应用于隧道二次衬砌中纤维混凝土性能的研究.pdf

第 4 0卷 第 2期 2 0 1 3年 2月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c h ni q ue De v e l o pme n t Vo 1 40。 No 2 Fe b 2O1 3 应 用于隧道 二次衬砌 中纤维混凝 土性 能的研 究 杨宏 吴双九万萍萍 李 良 张战峰 江子龙 ( 中冶建筑研 究总院有限公司， 北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘 要 纤维混凝土用于隧道二次衬砌 中 ， 不仅可 以提高混凝土 的抗裂性能 和耐久性能 ， 而且可 以降低工程造 价。在 满足规范和设计要求 的情况下选用纤维 素纤 维进行 配合 比设计 。对 纤维混凝 土的工作性 能、 强度 、 抗裂性 和 耐久 性指标进行测试 。结果表 明， 纤维混凝土水胶 比为 0 3 9和 0 4 1时 ， 可用于二次衬砌 中。 关键词 二次衬砌 ； 纤维混凝 土 ； 抗裂性 ； 配合 比设计 中图分 类号 T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 2 9 0 4 RES EARCH oN PERFoRM ANCE oF FI BER CoNCRETE W HI CH W AS US ED I N S ECoNDARY LI NI NG FoR TUNNEL ENGI NEERI NG Ya n g Ho n g Wu S h u a n g - j i u Wa n P i n g p i i n g L i L i a n g Z h a n g Z h a n f e n g J i a n g Z i - l o n g A b s t r a c t Ke y w o r d s Fi be r c o n c r e t e wa s a p pl i e d f o r t h e s e c o nc d l i n i n g，n o t o n l y i mpr o v e t h e c r a c k r e s i s t a n c e p e r f o r ma nc e a nd d ur a b i l i t y， bu t a l s o s a v e t he c o ns t r uc t i o n c o s t W i t h t he r e q ui r e me n t o f t h e de s i g n a nd c r i t e r i o n， Th e c e l l ul o s e f i b e r wa s c h o o s e d t o t a k e t h e mi x t ur e Th e wo r ki ng a b i l i t y， s t r e n g t h， c r a c k r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e a nd du r a b i l i t y i nd e x we r e t e s t e d The r e s u l t s s ho ws t ha t t he fibe r c o n e e r t e c a n b e a pp l i e d f o r t he s e e o nc d l i ni n g whe n t h e W a t e r c e me n t r a t i o i s 0 39 a nd 0 41 c o nc r e t e l i n i ng； fibe r c o n c r e t e； c r a c k r e s i s t a n ce pe r f o r ma n c e； mi x t u r e de s i g n 高速铁路是一个集各项最先进的铁路技术、 先 进的运营管理方式 、 市场营销和资金筹措在 内的十 分复杂的系统工程 ， 未来将对国民的出行产生 巨大 的影 响 。