I I 级围 岩下二次衬砌中， 工作性能、 强度指标均满足设计要求 ， 且 2 8 0 d 后混凝土表面未开裂 ， 满足正常使用的要求。 关键词 ： 纤维 ；抗裂性 能；二次衬砌 中图分类号 ： T U5 2 8 ． 0 l 文献标 志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 — 0 1 0 2 — 0 4 Cr a c k r e s i s t an ce an al y s i s a nd a ppl i c a t i on t o t unn el e ngi nee r i ng of f i b er c on cr e t e C AOQ i n g -y u ， H AOT i n g - y u ， S U NWe i ( 1 ． Ce n t e r Re s e a r c hI n s t i t u t eo f B u i l d i n g a n dC o n s t r u c t i o nC o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， Ch i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c eandE n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ， Na n j i n g2 1 1 1 8 9 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： F i be r c o n c r e t e a p pl i e df o r s e c o n dl i n i n gi nmma e l t oi mp r o v e c r a c k r e s i s t a n c epe r f o r ma n c e ．W e c h o o s e nt h e S F、 CF、 P ETF、 P VAF a n d PP F， t o o k a c e r t a in s i n g l e fi b e r o r S F a nd an o t h e r ki n d s o f fi b e r a d d i n g t o c o n c r ~e， t e s t e d t h e c r a c k r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e b y fla t me t h o d、 c i r q u e me t h o d an d l e n g t h me t h o d，Th e r e s u l t s h o we d t h a t fi b e r c o n c r e t e n o t e n h a nc e the s p l i ai n g s t r e ng t h a n d b e n d i n g s t r e n g t h， b u t i mp r o v e d t h e c r a c k r e s i s t anc e p e r f o rm a n c e c o mp a r i n g t o n o r ma l c o n c r e t e ， e s p e c i a l l y fi b e r c o n c r e t e ． F i be r c o n c r e t e a p pl i e d for the s e c o n d l i n i n g u nd e r t h e I I l wa l l r o c k ， b o t h wo r k p e r f o rm anc e an d s t r e n gth i n d e x s a t i s fy t h e d e s i g n d e man d ， a n d c o n c r e t e s u r f a c e c o u l d n o t d e t e c t c r a c k a f t e r 2 8 0 d a y s ． Ke y w or d s： fib e r ； c r a c k r e s i s ta n c e ； s e c o n d l i ni n g 0 引言 世界上较早修建的高速铁路隧道二次衬砌结构普遍采用素 混凝土， 随着运营时间推移， 隧道衬砌非结构性裂缝不断出现并 发展， 维修养护工作不断加大， 二次衬砌结构安全性问题逐渐突 出， 甚 至危及高速列 车的运行安全 ， 如 日本新干线已发生了多起 因隧道二次衬砌混凝土掉块中断行车事故[1 ] 。 为解决这一问题， 世界各国都在积极研究试验相应的措施与方法， 如德国采用对二 次衬砌混凝土采用单层钢筋网护面结构目 ， 但钢筋网护面结构造 价高、 施工困难、 工序耗时长。 