隧道聚丙烯纤维混凝土抗渗性能分析及试验比较.pdf

第 3 2卷 第 5期 2 O 1 0年 1 O月 土 木 建 筑 与 环 境 _T -程 J o u r n a l o f C i v i l Ar c h i t e c t u r a l& E n v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 2 N O 5 Oc t 2 O1 O 隧道聚丙烯纤维混凝土抗渗性能分析及试验 比较 向阳 开 ， 蓝 祥 雨 ( 1 重庆 交通大学 土建学院， 重庆 4 0 0 0 7 4 ；2 中煤 国际工程集 团重庆设计研究院，重庆 4 0 0 0 1 6 ) 摘 要 ： 作为一 种新型 隧道 防水衬砌 材料 ， 聚 丙烯 纤维混 凝土 的抗渗研 究 大 多还仅 局 限 于抗渗 机理 的定性 解释 上 。为进一 步揭 示其抗渗 性能 ， 结合 断裂力 学原理和 细观 结 构 的力 学分析 ， 推 导 出 了混 凝 土 内部 裂纹 处的 纤维闭合 力及 其 应 力 强度 因子 ， 提 出 了纤 维对 张 开型 裂 纹扩展 的 阻碍 效应 解 析 式 ， 并在 此基 础上 ， 通过 数值计 算 ， 对 聚 丙烯 纤 维混 凝 土的抗 渗 性 能给 出 了合 理 解释 ； 另一 方 面， 为 将其 与传统 的微膨胀 混凝 土的抗 渗性 能进 行 比较 ， 开展 了 4组不 同类 型混 凝 土的抗 渗性 能试 验 ， 通 过 比较发 现 ， 工程 中常用掺 量 的聚 丙烯 纤维 混凝 土 的抗渗 性 能优 于微 膨胀 混凝 土 ， 而合 理双掺 ( 聚 丙烯 纤维和微 膨胀 剂) 可使 混凝 土的抗渗 性能达 到最佳 。 关键词 ： 聚 丙烯纤维 ； 微 膨胀 剂 ； 混凝 土 ； 抗 渗 ； 断 裂 中图分 类号 ： TQ1 7 2 1 2 文 献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 5 0 1 l 4 0 5 Ana l y s i s of I m pe r v i o us Pe r f o r m a nc e a bo ut Tu nne l P0 l ypr 0py l e ne Fi b e r Co n c r e t e a n d t h e Ex p e r i me n t a l Co m p a r i s o n XI ANG Y an g k ai L AN Xi a n g - y u 。 ( 1 Ch o n g q i n g j i a o t o n g u n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g， c o l l e g e o f c i v i l e n g i n e e r i n g a r c h i t e c t u r e， 4 0 0 7 4 ， P R Ch i n a 2 S i n o c o a l i n t e r n a t i o n a l e n g i n e e r i n g g r o u p，c h o n g q q i n g d e s i g n& r e s e a r c h i n s t i t u l e ，4 0 0 0 1 6 ， P R C h i n a ) Abs t r a c t ：Re c e nt l y，m o s t i m p e r me a bi l i t y s e u d i e s of po l y p r o p yl e ne f i b e r c o n c r e t e，a s a ne w s or t of t u nn e l l i ni ng wa t e r p r o of ma t e r i a l ， a r e l i mi t e d t o t h e i mpe r v i ous me c h a ni s m a n d u na b l e t o be s a t i s f i e d wi t h t h e e n gi n e e r i ng n e e dOn t h e ba s i s of f r a c t u r e me c h a ni c s a n d t he mi c r o s t r u c t u r e m e c h a ni c s，t he r e s i s t a n c e o f f i b e r t o t he c r a c k e xt e ns i o n i ns i d e c o nc r e t e a nd i t S S I F we