钢纤维体积率对隧洞混凝土力学性能影响分析.pdf

2 0 1 6 年第 3期 东北水利水电 水利科研 文章编号 1 o 0 2 0 6 2 4 ( 2 o 1 6 ) o 3 一o 0 4 5 一o 3 钢纤维体积率对隧洞混凝土力学性能影响分析 宗兆博 ( 辽宁省水利水 电科学研究院 ， 辽宁 沈 阳 1 1 0 0 0 3) 摘 要结合辽宁省内某榆水工程模筑钢纤维混凝土配合比设计的研究，在试验室内采用螺 纹型及超细型两种不同的钢纤维及钢纤维9种不同的体积率分别拌制混凝土进行试验，实测 了混凝土的抗压、抗拉及抗折性能。分析得到了不同的钢纤维及不同钢纤维体积率与混凝土 力学性能的关系， 通过对比分析得至 IL 了经济合理的钢纤维体积率来指导施工。 关键词】钢纤维； 体积率； 力学性能； 隧洞混凝土 中图分类号 T V1 3 5 文献标识码】 A 钢纤维混凝+( S t e e l F i b r e Re i n f o r c e d C o n c r e t e ， 简称钢纤维混凝土)是一种新型 的复合建筑材料 ， 系将散乱 的短钢纤维均 匀分 布于水泥混凝土 中。 它的分布是不连续 的和随机的 ，但 是有一个共同 的特性规律，即可以不同程度地强化基体力学强 度指标 ， 能有效地制约基体内微裂缝的扩展 ， 是一 种 有广 阔市场的工程材料。 钢纤 维混凝 土最早 出现于 2 0世 纪初 期 ， 我 国 于 2 0世 纪 7 O年代后期开始研 制钢纤维 ，先后在 黑龙江大庆 、 浙江金华、 北京 、 重庆 、 四川 、 上海、 广 东等地的公路路面、 机场跑道、 旧桥加固中进行试 验性的应用， 后推广至土木工程各领域 ， 取得了很 大的效果。下文结合大伙房水库输水工程实例， 做 了以下试验研究及分析。 1 工程概 况 辽宁省内某输水工程系自桓仁县的浑江桓仁 水库坝下凤 鸣电站库区 自流无压引水 ， 经过 8 5 3 3 k m 的输水隧洞， 至新宾县浑河支流苏子河的穆家 电站下游 ， 流入 浑河上的大伙 房水库 ， 并经大伙房 水库反调节后 向浑河、太 子河及大辽河地区的抚 顺、 沈阳、 本溪、 辽阳、 鞍山、 营 口6 座城市提供工 业和生活用水的一项大型跨流域引水工程。输水 隧洞开挖洞径 8 0 m， 成洞洞径 7 1 6 m， 采用T B M 施工 ， 设计 调水流量 为 6 0 m3 s ， 多年平 均调水 量 1 8 4 3亿 m 3 。T B M 施工段原设计 的 、 V类 围岩 ， 二次模筑混凝土为 C 2 5 钢筋混凝土衬砌 ，考虑使 用承包商采用全面模板台车进行机械化快速衬 砌 ， 从而加快施工进度 ， 缩短工期 ， 掺 加钢纤维 ， 并 将混凝土的强度等级调整到 CF 3 0 。 2 模筑钢纤维混凝土配合比 2 1原材料的选择 2 1 1 钢 纤 维 采用辽宁鞍 山昌宏钢纤维厂生产 的螺纹 型和 超细型钢纤维 ， 其物理特性见表 1 。 表 1 钢纤维特 性表 项 目 钢纤维类别 螺纹型 超 细型 2 1 2 水泥 水泥选择抚顺水泥股份有限公司生产的浑河 4 5 水利科研 东北水利水电 2 0 1 6 年第 3 期 牌 P 0 4 2 5 。 原材料试验结果满足 G B 1 7 5 1 9 9 9 ( 硅 酸盐水泥、 普通硅酸盐水泥 标准 2 1 3 粉煤灰 采用抚顺热 电厂生产的 I 级灰。试验结果均 符合 G B 1 5 9 6 9 1 之 I级灰的要求。 2 1 4 细骨料 采 用坚硬耐久 的砂料 ， 粒 径 0 5 1I l i 1 2 ， 细度模 数为 2 8 ， 表观密度为 2 6 8 0 k g m 3 ， 试验 结果符合 DL T 5 1 4 4 2 0 0 1 2 , 1 5 粗骨料 采 用粒径为 5 1 0 n q l r l ， 1 0 2 0仃 u n两种级配 的 粗骨料。 