目前国内港口工程、 水利工程和建 筑工程中采用纤维混凝土结构 ， 即通过纤维在混凝土中多根 数的乱向分布， 有效防止混凝土的早期开裂， 而且对于开裂后裂 缝的扩展具有很强的抑制作用， 减少混凝土在施工期的裂缝和 缺陷， 提高混凝土的韧性、 抗冲击、 抗冻融、 抗渗、 抗疲劳等性能。 本试验采用 纤维混凝 土技术解决 二次衬砌 中非结构 裂缝 问题 ， 通过植物纤 维与金属 纤维 、 有机纤维及 金属纤维 与生物 纤维、 有机纤维混合， 对其抗裂性能进行试验， 优化出可用于高 速铁路隧道二次衬砌结构的纤维混凝土， 并应用于某高速铁路 隧道工程中的二次衬砌结构。 1试 验 1 ． 1 原材料 水泥为武汉华新水泥厂生产的 P I I 4 2 ． 5 级水泥； 粉煤灰为 收稿 日期 ：2 0 1 2 - - 0 6 - 2 0 l 02 I 级粉煤灰 ， 烧失量 ≤5 ． 0 ％； 砂为 中粗 河砂 ， 细度模数 2 ． 6 ； 石子 为石灰 岩碎石 ， 粒径范围 5 ~ 2 O mm； 外加剂为 P C M 聚羧酸高效 减水剂； 水为普通 自来水； 纤维选用钢纤维( s F ) 、 聚乙烯醇纤维 ( P VA F ) 、 聚丙烯纤维( P P F ) 、 纤维素纤维( UF 5 0 0 ) 、 改性聚酯纤 维( P E T F ) ， 各种纤维性质见表 1 。 表 1 试验选用纤维物理力学性 能 纤维种类 抗拉 ／ M 强度 Pa ／ GP a 量 极 单丝 ／ m 长度 m ／ ( 密度 e C c m， ) ／ ％ ( ， ) 1 ． 2配合 比设 计 不掺的基准混凝土配合比为： 水泥： 粉煤灰： 砂： 石子： 水 = 2 6 6 ： 1 1 4 ： 7 6 0 ： 1 0 5 0 ： 1 5 5 ， 其余各组掺加纤维的混凝土见表 2所示 ， 通过调节高效减水剂的用量使所制备的纤维混凝土的坍落度 在 ( 1 8 0 + 3 0 )11 1 1 "／ 1 范围内。 成型后 2 4 h脱模 ， 放入标准养护室 养护， 分别测试 2 8 、 5 6 d的立方抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗 折强度。 1 ． 3试验 设计 ( 1 ) 早期抗裂性能( 平板法 ) 。 混凝土早期塑性开裂采用美 ( 2 ) 圆环法试验结果 。 圆环试 验未考虑纤维 复掺情况 ， 根据 静态应变仪记录的应变值， 在已知钢模自身弹性模量的基础上， 计算出在不同龄期时混凝土由于收缩而产生的内应力。 不同龄 期 的钢环 内壁 的净应变 曲线和计算得 到的不 同龄期 混凝土平 均 内应 力速率 ， 分别示于图 3 、 4中。 亘 三0 ．2 艟 蚓 0 1 霜 0 龄期 ／ d 图 3 混凝土应变随龄期变化 曲线 基 准UF 0 0 8 UF 0 l 0 UF O ． I 5 PE TF S F 纤 维类 型 图 4不同类型混凝 土的平均 内应力速率 由图 3 、 4 可知 ： 基准混凝土钢环内壁净应变值在不同龄期时 均最大 ， 不同龄期 UF 5 0 0 纤维混凝土钢环内壁净应变值均最小 ， 而且该值随UF 5 0 0 纤维掺量的增加而减小； 根据AS T MC1 5 8 1 - 0 4 的规范规定， 当龄期超过 2 8 d时， 混凝土平均应力速率若小于 0 ． 1 0 MP a ／ d ， 则混凝土开裂的可能性很小； 若平均应力速率大于 0 ． 3 4 MP a ／ d ， 则混凝土开裂的可能性很大。 由图 3可知 ， 当龄期 超过 2 8 d时 ， 基准混凝土开裂 的可能性较大 ， P E T F和 s F混凝 土开 裂的可能性较小 ， 而 3个掺量 U F 5 0 0 纤 维混凝土开裂的可 能性很小 。 ( 3 ) 测长法试验结果。 采用立式收缩仪测量混凝土干燥收 缩值， 试验持续 5 6 d ， 纤维单掺和复掺的干缩值随龄期变化如 图 5 所示 。 从 图 5可以看 出 ， 随龄期 的增长 ， 混凝 土的干燥收缩 值逐 步增长 ， 但 前 7 d明显较快 ， 后期 随着 龄期 的增长 ， 收缩值增长 程度逐步下降。 掺加纤维后混凝土干燥收缩值均比基准混凝土 有所减 小 。 其 中纤维 素纤 维混凝 土在不 同龄 期时 的干燥 收缩 值， 始终最小； 而掺加改性聚酯纤维和聚丙烯纤维的混凝土 ， 在 不同龄期时的干燥收缩值均高于其他纤维混凝土， 但低于基准 混凝土。 2 ． 3试 验 结论 ( 1 ) 纤维 的掺人 对改善混凝 土的抗裂 性能具有 良好 效果 。 普通混凝土试件的裂缝宽度、 长度 、 累计裂缝面积、 干燥收缩值 等均远大于纤 维混凝土 。 ( 2 ) 在单掺纤维情况下 ， U F 5 0 0纤维混凝土的早期收缩性 能、 综合抗裂性能和干燥收缩值均优于其他类型有机纤维； 有机 纤维与钢纤维复掺情况下， 混凝土的早期收缩性能和抗裂性均 - 1 O 4 300 2 00 g 姆 H -1 O 0 O 3 00 2 00 姆 H - 1 O0 1 0 2 0 3 0 40 5 0 6 0 龄 期 旭 ( a1 0 1 0 2O 30 40 50 60 龄期 ／ d f b1 图 5 混凝土干燥收缩率 优于单掺纤维混凝土。 ( 3 ) 综合平板法、 圆环法和测长法的试验结果， 结合二次衬 砌对混凝土抗裂性能的要求， 纤维素纤维混凝土的抗裂性能优 于其他纤 维混凝土 。 3 纤维混凝土抗裂性能改善机理分析 目前关于纤维 的阻裂机理有两种理沦 ， 一是荚闺 R o mu a l d i 提出的“ 纤维间距理论” ， 根据断裂力学解释纤维对混凝土中裂 缝的阻裂作用， 认为要提高混凝土的强度， 必须减少混凝土中 原始缺陷、 裂缝的数量和尺度， 当纤维的间距小于某 一 值后混 凝土的性能会改善。 二是英国 S w a my提f l 』 的“ 复合材料理论” ， 从复合材料构成的混合原理出发， 把纤维看作是混凝土的强化 体 系 ， 应用 混合原理推 定纤维混凝 土的抗拉强 度 ， 提 出 纤维 混凝土抗拉强度与纤维的掺入量 、 方 向、 长径比及黏结力之间 的关系 。 基于纤维间距理论和复合材料理论， 纤维素纤维对于混凝 土抗裂性能 的改善主要原 因有 l ： ( 1 ) 从 混凝土工作性能角度 ， 由于众 多乱 向分布的纤维 ， 存 混 凝土 中形 成三维 支撑体 系 ， 阻止骨料 的下沉 ， 提 高混凝 土的 均 质性等 内在品质。 减少水分散失 ， 防止开裂 ， 如 图 6所示 图 6 纤维素纤维在混凝土中的分布 ( 2 ) 减少原始微缺陷， 提高混凝土的抗裂性能， 如图 7所 示 ， 纤维 素纤 维 与水 泥 石黏结 牢 ， 既 可有 效 减少 微 裂缝 的 表 3试验 A、 B 、 C、 D区各排序孔灌浆参数表 表 4 抽水、 注水渗透系数对 比成果表 果， 综合考虑工程安全运营、 缩短工期及降低投资成本的原则， 确定双排布置， 孔距 2 ． 5 IT I ， 排距 1 ． 0 1 T I 的布置方式。 5 ． 3 质 量检 查孔 岩心 分析 通过帷幕灌浆试验区灌前先导孔及灌后质量检查孔所取 岩芯的对 比分析 ， 先 导孔在施工过程 中 ， 钻进时 回水流失严重 ， 有部分无回水， 孑 L 壁严重掉块 、 垮塌、 卡钻 ， 难以成孑 L ， 施工速度 缓慢。 检查孔施工时， 钻进平稳， 回水正常， 无垮孔现象 ， 钻进施 工速度快。 但由于灌后浆体在地层中结石强度仍较低， 且浆体与 卵石层为软硬结合体 ， 岩芯在钻进中受机械扰动破坏严重， 只在 部分芯样仍可 见浆液与 卵石结合体 ， 部分胶结密实 。 说明卵石层 及胶结 体中 的孔 隙经过帷幕灌 浆后 ， 被膏浆挤 密充实 ， 地层 的 完整性得到了改善， 孔隙渗漏通道被有效封堵， 灌浆效果明显。 6结论 南水北 调 中线一 期工程 鹤壁段 ( Ⅳ 1 7 1 + 0 0 0 ～ I V1 7 3 + 0 0 0 ) 上接第 1 O 5页 【 4 ] 邓宗才．渡槽槽身用 C 5 0 纤维混凝土新材料及新工艺开研究报生『 R ] ． 北京 ： 北京工业大学 ， 2 0 0 8 ． [ 5 ]Z O L L O R F ．F i b e r - r e i n f o r c e d c o n c r e t e ： a n o v e r v i e w a f t e r 3 0 y e a r s o f d e v e l o p me n t [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 1 9 9 7 ( 1 9 ) ： 1 0 7 — 1 2 2 ． 【 6 】B O GH O S S I A N E， WE G N E R L D． U s e o f fl a x fi b e r t o r e d u c e p l a s t i c s h ri n k a g e c r a c k i n g i n c o n c r e t e [ J ] ． C e me n t ＆ C o n c r e t e C o mp o s i t e s ． 2 0 0 8 ( 3 0 )： 9 2 9 — 9 3 7 ． f 7 】B A N T HI A M， G UP T A R ． I n fl u e n c e o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r g e o m e t r y o n p l a s t i c s h ri n k a g e c r a c k i n g i n c o n c r e t e [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 6 ( 3 6 ) ： 1 2 6 3 — 1 2 6 7 ． 