r e d e du c e d， t he a n a l y t i c a l f o r mul a of f i be r r e s i s t a n c e e f f e c t t o t he o p e n i n g mod e c r a c k e xt e n s i on wa s pr e s e n t e d a s we l 1 M e a nwhi l e，t he i mpe r v i ou s p e r f o r ma n c e o f p ol y p r op yl e ne f i b e r c on c r e t e wa s e x p l a i n e d r e a s on a bl y by t h e nu m e r i c a l c a l c u l a t i on o f t he r e s i s t a nc e e f f e c t On t h e ot h e r h a n d， f or c o mpa r i ng t h e i mpe r vi ou s pe r f o r m a nc e o f p o l yp r o py l e n e f i be r c o nc r e t e wi t h t h a t o f UEA c on c r e t e，t h e i mp e r v i o us pe r f o r m a nc e e x pe r i me nt s o f f ou r gr o u ps o f di f f e r e n t t y pe s of c o nc r e t e we r e c a r r i e d o ut ，i t i s p r e s e n t e d t h a t t h e f o r me r i s s u pe r i or t o t h e l a t t e r M or e t ha n t h a t ， a d di ng do ub l e p ol y p r o p yl e ne f i be r a n d UEA t o t h e c o nc r e t e wi t h pr o pe r p r op o r t i o n wi l l ma ke t h e i mpe r vi ou s p e r f or ma n c e muc h be t t e r Ke y wo r d s ：p o l y p r o py l e n e f i b e r ；UEA ；c o n c r e t e；i m p e r v i o u s；c r a c ki n g 随着公路 等 级 的不 断 提 高 ， 隧道 建 设 的 数量 也 越来越 大 ， 特别 是西南 省份 等山岭 重丘 地 区 ， 隧道 几 乎成 了高速公 路不可 或缺 的组 成部 分 。作 为 1 个 长 期 困扰工 程界 的 问题 之 一 ， 如何 有 效 地 进 行 隧道 抗 渗也 就成 为更加 紧迫 的任务 。 普通混凝土抗渗能力低的根本原因在于其内部 收 稿 日期 ： 2 0 1 O O 3 2 8 作者简介 ： 向阳开( 1 9 6 4) ， 男 ， 副教授 ， 博士 ， 主要从事桥梁 隧道等工程结构及材料的力学性 能分析研究 ， ( E ma i l ) x i a n g y a n g k a i 1 6 3 C O In。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 向 阳开 ， 等 ： 隧道 聚 丙烯 纤维 混凝 土抗渗 性 能分析 及试 验 比较 1 1 5 本 身存 在着 许 多 毛 细孔 道 和微 裂 缝 等 缺 陷 ， 为 水 提 供 了渗 漏 通 道 ， 同 时 ， 在 地 下 水 等 产 生 的 压 力 作 用 下 ， 这些 微 裂 缝 还 将 继 续 扩 展 ， 甚 至 导 致 混 凝 土 开 裂 。为 了提 高 混 凝 土 的 抗 渗 性 能 ， 以往 工 程 中广 泛采 用 的办 法是 在 混凝 土 中掺 加微 膨 胀 剂E z - 4 ， 近 年 来 聚丙烯 纤维 作 为外 掺材 料更 得到 了越来 越 多 的应 用L 5 。 目前 ， 对 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 和 微 膨 胀 混 凝 土 的抗 渗 机 理 进 行 研 究 的 较 多 ， 也 取 得 了 不 少 成 果l_ 6 。