纤维素纤维混凝土性能及在二次衬砌中的应用.pdf

第 3 4卷第 7期 2 0 1 2年 7月 铁 道 学 报 J OURNAL OF THE CHI NA RAI LWAY S OCI ETY Vo 1 3 4 No 7 J u l y 2 0 1 2 文章编号 ：1 0 0 1 8 3 6 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 1 0 3 0 5 (1 纤维素纤维混凝土性能及在二次衬砌中的应用 曹擎宇 ， 孙 伟 ， 赵 勇。 郝挺 宇 ， 黄 嘉亿 ， 郭丽萍 中冶建筑 研究总院有限公 司 建筑与工程研究 中心 ， 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 ； 3 铁道 部 工程技术鉴定 中心 ， 北 京 ， 1 0 0 8 4 4 ；4 贵广铁路有限责任公司 ， 贵州 贵 阳， 5 5 0 0 0 3 ) 摘要 ：对纤 维素纤维混凝土工作性能 、 强度 、 抗裂性 能和耐久性能进行测试 ， 结果表 明 ： 纤维素 纤维混凝 土比普 通 混凝土有较好工作性能 、 早期抗裂性能和耐久性 能 ； 可提 高混凝 土劈 裂抗拉强 度和抗弯 强度。因此 ， 可应用 于 、 级 围岩条件下隧道二次衬砌结构 。纤维 素纤 维对 混凝 土增强作用机理可解释为 ： 通过纤维 在混凝 土中乱 向 分 布 ， 改善 混凝 土内部微观结构 ； 减少气 泡含量和气泡 间距 ； 并减小混凝土裂缝萌生和扩展概率 ； 从 而改善混凝 土 性 能。将纤 维素纤维混凝土应用于某高速铁路 隧道二次衬砌结构 ， 可满足工作 性能 、 强度 、 耐久性 能要 求 ， 且成 型 后 7 0、 2 8 0 d混 凝 土 表 面 没 有 裂 缝 产 生 。 关键词 ： 二次衬砌 ；纤维素纤维 ；抗裂性 ； 渗透性 中图分 类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ：A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 8 3 6 0 2 0 1 2 0 7 0 1 6 Pe r f o r ma nc e o f Ce l l u l o s e Fi b e r Co n c r e t e a n d App l i c a t i o n i n S e c o n da r y Li n i ng CAO Qi n g y u ， S UN W e i ， Z HAO Yo n g 。 ，HAO Ti n g y u ， HUANG J i a y i ， GUO L i p i n g ( 1 Ce n t r a l Re s e a r c h I ns t i t u t e o f Bu i l d i n g a n d Co ns t r u c t i o n，MCC Gr o u p Co Lt d，Be ij i n g 1 00 0 88 ，Ch i n a； 2 S c h o o l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E 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 g 2 1 1 1 8 9 ，C h i n a ； 3 E n g i n e e r i n g a n d Te c h n o l o g y I n d i f i c a t i o n C e n t e r ，t h e Mi n s t r y o f R a i l wa y s o f t h e P e o p l e s R e p u b l i c o f C h i n a ， B e ij i n g 1 0 0 8 4 4 ，C h i n a ； 4 Gu i g u a n g Ra i l wa y Co ，Lt d，Gu i y a n g 5 5 0 0 0 3，Ch i n a ) Ab s t r a c t：The wor ki n g a b i l i t y，s t r e ng t h，c r a c k r e s i s t a nc e pe r f o r ma nc e a n d du r a bi l i t y o f c e l l ul o s e f i b e r c on c r e t e we r e me s u r e d Ex pe r i me nt r e s ul t s s ho w a s f ol l o ws：Ce l l ul o s e f i be r s s i gn i f i c a n t l y i m p r ov e t he e a r l y c r a c k r e s i s t a