隧 道 工 程 作 为 高 速 铁 路 建 设 中 的 关 键 环节 ， 隧道工程在高速铁路 的施工难度、 投资比例上 占有重 大地 位 ， 其 中二 次 衬 砌 的 混 凝 土开 裂 问题 是 隧道工程国内外多年面临的难点。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 ， 二次衬砌结构耐 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 。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 ， 但钢筋网 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 11 5 作者简介 ： 杨宏 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 河南信 阳人 ， 毕业 于石家庄铁道大学 ， 硕 士 ， 工程师 ， 现从事建筑材料 的研发 和检测 。 护面结构造价高 、 施工困难 、 工序耗时长 。 目前 我 国对于二次衬砌结构的处理主要采用素混凝土、 纤 维混凝 土 和钢 筋混 凝 土三 种 方 式 ， 根据 围岩 等 级 确 定 ， 目前 一般采 用 如下方 案解决 ： 1 )1 1 级 围岩衬砌可 以不考 虑运 营承载 开裂问 题 ， 建议采用素混凝土结构 ； 2 ) 级 围岩衬 砌 ， 建 议采 用纤 维混凝 土 ； 3 ) I V级 围岩衬 砌 ， 建 议采 用 钢 筋 混凝 土 结 构 或 内表 面设 单 层钢筋 网方 式 。 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 J ， 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， 在我国高 速铁路隧道二次衬砌 中得到了广泛 的应用， 像广深 港 、 武广 、 郑西 、 贵广等客运专线隧道的二次衬砌 、 级 围岩 中均采用纤维混凝土结构 。 目前纤维混凝 土 中常 用 的纤 维包 括钢纤 维、 改性聚酯纤维 、 聚丙烯纤维 、 玻璃纤维等 ， 本 文采 2 9 第 2期 杨 宏 ， 等 ： 应用于隧道二 次衬砌 中纤维混凝 土性能的研究 第4 0卷 用纤维素纤维混凝 土 ， 制备满足 隧道二 次衬砌要 求 的纤 维混 凝土 ， 对 混凝 土 的工作 性能 、 力 学性 能 、 抗 裂 性 能 和 耐 久 性 指 标 进 行 了 测 试 ， 并 选 取 了合 适 的配 比。 1 纤维 混凝 土 配合 比设 计基本 要 求 1 1 高速 铁 路 隧道 二 次衬 砌 结构 混 凝 土的技 术 要 求 针对高速铁路隧道二次衬砌结构 的特点 ， 采用 的纤 维混凝 土要 满足 工作性 、 力学 性能 、 抗裂性 能 和 耐久性等方面的要求。基于 铁路混凝土与砌体工 程施工质量验收标准 ( T B 1 0 4 2 4 2 0 0 3 ) 、 铁路混 凝土结构耐久性设计暂行规定 ( 铁建设 2 0 0 5 1 5 7 号) 、 客运专线高性能混凝土暂行技术条件 ( 科技 基 2 0 0 5 1 0 1 号) 和贵广铁路对于二次衬砌结构的 设 计 要求 ， 混凝 土应满 足如下 要求 ： I ) 新拌混凝土具有 良好 的流动性 、 黏聚性和泵 送性 。 2 ) 混凝 土设 计强 度等级 大于 C 3 0 ； 3 ) 早期 混凝 土表 面无 肉眼可 见裂缝 ； 4 ) 5 6 d电通 量不 应大 于 1 2 0 0 C ； 5 ) 抗 渗等 级不小 于 P 9 。 1 2 纤 维混凝 土配合 比设 计基 本要 求 为满足上述要求 ， 本试验的纤维混凝土配合 比 设计 的基 本原 则 即 ： 1 ) 按照绝对体积法进行配合 比设计 ； 2 ) 胶 凝 材 料 用 量 不 大 于 4 0 0 k g m ， 其 中粉 煤 灰 等质量 取代 3 0 水 泥 ； 3 ) 掺 加 体 积 分 数 为 0 0 8 ( 即 质 量 分 数 0 9 k g m ) 的纤 维 素 纤 维 。 