但是 ， 聚丙烯 纤 维混凝 土 作 为 一种 新 型 隧道 抗渗 材料 ， 对其 抗渗 能力 的定量研 究 却 还 十分 缺 乏 ， 主要 体现 在聚 丙烯 纤维 的 阻裂作 用 大 小及 其 影 响 因 素、 合理 的聚丙烯纤维掺量 、 以及与传统的微膨胀混 凝 土 的抗渗 能 力 优 劣 之 比较 等方 面都 还 不 甚 明 了 。 这 种研 究 的缺 乏 不 仅造 成 了理 论 上 的不 足 ， 与 聚 丙 烯纤 维 混凝 土 的应用 相 比 ， 也 已形 成 了滞 后 ， 直 接 影 响了其 在工 程 上 的 合 理使 用 。鉴 于 此 ， 结 合 细 观 结 构 的力 学分 析 和 断 裂力 学 原 理 ， 推 导 了纤 维 对 张 开 型 裂纹 扩展 的 阻碍 效 应 解 析 式 ， 并 结 合 数 值 计 算 对 聚丙 烯纤 维混 凝 土 的抗 渗 性 能作 出 了合 理解 释 。同 时 ， 为 了揭示 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 与微 膨 胀 混 凝 土 之 间抗 渗性 能优 劣 的关 系 ， 还 分别 开 展 了掺 加有 微 膨 胀剂 、 不 同掺 量 的聚丙 烯纤 维 、 双掺 微 膨胀 剂 和 聚 丙 烯纤 维 的混凝 土 的抗 渗性 能试 验 。 1 基于 内部裂纹处反 向应 力场 的聚丙 烯纤维 阻碍效应分析 由断 裂力 学可 知 ， I 型 裂缝 极易 导致 构件 的低 应 力断裂 ， 实际构件 中即使存在复合裂缝 ， I 型裂缝也 常常 占有 主导 作 用 。因此 ， 为 研 究 方 便 而 又 不 失 一 般性 ， 可采 用 I 型裂 纹来 研究 纤维 的阻裂 机理 。 从 水 的渗 漏通 道 角 度 来 看 ， 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 的抗 渗能力 就 表现 为聚 丙烯 纤维 抑 制混 凝 土 裂纹 扩 展 的能力 。事 实 上 ， 张 开 型 裂 纹 的扩 展 实 际上 是 驱 动作 用 K 和 抑 制 作 用 K 2个 方 面共 同作 用 的结 果 。为研究 聚 丙烯 纤 维 对 裂 纹 扩 展 的 阻 碍 ， 可 引 用 阻碍 效应 】 的形 式来 表 达 K， 和 K 共 同作 用结 果 ： I一 ( K J K I ) KI ( 1 ) 1 1 力学 模型 的建 立 针对 聚丙烯 纤 维 混 凝 土 ， 假定 在 无 限 宽纤 维 混 凝 土板 中存 在一 穿透 裂纹 ， 板 体受 单 向拉 伸 ( 拉 应 力 。) ， 且纤 维 混凝 土 板 足 够 薄 ， 即使 纤 维 混 凝 土 板 处 于 平 面应力 状态 ， 有 r 根 纤 维穿过 裂 纹 ， 第 i 根纤 维 与 裂纹 方 向呈 角 。纤 维 的作用 相 当于对 裂缝 面 上 施 加 了 N 对 单 位 厚 度 上 的集 中力 P ， 由 于纤 维 与 混凝 土 的分 离界 面很 小 ， 可 认 为集 中力 P 正 好作 用 在裂 纹 面上 。 由此 可将 此具 有 穿透 裂缝 的无 限 宽纤 维混凝 土 板 的 受 力 状 态 分 解 为 单 向拉 伸 和集 中力 P 作 用 之和 ， 即其 力学 模 型如 图 1 所 示 。 一 图 1具 有 穿 透 裂 缝 的 无 限宽 纤 维 混 凝 土 板 单 向拉 伸 示 意 图 此 时 ， 拉应 力 O o产 生 的应 力 强 度 因子 即 K，一 尢 倥一E 。 嬲 ， 而纤维施加 的 N 对集 中力 P 将 对裂 缝产 生 一 个 与 拉 应 力 。相 反 的 应 力 强 度 因 子 ， 即 K ， 。 式 中 ， E 为 混凝 土 弹性 模量 ， 0 为相 应于 O o的应变 ， 为 裂纹 半宽 。 1 2 内部 裂纹处 纤 维形成 的应 力 强度 因子 K 具 有 中心穿 透 裂 纹 的无 限 板 ， 在 其 裂 纹 面 上 作 用一 对 闭 合 力 ( 见 图 2 ) 时 ， 裂纹 右 端 A 的应 力 强 度 因子为 ： 圈 2 中 心 穿 透 裂 纹 面 上 作 用 一 对 闭合 力 P M一 甓( 16 ( 2 a ) 式 中 ， b 为裂 纹 中心距 第 i根 纤维 中点 距离 ； a 为裂纹 半 宽 。 裂 纹左 端 B的应力 强度 因子 为 ： 培一 扁( 16 ( 2 b ) 由叠加 原理 ， N 根 纤维 对裂 纹 表 面施 加 的 N 对 闭合 力 P 产生 的应 力 强 度 因子 为 每对 闭合 力 P 产 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 2 卷 生 的应力强度 因子 之和 ， 即 ： 一 耋 in 舞+ l b, I aira i 1 i) 一 V “ ( 3 ) 1 3纤维 闭合 力 P 从式 ( 3 ) 可知 ， 欲求 K 则 需求得 纤维 对裂 纹 面 施 加的单位 厚度集 中力 P ， P 等于纤 维在 裂纹 面处 断面所受拉 力 的大小 ， 即 ： P 一 7 ( 4) 式 中 ， 为 纤维 的轴 向拉 应力 为纤维 半径 。 