地铁管片用玄武岩纤维增强水泥混凝土性能试验研究.pdf

2 0 1 4年第 5期 铁道 建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 57 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 l 5 7 0 5 地铁 管片用玄武岩纤维增强水泥混凝 土性 能试验研究 徐 源 ， 瞿 家宝 ， 陈阳利 ， 顾兴 宇 ( 1 南京地铁建设有 限责任公 司， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ； 2 东南大学 交通学院 ， 江苏 南京2 1 0 0 9 6 ) 摘要 ： 为 了研 制 高性能地铁 管片 ， 对 两组 不 同长度 的短切 玄 武岩 纤 维水 泥 混 凝 土、 一 组 聚 丙烯 纤 维 水 泥 混凝 土及一 组普通 混凝 土性 能进行 了试验 对 比研 究。 结果表 明 ： 玄 武岩 纤维掺 入 混凝 土 中后 ， 对抗 拉和 抗折 强度影 响不 大 ； 显著 地提 高 了水泥 混凝土 的抗 冲击 、 韧 性 、 抗 冻性 能 ， 水泥 混凝 土的 干缩性 能提 高 不 显著 ， 掺入体积率 0 1 玄武岩纤维后混凝土疲劳寿命增加 了 3倍 ， 冲击韧性增加 了 3倍， 玄武岩 纤维 强化 了混凝 土材料 的动 态强度 ； 玄 武岩 纤 维 的增 强性 能 比 聚 丙烯 纤 维 高 ， 由于 纤 维分 布 形 态不 同长 型 ( 3 0 mm) 玄武岩 纤 维的增 强性能 不及短 型 ( 1 8 mm) 玄武 岩 纤 维。 玄武 岩 纤 维作 为 一种 新 的 加 强 纤 维 ， 增 强水泥混凝 土 的性 能尚需 实际工 程 中应 用进 一步验 证 。 关键词 ： 玄 武岩纤 维 纤维混凝 土 管片 水泥 混凝 土 性 能试 验 中图分 类号 ： T U 5 2 5 文献 标识 码 ： B D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 4 0 5 4 6 随着城 市交通 运输 需 求 量 的 日益 增 长 ， 我 国许 多 大城 市开始兴 建地 下铁 道 ， 越 来 越 多 的盾 构 区间 使 用 钢筋混 凝土管 片 。如 北 京 、 上海 、 广 州 、 南 京 等 地 铁 部 分区 间都采用 盾构 隧道 管片 。 目前采用 的盾 构 管 片 以钢 筋混 凝 土 管 片 为 主 ， 随 着工程 应用 的增多 ， 混 凝 土材 料 的脆 性也 让 其 缺 陷 逐 渐暴露 出来 。钢筋 混凝 土管片 在运输 和 安装过 程 中边 缘容易破损和产生裂缝 ， 特别是箱型管片 ， 在盾构千斤 顶的作用下容易顶裂 ， 发生渗漏和腐蚀现象 ， 对隧 道 结构 的安全 性和 耐久性 产生 不利影 响 。这就 要求 管 片有足够好的韧性 、 抗 冲击性 、 抗渗性 、 耐腐蚀性等性 能 ， 这 些 都 是 盾 构 法 施 工 中 较 棘 手 但 又 必 须 解 决 的 问题 。 将纤维掺入水泥混凝土 ， 可 以改善其力学性能和 脆性 破 坏特性 ， 达 到减少 原生裂 缝 ， 提高 混凝 土的力 学 强 度 、 韧 性 及抗 冲 击 性 能 的效 果 。近 年 来 ， 纤 维 混 凝 土管 片在地 铁管 片工程 中已经进 入实 质性 的试验 研 究 阶段 ， 如上 海 M 6地 铁线 建设 了 5 0 r n的钢 纤维 混 凝 土 管片试 验段 ， 北京 地铁 1 0号 线 已尝 试应 用混 杂纤 维 混凝 土管 片技术 。