2 纤 维混凝 土 配合 比设计及 性能指 标 2 1 原材料 基本 性 能 试 验用 原材 料 包 括 水 泥 、 砂 、 石 、 粉 煤 灰 、 塑 化 剂 、 水 、 纤维素纤维等， 在保证满足相关规范要求 的 同时 ， 采用“ 就地取材 ” 的原则 ， 节约经济成本。试 验所 用水泥 为海 螺牌 P 0 4 2 5 ；砂 为 中粗 河砂 ， 细 度模 数 2 7 ； 粉 煤 灰 为 级 ， 细度 1 9 8 ； 石 子 为 碎 石 ， 粒 径范 围 5 3 1 5 m m； 水 为 自来 水 ； 外加剂 为 聚 羧酸高效减水剂 N O F A S ； 纤维素纤维 由上海罗洋 新材 料科 技有 限公 司提供 的 U F 5 0 0 。 2 2配合 比设 计 及 施 工 工 艺 为方便选取适用于现场试验段 的纤维混凝土， 选定水胶 比为 0 3 9 、 0 4 1 、 0 4 3三组混凝土进行试 验 ， 根据上述配合比设计基本原则进行设计 ， 见表 1 所示 30 表 1 试 验配合比( k g m ) 2 3 纤维混 凝土 的工作性 能 纤 维混凝 土 的工作性 能测 试指标 包括 ： 坍 落度 、 坍落扩 展度 、 含气 量 、 抗 离 析指 标 和 表 观密 度 ， 试 验 根据 普 通 混 凝 土 配 合 比设 计 规 程 ( J G J 5 5 2 0 0 0) 、 T h e E u r o p e a n Gu i d e l i n e s f o r S e l f C o mp a c t i n g C o n c r e t e 5 7 5 8 ： 2 0 0 5中的要求进行 ， 试验结果如表 2所示 。 表 2纤 维 混 凝 土 工 作 性 能 流动性是指混凝土拌合物在 自重或机械振捣作 用下， 能产生流动， 并均匀密实地填满模板的性能， 一 般采用坍落度试验反映新拌混凝土的流动性。通 过表 3我们可 以看 出纤维混凝土坍落度值 均大于 1 8 0 m m， 满足 隧道 设计要 求 。新 拌 混凝 土 的 含气 量 的测定 可 以用 于控 制 硬 化混 凝 土 的质量 ， 本 试 验 设 计为非引气混凝土 ， 但采用的聚羧酸减水剂具有一 定的引气功能， 因此从表 3中可以看 出各组 混凝土 的含气 量 基 本在 3 4 的范 围 内 ， 满 足 小 于 4 的设计要 求 。 对混凝土而言， 离析是由于混合料中颗粒尺寸 、 密度 的不 同 ， 其次 是 施 工作 业 过 程对 离 析 也 有较 大 的影响。离析使得混凝土的内部结构不均匀 ， 导致 混凝 土 的力 学性 能 以及 耐 久性 等性 能 下 降 。从表 3 可 以看 出纤 维 混 凝 土 抗 离 析指 标 均 小 于 1 ， 满 足 不大于 1 5 的要求。 通过对坍落度 、 坍落扩展度 、 含气量 、 抗离析指 标 的分析 可 以看 出 ， 纤 维 混凝 土 具 有 很好 的工 作 性 能 ， 即高流动性 、 适 中含气量和低离析 ， 适合应用于 二次衬砌等对工作性能有较高要求的结构部位。 2 4 纤 维混凝 土强度 指标 试验成型完毕后送 至标准养护室进行养护 ， 养 第 4 0卷 杨 宏 ， 等 ： 应 用于隧道二 次衬 砌 中纤维混凝土性能的研究 第 2期 护 1 d 、 3 d 、 2 8 d 、 5 6 d后 测 试 纤 维 混 凝 土 立 方 抗 压 强度 、 抗 折强 度 ， 试验 结果 如表 3所 示 。 表 3 纤维混凝土强度指标 由表 3中所 列数 据可 知 ， 水胶 比为 0 3 9的混凝 土 2 8 d龄期时 已达到了 C 3 5设计强度等级的要求 ， 水胶 比为 0 4 1和 0 4 3的混 凝 土 2 8 d龄 期 时也 达 到 了 C 3 0设 计 强度 等级 的要 求 。 2 5 纤维 混凝 土早期 抗 裂性 能 混 凝土 早期 塑性 开裂 采 用美 国 A S T M C 1 5 7 9推 荐的平板法进行试验。混凝土成型完毕后立即浇筑 到矩 形 平 板 模 具 ， 然 后 开 启 可产 生 最 小 风 速 为 1 6 1 k m h 气流的电扇 和可使混凝土表面温度大于 3 0 的碘钨 灯 ， 给混凝 土 表面 创造 加速 失水 的条 件 ， 同时记 录 当时时 间 t ， 每隔 1 0 ra i n左 右 观 察 是 否 出 现明显的贯穿裂缝 ， 若发现即记 录当时时间 t ： ， t ： 与 t 之差即为混凝土初裂时间， 若 t 4 h后混凝土仍 未 开裂 试验 停止 。 