从 纤维混 凝土 中取 出一 半径 为 R 的 圆住 体 ( 见 图 3 ) ， 其 中沿 中心轴 含有一 根半径 为 r n ， 长为 2 L的 纤维 ， 设纤 维 的轴 向拉应 力为 ， 纤 维与混 凝土界 面 的剪应力 为 r 。 图 3纤 维 混 凝 土 单 兀及 坐 标 示 意 图 由剪滞 法原 理 。 。 ， 可得 到平衡 方程 ： ( 丌 r ) + ( 2 0 d x) 一 ( )( + d a r ) ( 5) 对上式 两边取关 于 的微分 后 ， 根据 边界 条件 ： z L和 一一L时 ， 一 0 ( 聚丙 烯纤维 横 断面积很 小 ， 且 往往 由于应 力集 中使 纤 维末 端 与 基 体界 面 脱 粘 ， 因此 可 以忽 略纤维 末端 的轴 向应 力 ) ， 解 得 ： 一 E ， 。 1一 o h( ， r 。 ) c h ( ) ( 6 ) ，4 G ， ” 一 丽 。 式 中 ， E 为纤维 弹性模 量 为纤 维混凝 土材料 外加 应变 ； G 为混 凝 土 剪 切模 量 ； 73 为 纤 维体 积掺 量 。 设 裂纹 面距第 i 根纤 维 中点距离 为 c ， 则第 i 根 纤维对 裂缝 面施 加 的集 中力 为 ： P 一 Ef 。 1一 c h ( r 。 ) c h( T S ) 。 ! ( 7 ) 当纤 维 中点位 于 裂缝 面上 时 ， 纤 维对 裂 纹 面 施 加 的单位集 中力 为 ： P 一 Ef 0 r 1一 s e c h ( ) i ( 8 ) 1 4聚丙 烯纤维 阻碍效 应数值 计算 为简 单 起 见 ， 假 设 裂 缝 范 围 内 的 N 根 ( N 一 2 a R + 1 ) 纤 维均匀 分布 ， 且 纤维在 混凝 土 中的分 布呈 正方形 ， 这 时纤 维 的体 积 含量 可 以认 为 等 于纤 维的面积含量， 即 r R ， R一 r ： v 。式中， 为纤维半 径 ， R为纤 维问距 。 ，、一 一 _ 。 - ， I 争 L U ( 图 4裂纹面 内含有偶数根纤维 当 N 为偶数 时 ( 见图 4 ) ， b 一 ( 2 i 一 1 ) R 2 ， 有 ： K ， 一 0 2 N 2 s i n E r e 。 1一 c h( r 。 ) c h ( 酬 ( 9 a ) I ， 、 ，一 一 P 、 P B组 A 组 D组 。即 双 掺 ( 掺 加 聚 丙 烯纤 维 0 9 k g m。和 1 0 UEA H) 的混 凝 土 抗 渗 性 能 最好 ， 掺加聚丙烯纤 维 ( 0 ， 9 k g m。 ) 的次之 ， 掺加 UE A H 膨胀 剂 的 再 次 之 ， 而 掺 加 比 例 为 1 2 k g m。的聚丙 烯纤 维最 差 。 由此可 见 ， 工程 中常用 掺 量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 2 卷 的聚丙 烯 纤 维 混 凝 土 的 抗 渗 能 力 优 于 微 膨 胀 混 凝 土 ， 但 从 D 组 试验 数 据 也 可见 ： 虽然 掺 加 聚丙 烯 纤 维能有效地提高混凝土的抗渗性能， 但 并不是掺得 越多越好 ， 过量的掺量反而会降低混凝 土的抗渗能 力 ， 究其机 理应是 聚丙烯 纤维在 混凝 土 内分 布过 密 ， 纤维之 间没有 足够 的塑性 浆 体 ， 从 而增 加 了混 凝 土 内部的微裂缝 。 3 结 语 该 文对 聚丙烯纤 维 防水 混凝 土的抗 渗性 能进 行 了理论 分析 ， 并 通 过 抗渗 试 验 揭示 了聚 丙 烯纤 维 混 凝土与 以往工程 中广泛 采用 的微膨胀 混 凝土 之 间抗 渗性 能 的优劣 关系 ， 得 出 以下结论 ： 1 ) 为研究 方便 而 又 不 失一 般 性 ， 聚 丙 烯纤 维 阻 碍效应 可表示 为 ： 当裂纹面 内含有偶 数根纤 维 时 ： 巾 一卜 s i n 卜 c h ( n b t o ) c h ( 琊 ) 一 当裂纹 面 内含 有奇数 根纤 维时 ： 1一 甏 N 1)2s瑚 一 c h( r 0 ) c h ( 酬 十 1 ) 。 2 ) 聚丙烯纤 维 的对 裂纹扩 展 的阻碍 效应 主要 来 源于裂纹尖 端处 的纤维 。 3 ) 工程 中常用 掺量 的聚丙烯 纤维 混凝 土 的抗 渗 能力 优 于微 膨胀 混 凝 土 ， 但 双掺 适 量膨 胀 剂 和 聚 丙 烯纤 维 的效 果最好 。 