粗骨料颗粒中， 除针片状含量为 1 7 6 ， 略 超出标准值外，其余指标均满足 D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 。 2 1 6 水 采用地表水， 试验结果符合J G J 6 3 8 9 。 2 2 模筑钢纤维混凝土配合比 根据 I G l 5 5 2 0 0 0 计算混凝土基准配合比，经过试配调整得出 混凝土成型配合 比见表 2 。 表 2 模筑钢纤 维混凝土配合 比 设计 混凝土配合比 ( k g n 一) 要 求一 丽 j 爵 钢 纤 五 丽 C F 3 0 3 7 8 4 2 1 6 8 8 3 3 9 3 9 一 根据外加剂掺量调整 3 不 同钢纤维体积率对钢纤维混凝土力学 性能的影响 为了了解不同钢纤维体积率对钢纤维混凝土 力学性能的影 响 ，试验室选取钢纤维体 积率分别 为 O ， 0 2 5 ， 0 5 ， 0 7 5 ， 1 0 ， 1 2 5 ， 1 5 ， 1 7 5 ， 2 0 的混凝土抗压、 抗拉及抗折试验。试验 结果 ， 见图 1 - 3 。 6 耋 餐 O 图 l抗折强度、 抗拉强度随钢纤维体 积率变化试验结果( 螺纹型 ) 4 6 6 5 皇 蠢 z3 O 1 图 2 抗折强度、 抗拉强度随钢纤维体积率变化试验结果( 超细型 ) 羹 ； 钢纤维 体积率 ， 图3 2 种钢纤维抗压强度随体积率变化试验结果 通过试验结果可以看 出： 3 1 抗压强度 2 种钢纤维， 当体积率增加时， 抗压强度则降 低 ， 不掺 加钢纤维的基体混凝土强度最高 ， 为 4 2 4 MP a ； 当钢纤维体积率为 0 5 时 ， 抗压强度为较大 值 ， 其值为螺纹型 3 7 4 MP a ， 为基体强度 的8 8 2 ； 超细型 4 O 8 MP a ， 为基体强度的 9 6 2 。 3 2 抗折 强度 2 种钢纤维， 当体积率增加时， 抗折强度平缓均 匀的提高； 当钢纤维体积率达到 1 5 0 时， 2 种钢纤 维混凝土的抗折强度均出现峰值， 即螺纹型钢纤维 混凝土为 4 6 2 MP a ，超细型钢纤维混凝土为 5 0 5 MP a ， 之后又缓慢降低， 最低值出现在钢纤维体积率 为 0 2 5 之时，其值为螺纹型钢纤维混凝土为 3 9 4 MP a ， 超细型钢纤维混凝土为 4 1 9 MP a 。 3 3 劈裂抗拉强度 2种钢纤维 ， 当体积率增加 时 ， 劈裂抗拉 强度 先后出现 2 个峰值。其中最大值均出现在钢纤维 体积率为 1 7 5 时，而另一个较大值分别出现在 0 5 0 ( 螺纹型 ) 和 0 2 5 ( 超细型 ) 时。 综观上述结果， 掺加钢纤维对混凝土的抗压、 抗折及抗拉强度均有影响，掺加钢纤维可以降低 混凝土的抗压强度 ，可 以不同程度地增加混 凝土 的抗拉及抗折强度。 4 钢纤维混凝土 的影 响机理 钢纤维混凝土中乱向分布的纤维主要作用在 2 0 1 6 年第 3 期 东北水利水电 水利科研 于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝 的发展。因此 ， 对抗拉强度和主要 由拉应力控制的 抗剪、 抗扭强度等有明显的改善作用。 根据纤维增 强机理 的各种理论 ， 诸如纤维 间距理论 、 复合材料 理 论和 微观 断裂 力学理 论 以及大 量试验 数据 分 析 ， 纤维的增效 果主要取 决于混凝土基体强度 、 钢 纤 维体积率 、 钢纤维 强度、 钢纤维 长径 比、 钢 纤维 品种和外形等。 通常混凝土基体强度高， 钢纤维体 积率大 ， 钢纤维强度高， 纤维长径比大， 则钢纤维 混凝土的性能更好。 