nc e pe r f o r ma nc e a n d du r a bi l i t y，a nd i nc r e a s e t h e s p l i t t i n g t e ns i l e s t r e ng t h a n d f l e xu r a l s t r e n gt h o f c on c r e t e a n d S O c e l l u l o s e f i b e r c o n c r e t e c a n b e a p p l i e d t o s e c o n d a r y l i n i n g o f t u n n e l wi t h g r a d e s I I a n d I I s u r r o u n d i n g r o c k；t he r e i nf o r c e d me c h a ni s m of c e l l ul o s e f i be r s i s t ha t c e l l ul o s e f i be r s di s t r i bu t e i r r e gul a r l y a nd r e du c e bu b bl e c on t e nt s a nd s p a c e t o i mpr ov e c o nc r e t e pe r f o r ma nc e；a pp l i c a t i o n o f c e l l u l o s e f i be r c o nc r e t e i n t he s e c on d a r y l i n i ng s t r u c t ur e o f a hi gh s p e e d r a i l wa y t un ne l pr o v e c e l l u l os e f i b e r c on c r e t e c a n s a t i s f y t he de s i g n de m a n d f o r t he s t r e n gt h，du r a bi l i t y a nd wor k i ng a bi l i t y o f c on c r e t e a nd no c r a c ks c a n be d e t e c t e d i n t he c o nc r e t e s u r f a c e 7 0 a nd 2 8 0 da ys a f t e r mou l di n g Ke y wo r d s：s e c o nd a r y l i ni n g； c e l l ul o s e f i be r c o nc r e t e； c r a c k r e s i s t a nt pe r f o r ma nc e； pe r m e a bi l i t y 二 次 衬砌 混凝 土 开裂是 多 年 国内外 隧道工 程 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结构。随运 营时间推移， 隧道衬 砌非结构性裂缝不断出现并发展 ， 维修养护工作加大， 收稿 日期 ：2 0 1 0 一 l 1 0 7 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 卜O 4 2 3 基金项 目：铁道 部科技研 究开发计划 ( 2 O 1 O GGKYO 2 ) 第一作者 ：曹擎字( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 河北饶 阳人 ， 工程师 ，博士 。 E ma i l ： a c h e r o 1 2 6 e o m 通讯作者 ：孙伟( 1 9 3 5 一) ， 女 ，山东胶州人 ，中国工程 院院士。 E - ma i l ：s u n we i s e u e d u c n 二次 衬砌 结构 耐性 问题 逐 渐 突 出 ， 甚 至 危 及 高速 列 车 运行 安全 。 日本 新 干线 已发生 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 积极研究相应措施。德国对二次衬砌混凝土采用单层 钢筋网护面结构， 但钢筋 网护 面结构 造价高、 施工 困 难 、 工 程耗 时长u j 。 我国以往根据 围岩等级对 二次衬砌结构进行处 理 。对 于 、 级 围岩采用 素混 凝土 结构 ； 对 于级 以 1 0 4 铁 道 学 报 第 3 4 卷 上 围岩采 用钢筋 混 凝 土 结 构 。近 年来 ， 随高 速 铁 路 发 展 ， 在武广、 郑西等客运专线建设中使用了纤维混凝土 结构。利用纤维在混凝土中乱 向分布 ， 有效抑制混凝 土塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝并改善抗渗性和抗冻 融 性等 耐久 性 因素 _ 6 _ 。