4 ) 过量的聚丙烯短纤维掺量反而会降低混凝土 的抗 渗能力 ， 以每立 方米混 凝 土 中掺加 0 9 k g左 右 的聚丙 烯短纤 维为宜 。 参考 文献 ： 1 李蓉 ， 李伟大伙房输水工程长大隧洞衬砌结构 自防水 混凝土技术研究 J 中国建筑防水 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ：2 7 3 2 LI R0NG， L I W EI S t u d y o f s e l f - wa t e r p r o o fi n g c o nc r e t e t e c hn ol og y i n l i n i n g s t r u c t ur e o f t he l ong a n d b i g t u n n e l o f D a h u o f a n g w a t e r c o n v e y a n c e p r o j e c t J Ch i n a Bu i l d i n g W a t e r pr oo f i ng，2 01 0( 2)：2 7 3 2 2 游宝坤 ， 赵顺 增 ， 韩立林 ， 等 补偿收缩混凝 土在 奥运工 程中的应用 J 中国建筑防水 ， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 1 3 1 6 Y0U BAO- KU N， ZHAO SH UN ZENG。 HAN LI LI N ，e t a 1 Appl i c a t i on o f s hr i nk a ge c omp e n s a t e d c o n c r e t e i n Ol y mp i c p r o j e c t s J C h i n a B u i l d i n g W a t e r p r o o f i ng， 2 00 8( 7)： 1 3 16 3L I HU0一 XI ANG， TANG CHU NAN， XI ONG J I AN M I N ，e t a 1 The i mpe r me a bi l i t y me c h a ni s m o f s e l f - c o mp a c t i n g w a t e r p r o o f c o n c r e t e J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y of Te c h no l o gy M a t e r i al s Sc i e nc e Edi t i on， 2 0 05， 2 0( 1)： 1 2 卜 1 2 5 r 4GERARD B， BREYS S E D，AMM0UCHE A，e t a 1 C r a c k i n g a n d p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e u n d e r t e n s i o n J M a t er i a l s a nd St r u c t ur e s， 1 9 96， 29( 3 )： 1 4卜1 51 r 5ANKI T B HARGAVA， NEMKUMAR B ANTHI A Pe r me a b i l i t y o f c on c r e t e wi t h f i b e r r e i n f or c e me nt a nd s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 00 8， 41( 2)： 3 6 3 3 72 r 6GAWI N D，PES AVENTO F，S CHRE FL ER B A M o de l l i ng c r e e p a n d s hr i nka ge of c o nc r e t e by me a ns o f e f f e c t i v e s t r e s s e s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 7 ， 4 0 ( 6)： 5 79 59 1 r 7LU HAI I I N， ZHANG MI NG- YUAN，LI ZH( ) NGXI AN Ex pe r i me nt a l s t u dy on t h e e f f e c t of s t e e l f i b r e i n c o n c r e t e t h i c k c a p J J o u r n a l o f Wu h a n Un i ve r s i t y of Te c h no l ogy - M a t e r i al s S c