玄武 岩 纤 维 是 一种 新 型材 料 ， 具 有天然的与混凝土 的相容性 、 抗拉强度高 、 耐腐蚀 、 耐 高温 、 抗裂性能好、 性价比高等优点 ， 是其他材料 的良 好替 代 品 。作 为新 型 高性 能 混 凝 土材 料 ， 玄武 岩 纤 维水 泥混 凝土 的性 能 须进 行 试 验 验证 ， 探 讨 材料 性 能 的优 势与 不足 。 1 原材料配 比 1 1原材 料 胶凝 剂 ： 南 京青 龙牌 P 0 4 2 5 R普 通硅 酸盐水 泥 ， 物理力学指标符合规范要求。 细集 料 ： I 级 河沙 ， 细度 模数 3 2 。 粗集 料 ： I 级 石灰 岩碎 石 ， 5 2 5 mm连续 级 配 。 减水 剂 ： 萘系 高效减 水 剂 。 水 ： 饮用 自来 水 。 纤维 ： 为 对 比研究 水 泥 混 凝 土 复掺 玄 武 岩 纤 维后 的增强性 能 ， 选用 了 1 8 mm和 3 0 m m 两种 长度 的短 切 玄 武岩纤 维 ， 并选 取 短 切 聚丙 烯 纤 维 作 为 对 比 。纤 维 主要物 理参 数与性 能 指标见 表 1 。 表 1 纤维的物理参数与性能指标 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - O 6 - 0 9； 修回日期 ： 2 0 1 3 - 0 8 1 8 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 8 0 8 2 ) 作者简介 ： 徐源( 1 9 7 5 一 ) ， 女 ， 浙江德兴人 。 高级工程师 ， 硕 士。 1 2水 泥混 凝土 配合 比 ( 表 2 ) 由于聚丙烯纤维 的常用体积率为 0 1 C 4 ， 且玄 武岩纤 维增 强水 泥混 凝 土在 该纤 维体 积 率下 的增 l 5 8 铁道 建筑 表 2水 泥混 凝 土 配合 比 k g m 强效 果 明显 ， 故 玄武 岩 纤 维 增强 水 泥 混 凝 土采 用 相 同 的体 积率 ( 0 1 ) 。室 内试 验各 组 混凝 土 的实测 坍 落 度 分别 为 4 0， 4 5 ， 4 5 ， 3 0 m m， 表 观质量 满 足要求 。 1 3试 件成 型 普 通混 凝土 试件 按 照 国家 标准 普 通 混 凝 土力 学 性能试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 0 0 2 ) 和 钢纤维 混 凝土 试验 方 法 标 准 C E C S 1 3 ： 8 9 进 行 制 作 ， 纤 维 混 凝土试件的制作采用干拌法， 如图 1所示。 匪 I 纤 维 广 拜 j 1 水 广 拜 仟 r 图 l 纤 维增 强水 泥混凝 土的制作流 程 2 玄武岩 纤维增 强水 泥混凝 土性 能试验研 究 2 1性 能试验 指标 确 定玄武 岩纤 维增 强水 泥混凝 土 材料性 能 的试验 项 目包 括力 学性 能试 验 与 耐久 性 能 试 验 ， 并 选择 代 表 性 试验 项 目 。 1 ) 力学 性能试 验 抗 压 强 度试 验 、 抗 折 强度 试 验 、 落锤 式 冲击试 验 、 动态 韧性 试验 ( 弯 曲疲劳试 验 ) 。 2 ) 耐 久性 能试验 干缩 试验 、 抗冻 试验 ( 快冻 法 ) 、 抗 渗性 试验 。 