平 板 法试 验 分 别 测 试混 凝 土 的初 裂 时 间 、 裂缝 总面积并计算改善率 ( 即基准混凝土裂缝总面积 与 纤维混凝土裂缝总面积的差值与基准混凝土裂缝总 面积的比值 ) ， 试验结果见表 4所示 。 表 4纤维混凝土的抗裂性 水胶 比 纤维掺 初裂 时 裂缝总 善 量 I 【 1 I k g m ) 间 mi n 积 mm 率 0 3 9 0 4 1 0 4 3 75 2 3 l 6 8 9 1 2 61 9 2 注 ： 纤维掺量为 0的为普通混凝土。 根据表 4可知 0 4 3水胶 比混凝 土 的早期 裂缝 总 面积最大 ， 分别 为 0 3 9水胶 比和 0 4 1 水 胶 比混凝土 的 3 5倍和 1 6 倍 ， 而纤维素纤维混凝土试件均未开 裂 。掺缓凝 型减水剂 时 ， 基准试件 的初 裂时间延长 。 2 6纤 维混凝 土 的耐久性 混凝土的耐久性是指混凝土在实际使用条件下 抵抗各种破坏因素 的作用 ， 长期保持强度和外观完 整性的能力。针对高速铁路 的要求 ， 对纤维混凝土 的抗 渗性 和 电通 量 进行 了测试 。 抗 渗 性 试 验 采 用 静 水 压 力 法 。 静 水 压 力 从 0 6 MP a 开始 ， 每隔 8 h自动加压 0 1 M P a ， 直至试 件 透水 或 达 到 设 定 的 压 力 时 停 止 试 验 。根 据 铁 路混 凝 土 结 构 耐 久 性 设 计 规 范 ( T B 1 0 0 0 5 2 0 1 0) ， 对纤 维 混 凝 土 的 电 通量 进 行 测 定 。试 验 结 果 如表 5所示 。 表 5纤 维 混 凝 土 的 耐 久 性 从表 5所 知 ， 纤 维 混 凝 土 的抗 渗 等 级 均 达 到 了 P 1 2以上 。随着水胶 比的增 大 ， 5 6 d的 电通量 也逐渐 增大 ， 但是当水胶 比为 0 4 3时， 电通量达到 1 3 0 9 C， 不满足铁标的要求 ， 不建议使用。 3 试 验 结论及 纤维 混凝 土 的选 取 综合分析上述三个水胶 比混凝土 的工作性能、 力学 性能 、 早期 塑 性 抗裂 性 能 、 抗 渗 性 、 和 电 通量 之 后 ， 可以得 出如下结论 ： 1 ) 水 胶 比 0 3 9的混 凝 土 ， 由于 其 2 8 d抗 压 强 度 已达到 了 C 3 5混 凝 土 的设 计 强度 等 级 ， 而且 其 他 各项性能均满足新拌混凝土工作性要求 、 力学性能 要求 和铁 路隧道 耐久 性要 求 。 2 ) 水胶 比0 4 1的混凝土 ， 在满足新拌混凝土工 作性要求 、 力学性能要求和铁路隧道耐久性要求 的 前提下 ， 2 8 d抗压 强 度达 到 了 C 3 0混凝 土 的设 计 强 度等级， 可推荐在 I I 、 I I I 级 围岩条件下建造 的铁路 隧道 二次 衬砌结 构 中使用 。 3 ) 水胶 比 0 4 3的混凝 土 ， 由于 2 8 d电通 量 不 满足铁路隧道耐久性要求 ， 而且 ， 其基准混凝土的早 期抗裂性差， 因此， 不推荐使用。 ( 下 转 第 3 7页) 9 9 9 0 1 L 0 1 L O l L 第 4 0卷 崔锡根 ， 等 ： 特大型钢柱无缆风 吊装施 工技术 第 2期 Wx 上 = 1 1 3 7 51 40 4 I n Wx 下 = 1 1 3 7 51 4 0 3 In G M =71 4 6 6 7 1 2 0 63 71 1 2 2 5 0 0 0 0 0 01 l 3 7 51 4 0 3 =5 9 4 - 9 8 7 =1 0 4 6 MPa 2 9 5 MPa 6安装 脱钩 时柱 垂 直度 偏 差 ( 按 偏 心距 2 0 mi l l 计 ) 产 生的应 力 构 件 自重 G= 7 1 4 6 6 7 n 顶 部偏 心 2 0 m In， 重 心处 e =1 0 mm G M = 5 9 71 4 6 6 7 1 0 1 1 3 7 51 4 0 4 = 6 5 MPa 总应力 ： o r = 6 9+ 9 8 7+ 0 6 3=1 0 5 3 MP a 7 柱 脚锚 栓 受力计 算 1 ) 本工程钢柱脚 ( 图 6 ) 螺栓设计为 ： + 7 2 0 2 0钢 管 采用 2 0 M3 9 ( Q 3 4 5 ) 延 直 径 D 8 6 0 圆周布置 ； + 6 3 0 2 0钢 管 采用 2 0 M3 9 ( Q 3 4 5 ) 延 直 径 D 8 6 0 圆周 布置 。 