【 8 ]P A S S U E L I O A， MO RI C O NI G ， S H AH S P ．C r a c k i n g b e h a v i o r o f c o n c r e t e wi t h s h r i n k a g e r e d u c i n g a d mi x t u r e s a n d P V A fi b e r s [ J ] ．C e me n t ＆C o n — c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 9 ( 3 9 ) ： 6 9 9 — 7 0 4 ． 1 08 渠道上部为 2 n l 左右黄土状 中粉质壤土和重粉质壤土， 中部为 卵石及卵石胶接体 ， 且分布厚度相差较大， 稳定性较差， 底部为 弱 ～中等膨胀潜势泥灰岩 ， 工程地质条件复杂 。 本 干渠灌浆生产 性试 验 ， 得 出以下几点结论 ： ( 1 ) 试验表明， 试验中所采用的施工工艺、 灌浆参数及浆液配 合比， 可以将帷幕的防渗能力提高到小于5 x 1 0 - 4 c m ／ s 的设计标准。 ( 2 ) 对于卵石透水地基 ， 采用水泥黏土低流动性复合浆液 能满足防渗要求， 且稳定性好 ， 灌浆施工操作方便 ， 具有一定的 结石强度 。 ( 3 ) 通过试验区段 A、 B、 C、 D的灌浆效果对比， 合理的布置 孔距及施工顺序 ， 确定了最佳的灌浆方案， 减小了工程量， 降低 了工程成本 ， 达到了优化试验的目的， 同时， 为下一步的全面施 工提供了科学依据。 参考文献： [ 1 】 D L ／ T 5 1 4 8 --2 0 0 1 ， 水工建筑物水泥灌浆施工技术规范[ s 】 ． 『 2 1 孙宪国． 白莲河电站上库帷幕灌浆试验工艺及效果分析 人民长 江 ， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 6 ) ： 3 7 — 3 8 ． [ 3 ] 陈文， 刘永球， 仇学明 帛 屏水电站左岸帷幕灌浆试验与分析们． 水利 水 电技术 ， 2 0 0 9， 3 9 ( 9 ) ： 2 2 — 2 5 ． 作者简介 联 系地址 联 系电话 张世宝( 】 9 6 6 一 ) ， 男， 教授 ， 主要从事水利工程方面的研究 工作。 河南省郑 州市北环路 3 6号 华北水利水电学院( 4 5 0 0 1 1 ) l 5 0 O 3 8 9 8 9 21 [ 9 ]V AS I C S ， S MI T H I ． B r i d g i n g c r a c k m o d e l f o r f r a c t u r e o f s p r u c e [ J ] ． E n — g i n e e ri n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 2 ( 6 9 ) ： 7 4 5 — 7 6 0 ． [ I O ] K I M J H J ， P A R K C G， L E E S W， e t a 1 ．E f f e c t s o f t h e g e o m e t ry of r e — c y c l e d PET fib e r- r e i n f o r c e me n t o n s h rin k a g e c r a c k i n g o f c e me n t— b a s e d c o m p o s i t e s [ J ] ． C o mp o s it e s ： P a r t B． 2 0 0 8 ( 3 8 )： 4 4 2 — 4 5 O ． [ 1 1 ] 0 S T E R GA A RD L ， L AN G E D， S T AN G H．E a r l y - a g e s t r e s s - c r a c k o p e n - i n g r e l a t i o n s h i p s f o r h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e[ J ] ．C e m e n t＆C o n c r e t e C o mp o s i t e s ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 5 6 3 — 5 7 2 ． 作者简介 联系地址 联系 电话 曹擎宇( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 工学博士， 工程师， 主要研究先进水泥 基复合材料制备技术、 混凝土耐久性理论等。 北京市海淀区西土城路 3 3 号2 号楼 6 1 1 室( 1 0 0 0 8 8 ) 01 0 -8 2 2 2 7 0 3 2