2 2试验 依据 与方 法 水泥 混凝 土落 锤式 冲击试 验采 用 的是美 国混凝 土 学会 A C I 一 5 4 4推荐 试 验方 法 ； 由于 低 掺 量纤 维 混 凝 土 F一 6曲线 并没 有 明显 的初 裂 点 ， 常 规 的准 静 态韧 性 评 价方法 ， 如美 国 A S T M C 1 0 1 8标 准 及 国 内 C E C S法 无法 适用 。因此 ， 本 文 水 泥 混凝 土韧 性 试 验 采用 弯 曲 疲劳试验 ， 须专 门设计 ： 首先确定水泥混凝土静载极限 弯拉强度 ， 然后综合考虑分别取 0 7 5和 0 8 5两个应 力水 平进 行疲 劳试 验 ， 循 环 荷 载 的加 载 模 式 与 抗 弯拉 强度 试验 相 同 ， 采 用跨 中三分 点加 载 ， 循环 最高 荷载指 定 为对应 应 力水平 乘 以极 限荷 载 ， 最低 荷 载 为 1 0 极 限荷 载 ， 荷 载 波 形 为 正 弦 波 ， 频 率 1 0 H z ， 试 验 采 用 M T S试 验机 。其 他 试 验 均 按 照 前 述 两 个 规 范 相 关 标 准进行 。 3 试 验结果及分析 3 1 玄武 岩纤维 增 强水泥 混凝 土力 学性 能试验 结 果 3 1 1 抗 压强度 试验 普通混 凝 土与 纤 维 混 凝 土 2 8 d龄 期 抗 压 强 度 见 图 2。 l P C P F C B F C- 1 8 BF C 一 3 0 组别 图 2 水泥混凝 土抗压强度试验结 果 试 验结 果 表 明 ， B F C 1 8组 与 P F C组 抗 压 强 度 较 P c组提高不足 5 ， B F C 一 3 0抗 压强度下 降 6 3 ， 对 于混凝土这一类复杂的混合物 ， 强度值出现上述程度 的浮动 ， 可认 为各组 别 水 泥 混凝 土 处 于 同一 级 强 度水 平 ， 纤维 对水 泥混凝 土 的抗压 强度 作用 并不 显著 。 水 泥混凝 土受 压破 坏 特征 主 要 为沿 4 5 。 角 的剪 切 破坏， 随着应 力的不断增加 ， 微裂 纹逐 渐扩展 为宽裂 缝 ， 水泥浆体与骨料剥离 ， 并最终 导致骨架体 系的崩 塌 。掺 入纤 维后 ， 浆体 与骨 料 的粘结 界 面处 纤 维 平 行 分 布 弱化粘 结强 度 ， 另 一方 面也 增加 了局 部孔 隙 ， 促 使 了破 坏面 的贯通 ， 故 纤维 反而 易 削 弱 混 凝 土 的抗 压 性 能 。但 从试 验结 果来 看 ， 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度并 没 有 出现 显 著 的 降低 ， B F C 一 1 8组 与 P F C组 还 显 现 了一 定 的增强效果 ， 可推 测混凝土新拌时 ， 纤维改善 了和易 性 ， 使胶凝颗粒 的水化反应更完全 ， 降低离析引起的细 观缺陷 ， 并提高了混凝土骨架体系的稳定性 。 如 如 如 0 B d 、 鹱 辗 2 0 1 4年第 5期 徐 源等 ： 地铁管片用玄武岩纤维增 强水泥混凝 土性 能试 验研 究 l 5 9 3 1 2抗 弯拉 强度 试验 普 通混 凝土 与纤维 混凝 土抗弯 拉强 度试 验结果 见 图 3 。 P C P F C BF C 1 8 BF C 3 0 组别 图 3 水 泥混凝土抗弯拉强度试验结果 水 泥混凝 土抗 弯拉强 度试 验结 果与抗 压强 度试 验 结果 相 近 ， 各组 别水 泥 混凝 土 的抗 弯拉 强度 处 均 在 同 一 级 水平 上 ， 纤 维增 强 水泥 混 凝 土 组 的抗 弯 拉 强 度 相 对 素混 凝土 的浮动 范 围为 一3 4 4 3 。 