i e nc e Edi t i on， 20 07， 2 2( 2)： 37 l 一 37 5 8 B I N DI G ANA VI I V， B AN THI A N Ge n e r a t i n g d y n a mi c c r a c k gr owt h r e s i s t a nc e c u r v e s f or fib e r - r e i nf o r c e d c o n c r e t e J E x p e r i me n t a l Me c h a n i c s ， 2 0 0 5 ，4 5( 2 ) ： 1 1 2 1 2 2 9 B ANTHI A N，G UP T A R，P l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k i n g i n c e me n t i t i o u s r e p a i r s a n d o v e r l a y s J Ma t e r i a l s a n d St r uc t ur e s，2 0 09， 4 2( 5)： 56 7 5 7 9 1 O Ma l i k a B o n g u 6 B o ma ，Ma u r i z i o B r o c a t o A c o n t i n u u m mo d e l o f mi c r o c r a c k s i n c o n c r e t e J C o n t i n u u m M e c ha n i c s a nd Th e r mod yn a mi c s， 201 0， 2 2( 2)： 1 37 1 61 1 1 E L KA D I A S ， M VAN MI E R J G E x p e r i me n t a l i n ve s t i g a t i on o f s i z e e f f e c t i n c o nc r e t e f r a c t ur e u nde r mu l t i a x i a l c o mp r e s s i o n J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Fr a c t u r e ， 2 0 0 6，1 4 0 ( 1 2 3 4 ) ： 5 5 - 7 1 1 2 F E R R E I R A L E T， F r a c t u r e a n a l y s i s o f a h i g h s t r e n g t h c o nc r e t e a n d a hi gh s t r e n gt h s t e e l f i b e r - r e i nf or c e d c o n c r e t e f J Me c h a n i c s o f C o mp o s i t e Ma t e r i a l s ， 2 0 0 7 ， 43 ( 5)： 47 9 4 86 r 1 3 P AN HAO。 I I NGNU， ZHANG L U0 Th e p a r a me t e r s f i t t i n g i n high - s t r e n gt h c o nc r e t e mi x pr op o r t i o n e x p e r i me n t J J o u r n a l o f Wu h a n Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y M a t e r i a l s S c i e n c e Ed i t i o n， 2 0 0 5 ， 2 0 ( 1 ) ： 1 0 2 1 O 3 1 4 3 KHE D E R G F ， AS S I D K L i mi t i n g t o t a l i n t e r n a l s ul pha t e s i n 1 5 75 MPa c o nc r e t e i n a c c or d a nc e t o i t s mi x p r 0 p o r t i o n s J Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 1 2)：27 3 281 1 5 D B 5 0 5 0 2 8 2 0 0 4 特细砂混凝土应用技术规程I S 1 6 J T J T 2 7 o 9 8 水运工程混 凝土试验规程 s ( 编 辑 胡 玲 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m