但是钢纤维体积率和长径比， 不是愈大愈好 ， 而是在一定范 围内才更有效。 5 结论 工程选 择钢 纤维体积率 为 0 5 0 的螺纹型钢 纤维是比较适宜的。 其钢纤维掺量较低， 经济性较 好， 同时便于搅拌， 钢纤维的分散性好 ， 又能使钢 纤维混凝土的抗压强度 、抗拉强度都可 以达 到较 大值 ，而抗折强度虽然达不到较 大值 ，但也超过 4 0 MP a ， 满足工程设计要求。因而 ， 选择钢纤维 为 0 5 0 是经济合理的。 【 参考文 献 1 宗兆博， 汪魁峰， 刘大为 大伙房输水工程泵送钢纤维混 凝土配合比设计 T 东北水利水电， 2 0 0 8 ， ( 6) ： P I P 3 2 熊学忠， 徐银芳 钢纤维体积率对中强混凝土性能的影响 试验 1 武汉职业技术学院学报 2 0 0 5 ， ( 5 ) ： P 7 1 P 7 4 3 王伟 钢纤维混凝土配合比设计及其性能研究 I 山西 交通科技 2 0 1 0 ， ( 5 ) ： P 4 1 P 4 3 【 收稿 日期】 2 0 1 5 -1 0 -2 6 ( 上接第 4 4页) 据 、 地名 ， 行政 区划等矢量数据 以及重要桥梁三维 模型 ， 呈现逼真的编制范围的地形地貌三维场景。 2 ) 场景跳转。系统快速跳转场景功能， 跳转方 式分 自动和手动 2 种，用户通过手动选择溃口名 称， 软件根据选择结果， 读取溃口的坐标信息 ， 将 视窗移动到溃口上方；另外当用户加载完一场洪 水演进图层后 ， 软件根据加载的洪水 演进图层 ， 判 断洪水所 在位置 ， 视 窗 自动跳转到对应 的溃 口， 快 速定位 ， 免去用户手动操作。 3 ) 洪水演进动画。系统内置了多个溃口及不 同洪水组合频率下的演进动画，每场动画都按一 定的演进时间呈现洪水演进动画。演进过程中用 户随时暂 时、 停止 ， 或者手动 拖动进度条 滑块 ， 查 看指定时间点 的洪水情况。 5 结语 研 究在采 用二维水力学模 型对松花江防洪保 护区溃堤洪水分析的基础上，将洪水分析得到的 各项风 险要 素导入 A r c G I S软件 ， 从 而绘制洪水风 险图。此外 ， 基于 A r c G I S组件 ， 使用 c语言开发 二、 三维洪水风险图管理系统， 为吉林省防汛抗旱 抢险指挥工作提供支持服务。 参 考 文 献 1 国家防汛抗旱总指挥部办公室 洪水风险图编制导则 K 北京： 国家防汛抗旱总指挥部办公室， 2 0 1 0 、 2 曹东， 金东春 洪水风险图及其作用 I 东北水利水 电 1 9 9 8 ( 8 ) ： 8 -1 0 3 王军， 梁忠民， 施哗基 于G I S 的水库洪水风险图编制 I _ 河海大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 2 0 2 5 4 陈浩， 仇劲卫， 王艳艳 北江大堤保护范围洪水风险图 的制作与应用 I 水利水电技术， 2 0 0 0 ( 7 ) ： 3 8 4 3 5 李娜 基于 GI S的洪灾风险管理系统 D 北京： 中国水 利水电科学研究院 2 0 0 2 6 王静， 王军 ， 梁忠民 基于 GI S的连云港市区城市洪水风 险图管理系统研究 c 高丹盈 ， 左其亭 中国水论坛 第四届学术研讨会论文集 北京： 中国水利水电出版社 ， 2 0 06：1 1 1 21 11 6 7 梁忠民， 王军， 施哗 基于 G I S技术的江河洪水风险图 编制 J 中国防汛抗旱， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 5 4 5 7 【 收稿 日期】 2 0 1 5 - 0 7 - 2 2 4 7