由于纤维 掺量 较低 ， 且模量 低 于混凝 土材 料 ， 纤 维 的增 强作 用会 被混凝 土材 料 的变 异 性所 “ 掩盖 ”， 无 法 显现纤维类型 、 纤维长径比等因素对混凝土静态强度 性 能 的贡献程 度 。 3 1 3 落锤式 冲 击试 验 普通 混凝 土与纤 维混 凝土 落锤式 冲击 试验 结果 见 表 3 表 3落锤式冲击试验结果 从 表 3可 以看 出 ， 掺入 纤 维 后 水 泥 混凝 土 的抵 抗 冲击破坏能力显著提升 ， 玄 武岩纤维水泥混凝土组的 全 过程破 坏 冲击能 接 近素 混 凝 土 的 2倍 ， 而初 裂 后 破 坏冲击能达到素混凝土的 4倍 以上。其 中， 0 1 0 体 积率玄武岩纤维混凝土的全过程破坏冲击能均大于聚 丙烯 纤 维 ， 而且 试件 初 裂 和 终裂 的 冲击 次 数也 远 高 于 聚丙 烯纤 维 ， 这 说 明玄 武 岩纤 维 比聚 丙 烯纤 维 更 适 宜 提 高水泥 混凝 土 的抗 冲击 破坏 性能 。 3 1 4韧 性 试 验 水 泥混凝 土弯 曲疲 劳试验 结果 见表 4 。 从弯曲疲劳试验结果可 以看出 ， 纤维混凝 土耐受 疲劳循环作用次数( 即疲劳寿命 ) 可达素混凝土的 2 表 4小梁弯 曲疲劳试验结果 4倍。其中， 1 8 m m玄武岩纤维增强水泥混凝土的疲 劳寿命水平较高且变异性低于 P F C组与 B F C 一 3 0组 ， 抗疲 劳性 能 最 优 ， 聚丙 烯 纤 维增 强 水 泥 混 凝 土 次 之 ， 3 0 1T l 1 T I 玄武 岩纤 维增 强水泥 混凝 土优 于 普通 水 泥混 凝 土 。这表 明 ， 纤 维 能 显 著 提 高 混 凝 土 的抗 疲 劳性 能 。 纤维 改善 了水 泥石微 观结 构 ， 一 方 面 数量 庞 大 的纤 维 丝 空间结 构对 水泥石 骨架 起到 了固定 作 用并增 加应 变 能 的耗散 ， 另 一方 面纤 维 桥 接作 用 限制 了混 凝 土 微 裂 纹 的扩展 ， 从 而提高 了混 凝土 的疲 劳极 限强度 。 3 1 5 玄武岩 纤维 增 强水泥 混凝 土的 力学性 能特征 三种纤 维 增强水 泥混 凝 土 的 增 强性 能 相 类 似 ， 对 水 泥混凝 土 的静态 强 度性 能 影 响 不 显 著 ， 而对 混 凝 土 材料 抵抗 动荷 载破 坏能力 均有 显著 提高 作用 。对 于玄 武 岩纤维 增强 水泥 混凝 土 ， 超 长纤维 会影 响分 布取 向 ， 在 一定程 度 上影响 了 昆凝 土 的静 态 强 度性 能 ， 但 其 对 混 凝土 动 态 力 学 性 能 的 增 强 效 果 仍 与 聚 丙 烯 纤 维 相 当 。 水 泥混凝 土落锤 式 冲击试 验 与韧性 试验结 果 表明 纤维显著改善了混凝土 的动态力学性能。一方面 ， 纤 维的掺人改变了混凝土 内部应力传递 的特征， 纤维一 基 体界 面成 为混凝 土能 量耗 散 的集 中区域 ； 另一方 面 ， 微 裂纹处 的纤 维 桥 接 作 用 降 低 裂缝 尖 端 应 力 集 中程 度 ， 控制 了微 裂纹 的衍 生与 贯通 ， 同时 提高 了混凝 土 的 自愈能 力 。根据 多个 城 市 地铁 的调 查 ， 普 通 钢 筋混 凝 土 管片 的破 损主要 原 因是 冲击 力 和 拉应 力 过 大 ， 玄 武 岩纤 维显 著提 高 昆凝 土 抵抗 冲击 破 坏 的能 力 ， 改 善 了混凝 土脆 性破 坏 的弱点 ， 这对 改善地 铁 管片性 能 ， 提 高 隧道 工程 质量具 有 重要作 用 与长远 经济 效益 。 