I i 1 ， ， ll l 图 6 P I P 7 2 0柱脚区 计算 以 + 7 2 0 2 0钢管 为例 I = 1 2 9 8 7 6 8 4 0 1 O 8 m I = 1 2 3 2 2 0 8 7 2 6 8 9 In W = 8 6 6 3 5 81 1 i n Wx 下= 5 4 68 5 2 7 6 1 1 1 W = 5 6 6 5 5 6 4 5 In WY 下= 5 6 6 71 7 48 In A = 6 0 1 7 2 In 2 ) 柱脚螺栓最 t- U 拉拨应力验算 G = 7l 4 6 6 7 6 01 2 79 1 1 2 2 5 0 00 0 0 0 5 4 68 5 2 7 6 = 7 1 2 0 5 3 = 21 2 2 9 5 MPa 8钢柱脚 固定后承受风压时变形计算 1 ) 用 分段 计算 叠加法 。 2 ) 柱上部按阶梯形荷载计算 = ( 1 2 1 一4 b ) g 4 46 3 6 6 2 1 6 1 1 6 a 5 1 5 2 5 3 5 b 5 0 4 0 3 0 2 0 1 5 5 6 4 3 6 3 2 6 9 1 1 0 2 2 7 6 计 ： 1 1 0 8 mm 3 ) 柱全高按矩形荷载计算 。 ： ， ： 旦 ： ： 3 7 0 9 mm 一 8E J 一 82 0 6 0 0 0 1 0 。一 “ “ “ 4 ) 总变 形 ： 厂 A =1 1 0 8+ 3 7 0 9=1 4 7 8 9 m m 1 4 7 8 9 mm5 5 0 0 02 4 0 0= 2 7 5 mm 允许 。 9 结语 大型格构钢柱 ， 在 吊装时采用无缆风 吊装 ， 通过 本柱在承受风压力力 的计算分析及工程实践证 明是 安全 、 稳定的 ， 并符合 规范及设计要求 ， 施工操作方 便 ， 减 少 了人力 、 物力 的投 人 ， 达 到 了高效 、 安全 、 经济 的 目的 。参 见 图 7 。 图 7工程全貌 ( 上接 第 3 1页) 参考文献 1 铁 道部工程鉴定 中心 高速铁路 隧道 M 北京 ：中国铁 道出版 社 ， 2 0 0 6 2 关宝树 隧道施工要点集 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3 3 张雄 混 凝 土结 构 裂 缝 防治 技 术 M 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 2 0 0 7 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 告 R 北京 ： 北京工业大学 ， 2 0 0 8 5 R o n a l d F Z o l l o ， 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 Ye a r s o f D e v e l o p me n t J C e m e n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 1 9 9 7， 1 9：1 0 71 2 2 6 E mm a B o g h o s s i a n ， L e o n D We g n e r U s e o f fl a x f i b e r t o r e d u c e p l a s t i c s h r i n k a g e c r a c k in g i n c o n c r e t e J C e m e n t C o n c r e t e Co mp o s i t e s ， 2 0 0 8， 3 0：9 2 99 3 7 3 7