这不 仅能 降低工 程造 价 ， 亦可 初 步解 决二 次衬 砌非 结构 裂缝 问题 。 常用 合 成纤 维 包括 ： 聚丙 烯 纤 维 、 聚 乙烯 醇 纤维 、 改性聚酯纤维等。本 文将纤维素纤维加入混凝土， 制 备满 足 隧道二 次衬 砌 要求 的纤 维 混 凝 土 ； 并 对 纤 维 混 凝土工作性能、 强度 、 抗裂性能和渗透性等指标进行测 试 。在 某隧 道 级 围岩 进行 现 场 试 验 ， 对 二 次 衬砌 混 凝 土表 面裂 缝情 况及 各龄期 力学 指标进 行 跟踪监 测 。 1 试 验设计 1 1 二 次衬砌 结构 混凝 土技 术要 求 针对 高速 铁路 隧道 二 次 衬 砌 结 构特 点 ， 所 采 用 纤 维混 凝 土应满 足工 作性 能 、 力 学性 能 、 抗 裂性 能和 耐久 性 等要求 。基 于某 高速 铁路 隧道 二次衬 砌结 构设 计要 求 ， 纤维 混凝 土应 满足 ： ( 1 )混 凝 土设计 强度 等级 大于 C 3 0 ； ( 2 )5 6 d电通量 不 大于 1 2 0 0 C； ( 3 )早 期 混凝 土表 面无 肉眼可 见裂 缝 ； ( 4 )新拌 混凝 土具 有 良好 的工 作性 ； ( 5 )抗渗 等级 不小 于 P 1 0 。 1 2试 验材料 1 2 1 纤维 素纤 维 采用的纤维素纤维( UF 5 0 0 ) 基体取 自经过基因改 良的特 殊树 种 ， 直 径小且 纤 维表 面不规 则 ， 因此 比表 面 积 高于 其它合 成 纤 维 。其 与 水 泥浆 基 体 结 合力 更 强 ， 而 且具 备较 好亲 水性 ， 在 新 拌 混 凝 土 中能 够 吸 附 一部 分 自由水 ； 且基体内部有天然空腔 ， 能够蓄存 自由水 。 在水 泥水 化过程 中 ， 这两 部分水 分会 缓慢 释放 ， 可促 进 水泥继续水化 ， 补偿混凝土收缩 ， 从而改善混凝土微观 结构 。UF 5 0 0纤 维外 观见 图 1 ， 物 理力 学性 质见表 1 。 表 1 纤维素纤维物理力学性质 1 2 2其 它材料 试 验材料 包 括水 泥 、 砂 、 石 、 粉煤 灰 、 塑 化剂 、 水 、 纤 维 素纤维 等 ， 采用 “ 就 地 取 材 ” 原 则 。试 验 所 用 水 泥 为 海 螺 P04 2 5 普 通 硅 酸 盐 水 泥 ； 砂 为 中粗 河 砂 ， 细 度 模数 为 2 6 ； 石为碎 石 ， 粒径 范 围为 5 3 1 5 mm； 外 加 剂 为 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂 NOF AS， 减 水 率 大 于 3 O ； 粉 煤灰 为 级 ， 细 度为 1 9 8 ； 水 为 自来 水 。 1 3配合 比设计 及施 工 工艺 为满足 规范 和 设 计 要 求 ， 选 定 水 胶 比为 0 4 1 、 砂 率为 4 2 的普通混 凝 土 ( 试 件 1 ) 和 纤 维 混 凝 土 ( 试 件 2 ) 进行 试 验 ， 配 合 比见 表 2 。纤 维 素 纤 维 掺 量 为 0 9 k g m。 ， 成 型后 1 d拆模 ， 将 试 件 放 入 养 护 室 ( 温度 2 O 2 ， 湿度 大 于 9 0 ) 进行 养 护 ， 并 在 规 定 龄期 内进 行测试 。材料配合 比见表 2 。 表 2 试 验 材 料 配合 比 k g m 图 1 纤维素纤维形貌 图 2 纤维素纤维分散情 况 由于纤 维素 纤 维 成 型 前 为块 状 物体 ( 图 1 ) ， 每 块 约含纤维 5万根。为便于将纤维更好分散在混凝土中 ( 分散后 纤 维素 纤 维 见 图 2 ) ， 纤 维 昆凝 土 试 件 采 用 如 下 施工 工艺 ： ( 1 )将石子 、 砂、 纤维素纤维倒入搅拌机 ， 均匀搅 拌 1 O 3 0 S ； ( 2 )将水泥、 粉煤灰倒入搅拌机， 均匀搅拌 3 0 S ； ( 3 )将减水剂充分倒入水中， 开动搅拌机 ， 将水缓 慢均匀倒人工作搅拌机 ， 搅拌 3 rai n ； ( 4 )关 闭 电源 ， 将 新拌 混凝 土倒 出 ， 开 始成 型 。 2 试验 结果与讨论 2 1混凝 土工 作性能 新拌混凝土工作性能主要包括 ： 坍落度、 坍落扩展 度、 含气量 、 抗离析指标 等 4项 内容。试验结 果见表 3。 表 3新拌混凝土工作性能 第 7期 纤 维素纤维混凝土性能及在二次衬砌 中的应用 1 O 5 由表 3可见 ： 混凝土坍落度均大 于 1 8 0 mm， 满足 隧道设 计要 求 。新 拌混 凝 土含气 量 可用 于控 制硬化 混 凝 土质 量 。 由于减 水 剂具 有 引气 功 能 ， 因此 混 凝 土 含 气量 基 本在 3 左 右 ， 满足 小 于 4 的设 计 要求 。离 析 使混凝土内部结构不均匀 ， 导致混凝土力学性能 以及 耐久性等下 降。