3 2 玄 武岩 纤维增 强 水泥 混凝 土耐久 性能试 验 结果 3 2 1 干 缩 性 试 验 普 通 混 凝 土 与 纤 维 混 凝 土 干 缩 性 试 验 结 果 见 图 4 6 5 4 3 2 0 、 鼎 静 2 0 1 4年第 5期 徐 源等 ： 地铁管片用玄武岩纤维增强水泥混凝土性能试验研究 混凝土管片在寒区地铁工程的应用具有极大意义。防 水是 钢筋混 凝 土管 片重 点 关 注 的 问题 ， 掺 入 玄 武 岩纤 维 并 不影 响混凝 土抗 渗等级 。 4 结论 1 ) 水 泥混 凝 土掺 入 聚丙 烯纤 维 、 玄 武 岩 纤 维 后 ， 静 态 强度变 化不 显著 ， 动 态 强 度 与耐 久 性 能 得 到 了一 定 的强化 。玄武岩 纤 维 的增 强 性 能 比聚丙 烯 纤 维 好 ， 长 型 ( 3 0 m m)玄 武 岩 纤 维 的 增 强 性 能 不 及 短 型 ( 1 8 mm) 玄武岩 纤维 ， 这是 纤维 分布形 态导 致 的结果 。 2 ) 玄武 岩 纤 维 显 著 地 提 高 了 水 泥 混 凝 土 的 冲击 韧性 、 疲劳韧性 、 抗冻性能， 水泥混凝土的干缩性能提 高不明显 ， 并保持原有水泥混凝 土的弯拉强度与抗渗 性能。其中， 掺人体积率 0 1 玄武岩纤维后混凝土 疲劳寿命增加了 3倍 ， 冲击韧性增加了 3倍 ， 玄武岩纤 维增强水泥混凝土具有一定韧性 ， 可 以减少普通钢筋 混 凝 土管片 在运输 、 安装 过程 中发 生 的破 损 和裂缝 ， 并 明显提 高 了管片 的抗冻 性能 。 3 ) 玄武 岩 纤 维 增 强 水 泥 混 凝 土 在 承 受 重 复 动 载 的条件下可增加管片使用寿命 。 4 ) 本 文通 过力 学性 能 及 耐久 性 能 室 内试 验 研究 ， 论证了玄武岩纤维混凝土在地铁管片中的可行性和优 越性 。玄 武岩纤 维 作 为一 种 新 的加 强 筋 ， 其 使 用效 果 还需 实 际工程应 用 验证 。 参 考 文 献 1 宁博 ， 欧 阳东 ， 易宁 ， 等 混杂纤维混凝土在地铁管 片中的应 用 J 混凝土与水泥制 品 ， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 5 0 5 3 2 蒲奥 纤维混凝土 管片设计 研究 及工 程应用 D 成 都 ： 西 南交通 大学 ， 2 0 0 7 3 廉杰 ， 杨勇新 ， 杨萌 ， 等 短切玄 武岩 纤维增强混凝土力学性 能 的试验研究 J 工业建筑 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ( 6 ) ： 8 1 0 4 王晨飞 氯盐环境下聚丙烯纤维混凝土 耐久性能研 究 D 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 1 2 5 朱华军 玄武岩纤维 混凝土 耐久 性能 试验研 究 D 武汉 ： 武汉理工大 学 ， 2 0 0 9 6 李 为民 ， 许 金余 玄 武岩 纤维 对混 凝土 的增 强 和增韧 效 应 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 4 ) ： 4 7 6 - 4 8 6 7 A L Y T K， S A N J A Y A N J G， C O L L I N S F E f f e c t o f P o l y p r o p y l e n e F i b e r s o n S h r i n k a g e a n d C r a c k i n g o f C o n c r e t 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 8， 4 1 ( 1 0)： 1 7 41 - 1 7 5 3 8 史 国刚 ， 李海涛 ， 顾 兴宇 柔性玄 武岩纤 维水 泥混凝土 配 比 优化设计 J 公路交通科技 ， 2 0 1 2 ， 2 9 ( 5 ) ： 2 4 2 9 9 吴鸣泉 钢纤维混凝 土盾构 管片在地 铁隧道 工程 的应用研 究 J 广东建材 ， 2 0 0 4 ( 3 ) ： 6 8 ( 责任 审编 李乐) ( 上接 第 1 2 5页) 取 临 界温度 力 、 临界变 形矢度 和 临界变 形波 长 ， 有悖 结 构 平衡 稳定 理论 。 2 ) 用接 近 实 际 的 汁算 参 数 、 具 有 代 表 性 的 轨 道 ， 对修 改后 的公式作 计 算 验证 ， 证 明计 算 的 弯 曲变 形 波 长 z 为或为虚数并非偶 然， 有一定 的必然性和普遍 性 。即使设 计时参 数 取 值偏 于保 守 ， 一 定 的 线路 平 面 条件下 ， 计算的 f 也同样存在 为或虚数 的情况。用 修改后的“ 统一无缝线路稳定性计算公式” ， 似难完成 铺 设 无缝线 路 允许温 差表 的计算 。 3 ) 用修 改后 的公 式计算 弯 曲变形 波 长 z 也 并 非任 何计算条件下得 出的结果均为或虚数。若原始塑性 弯曲所占百分 比取得很大 ， 就不存在这种情况 ， 但相应 的计算条件是实际铁路不允许存在 的， 参数取值欠缺 充分 依据 。 4 ) 本文讨论 尚未涉及重载铁路铺设特重型钢轨 、 型弹条扣件的无缝线路。若用修改后的公式计算重 载铁路无缝线路的弯 曲变形量 ， 因 0 9 ， 3 值 比本文用于 计算验证的值还要大， 或经破底清筛的道床变得松散 使得 Q值显著 降低 ， 则 z 为 或虚数 的可 能性 大为 增 加 。 5 ) 国外 列 入 设 计 规 范 的无 缝 线 路 稳 定性 计 算 公 式 有很 多 ， 如 ： 德 国拉 波公 式 、 英 国 萨姆维 达公 式 、 俄 罗 斯 别尔 申公 式 、 美 国考 尔公 式 、 日本 沼 田实 公 式 、 匈 牙 利 霍姆 公式 等 。 国内许实 儒 、 胡 津亚 、 广钟 岩 等都 曾提 出过计算公式。铁科院也提出不等波长稳定性计算公 式 。尽管各种公式存在不完善之处 ， 但 尚未发现计算 的无缝线路弯曲变形波长为或虚数 的情况。作为纳 入 规范 中的计算公式理应严谨 ， 建议编制单位对修 改后的“ 统一无缝线路稳定性计算公式” 存在 问题深 入研 究 ， 予 以纠 正 。 参 考 文 献 1 中华人 民共 和 国铁道部 T B l 0 0 1 5 2 0 l 2 铁 路无缝 线 路 设 计规范 S 北 京 ： 中 国铁道 出版社 ， 2 0 1 2 2 卢耀荣 无缝线路研究与 应用 M 2版 北京 ： 中国铁道 出 版 社 ， 2 0 1 0 3 广钟岩 ， 高 慧安 铁路 无缝线 路 M 4版 北 京 ： 中国铁 道 出版社 2 0 1 0 4 许实儒 ， 童本浩 铁路轨道基本理论 M 北京 ： 中 国铁 道出 版社 ， 1 9 9 7 ( 责 任 审编李付军)