纤维混凝土抗离析指标小于 1 ， 满 足不 大 于 1 5 的要 求 。综上 所 述 ， 纤 维 混凝 土 流 动 性 高、 含气量适 中、 离析可能低 ， 适用二次衬砌等对工作 性能有较高要求的结构 。 2 2混凝 土 强度 指标 混凝土强度指标包括 ： 立方体抗压强度、 劈裂抗拉 强 度 和抗 折 强 度 。依 照 GB T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 普 通 混 凝 土力 学性 能 试验 方法 标准 _ 7 对 试件 进行 强度 测 试 。 试 件成 型后 送 至标 准养 护室 进行 养护 ， 养 护 2 8 d和 5 6 d后 ， 测试 其立方抗 压强度 、 劈裂抗 拉强度 和抗折 强 度 ， 结果 见表 4 。 表 4混凝土强度指标 由表 4可 见 ： 普 通 混凝 土养 护 2 8 d后 ， 立 方 体 抗 压强度 已达到 C 3 o设计强度等级要求 ， 而纤维混凝土 立 方抗 压 强 度 在 2 8 d和 5 6 d均 略 低 于 普 通 混 凝 土 。 抗折强度和劈裂抗拉强度均高于普通混凝土， 提高约 1 O 。 2 3 混 凝 土早期 塑 性抗 裂性 能 混凝 土早 期 塑性 开裂 采用 平板 法进 行试 验 。试件 成 型后立 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 O 的碘 钨灯 ， 给混 凝 土 表 面创 造 加 速 失水 条件 ， 同时记录当时时间 t 。每隔 1 0 mi n左右观察是 否 出现 明显 贯 穿裂 缝 ， 若 发 现 即记 录 时 间 。 。 。 与 t 之差 即为混凝 土初裂时 间。若 4 h后混凝 土仍未开 裂 ， 试验停止。平板法设计模具见图 3 ， 试验现场见 图 4。 平 板法 试验 以混 凝 土初 裂 时 间 、 裂 缝 总 面 积 评 价 混凝 土抵 抗 早期 塑性 开 裂性 能 ， 试 验结 果 见 表 5 ， 混 凝 土 开裂情 况 见 图 5 。 表 5平板法试验结 果 ( a )正面图 ( b)平面图 ( e) 钢板凸起详图 图 3 矩形平板示意 图( 单位 ： ra m ) 图 4 平板法试验现场 ( a )普通混凝土 ( b )纤维混凝土 图 5 混凝土开裂情况 由图 5可知： 普通混凝土试件在 中部贯穿开裂 ， 而 纤 维 素纤维 混凝 土试 件未 开裂 。说 明纤维 素纤 维具 有 较 好抵 抗早 期塑 性开 裂 的能力 。 2 4混凝 土耐 久性 能 根 据 隧道所 处环 境 和 二 次衬 砌 受 力 特 点 ， 选 取水 渗透性 、 氯离子渗透性和碳化等 3个 指标进行测试 。 其 中氯 离子 渗透 性采 用 电通 量 法 ， 各项 指 标 测 试遵 循 GB T 5 0 0 8 2 - 2 0 0 9 普通 混凝 土长期 性能 和 耐久性 能 第 7期 纤 维素纤维混凝土性能及在二次衬砌 中的应用 1 O 7 混 凝 土运 送至 施工 现场 时对 坍 落度 损失进 行 测试 。混 凝土浇筑完毕后 ， 预留部分混凝土试件和二次衬砌 同 条 件 养护 。对 其 2 8 d和 5 6 d立 方抗 压强 度 、 劈 裂抗 拉 强度、 抗折强度和电通量 等进行测试 。各测试结果见 表 7 。二 次衬 砌成 型 后 混 凝 土 表 面状 态 见 图 8 。现 场 试 验段 混凝 土 工作性 、 强度指 标 均满 足设计 要求 。 表 7现场试 验段混凝土相关性能指标 4 2 二次 衬 砌后 期性 能 测试 分别在二次衬砌浇 筑成 型后 7 0 、 2 8 0 d对混凝土 表 面 状况 和强 度指 标 进 行 监测 ， 以确 定 其是 否 可 以正 常 使 用 。隧 道 内 常 年 温 度 为 1 6 5 ， 湿 度 5 0 1 O ， 图 9为成 型后 7 O 、 2 8 0 d二次 衬 砌混 凝 土表 面状 态 。可 以看 出 ： 普通 混 凝 土 和 纤维 混凝 土 表 面 未 发 现 一 一 ( b )2 8 0 d 图 9 7 0 、 2 8 0 d混凝土表面状态 肉 眼可见 裂 缝 。分 别 用 回弹 仪 在 7 O 、 1 5 0 、 2 0 0 、 2 8 0 d 对 衬 砌上 同一 部位 进行 混 凝土 强 度 测试 ， 结 果 见 表 8 。 由表 8可 知 ， 二者 混凝 土 强 度均 满 足 C 3 0混凝 土强 度 设计要求 ， 即 2 8 0 d后二次衬砌满足设计要求。 表 8 各 龄期 回弹 法测得混凝土强度 MP a 5 结论 (1)纤维 素纤 维 混 凝 土 比普 通 混凝 土有 较 好 工 作 性能 、 早 期抗 裂性 能 和耐久 性 能 ； 且 可提 高混 凝 土劈 裂抗拉强度和抗弯强度 。 ( 2)纤 维素纤 维 主 要 通过 纤 维 在 混凝 土 中乱 向 分布改善混凝土内部微观结构 ， 减少气泡含量 和气泡 间距 ； 并减小混凝土裂缝萌生和扩展概率 ， 从而改善混 凝 土性 能 。 (3)将纤维 素 纤 维混 凝 土 应 用 于 高速 铁 路 隧 道 二 次衬 砌结 构 ， 可满 足工作 性 能 、 强度 、 耐 久性 能要求 ， 且 成 型后 7 0 、 2 8 0 d混凝 土表 面没有 裂缝 产生 。 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 r M 北 京 ： 人 民交 通 出 版社 ， 20 03 E 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 I- 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发 研究报告l- R 北京 ： 北京工业大学 ， 2 0 0 8 E 5 Z 0L L 0 R F F b e r _ r e i n f o r c e d C o n c r e t e ：An 0v e r v i e w a f t e r 3 0 Y e a r s o f De 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 Co mp o s i t e s ，1 9 9 7， 1 9 ( 2 ) ： 1 0 7 1 2 2 r 6 B OGHOS S I AN E，WEGNER L DUs e o f Fl a x F i b e r s 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 i n g i n C o n c r e t e J C e me n t & Co n c r e t e Co m p o s i t e s ，2 0 0 8，3 0 ( 1 )：9 2 9 9 3 7 I- 7 中华人民共和 国建设部 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2普通混凝 土力 学性 能试验 方 法 标 准 s 北 京 ： 中 国 建 筑工 业 出版 社 ， 2 0 02 E s 中华 人民共和国住房和城乡建设 部 ， 中华人 民共和 国国家 质量 监督 检验检疫总局 GB T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9普通混凝 土长 期性 能和耐久性 能试验 方法标准 E s 北京 ： 中国建筑业 出 版 社 ， 2 0 0 9 I- 9 B A NTHI A N， GUP TA R I n f l u e n c e o f P o l y p r o p y l e n e F i be r Ge ome t r y on Pl a s t i c Shr i n ka ge Cr a c ki n g i n Conc r e t e J C e me n t a n d C o n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 6 ，3 6 ( 7 ) ：1 2 6 3 1 267 1 O P AS S UE L L O AMO RI C ONI G，S HAH S P C r a c k i n g Be ha v i or of Co nc r e t e wi t h Shr i nk a ge Re d uc i n g Admi x t u r e s a n d P VA F i 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 1 ( 1 0 ) ： 6 9 9 7 0 4 1 1 VAS I C S ，S MI TH I B r i d g i n g C r a c k Mo 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 r i n g F r a c t u r e Me c h a n i c s ， 2 0 0 2 ， 6 9 ( 6 ) ：7 4 5 7 6 0 1 2 KI M J H J ，P AR K C G， L E E S W ， e t a 1 E f f e c t s o f t h e Ge ome t r y o f Re c y c l e d PET Fi b e r - r e i n f or c e me n t o n S h r i n 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 mp o s i t e s J Co mp o s i t e s P a r t B：E n g i n e e r i n g ，2 0 0 8，3 8 ( 3 ) ：4 4 2 4 5 0 ( 责 任编 辑崔立秋 )