纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的应用.pdf
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1、2 0 1 2 年 第 1 2期 (总 第 2 7 8 期 ) N u mb e r 1 2 i n 2 0 1 2 ( T o t a l No 2 7 8 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACTI CAL TECHNOLOGY d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 1 2 0 3 4 纤维混凝土抗裂性能分析及在隧道工程中的应用 曹擎宇 , 。郝挺字 ,孙伟 z ( 1 中冶建筑研究总院有限公司 ,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
2、) 摘要: 纤维混凝土用于隧道二次衬砌中, 用以提高混凝土的抗裂性能。选用钢纤维、 纤维素纤维、 改性聚酯纤维、 聚乙烯醇纤维、 聚丙 烯纤维单掺及与钢纤维复掺, 采用平板法、 圆环法和测长法测试其抗裂性能, 试验结果证明纤维混凝土不仅提高了混凝土的劈裂抗拉强 度和抗折强度, 而且抗裂性能较普通混凝土有明显的改善, 特别是纤维素纤维混凝土抗裂性能更好。 将纤维素纤维混凝土应用于 I I I 级围 岩下二次衬砌中, 工作性能、 强度指标均满足设计要求 , 且 2 8 0 d 后混凝土表面未开裂 , 满足正常使用的要求。 关键词 : 纤维 ;抗裂性 能;二次衬砌 中图分类号 : T U5 2 8
3、0 l 文献标 志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 1 0 2 0 4 Cr a c k r e s i s t an ce an al y s i s a nd a ppl i c a t i on t o t unn el e ngi nee r i ng of f i b er c on cr e t e C AOQ i n g -y u , H AOT i n g - y u , S U NWe i ( 1 Ce n t e r Re s e a r c hI n s t i t u t eo f B u i l d i n g
4、 a n dC o n s t r u c t i o nC o , L t d , B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 , Ch i n a ; 2 C o l l e g e o f Ma t e r i a l s S c i e n c eandE 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 g2 1 1 1 8 9 , C h i n a ) Ab s t r ac t : F i be r c o n c r e t e a p pl i e df o r s e c
5、 o n dl i n i n gi nmma e l t oi mp r o v e c r a c k r e s i s t a n c epe r f o r ma n c e W e c h o o s e nt h e S F、 CF、 P ETF、 P VAF a n d PP F, t o o k a c e r t a in s i n g l e fi b e r o r S F a nd an o t h e r ki n d s o f fi b e r a d d i n g t o c o n c r e, t e s t e d t h e c r a c k r
6、 e s i s t a n c e p e r f o r m a n c e b y fla t me t h o d、 c i r q u e me t h o d an d l e n g t h me t h o d,Th e r e s u l t s h o we d t h a t fi b e r c o n c r e t e n o t e n h a nc e the s p l i ai n g s t r e ng t h a n d b e n d i n g s t r e n g t h, b u t i mp r o v e d t h e c r a c
7、k r e s i s t anc e p e r f o rm a n c e c o mp a r i n g t o n o r ma l c o n c r e t e , e s p e c i a l l y fi b e r c o n c r e t e F i be r c o n c r e t e a p pl i e d for the s e c o n d l i n i n g u nd e r t h e I I l wa l l r o c k , b o t h wo r k p e r f o rm anc e an d s t r e n gth i n
8、 d e x s a t i s fy t h e d e s i g n d e man d , a n d c o n c r e t e s u r f a c e c o u l d n o t d e t e c t c r a c k a f t e r 2 8 0 d a y s Ke y w or d s: fib e r ; c r a c k r e s i s ta n c e ; s e c o n d l i ni n g 0 引言 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
9、断加大, 二次衬砌结构安全性问题逐渐突 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1 。 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目 , 但钢筋网护面结构造 价高、 施工困难、 工序耗时长。 目前国内港口工程、 水利工程和建 筑工程中采用纤维混凝土结构 , 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, 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
10、劳等性能。 本试验采用 纤维混凝 土技术解决 二次衬砌 中非结构 裂缝 问题 , 通过植物纤 维与金属 纤维 、 有机纤维及 金属纤维 与生物 纤维、 有机纤维混合, 对其抗裂性能进行试验, 优化出可用于高 速铁路隧道二次衬砌结构的纤维混凝土, 并应用于某高速铁路 隧道工程中的二次衬砌结构。 1试 验 1 1 原材料 水泥为武汉华新水泥厂生产的 P I I 4 2 5 级水泥; 粉煤灰为 收稿 日期 :2 0 1 2 - - 0 6 - 2 0 l 02 I 级粉煤灰 , 烧失量 5 0 ; 砂为 中粗 河砂 , 细度模数 2 6 ; 石子 为石灰 岩碎石 , 粒径范围 5 2 O mm; 外
11、加剂为 P C M 聚羧酸高效 减水剂; 水为普通 自来水; 纤维选用钢纤维( s F ) 、 聚乙烯醇纤维 ( P VA F ) 、 聚丙烯纤维( P P F ) 、 纤维素纤维( UF 5 0 0 ) 、 改性聚酯纤 维( P E T F ) , 各种纤维性质见表 1 。 表 1 试验选用纤维物理力学性 能 纤维种类 抗拉 M 强度 Pa GP a 量 极 单丝 m 长度 m ( 密度 e C c m, ) ( , ) 1 2配合 比设 计 不掺的基准混凝土配合比为: 水泥: 粉煤灰: 砂: 石子: 水 = 2 6 6 : 1 1 4 : 7 6 0 : 1 0 5 0 : 1 5 5 ,
12、 其余各组掺加纤维的混凝土见表 2所示 , 通过调节高效减水剂的用量使所制备的纤维混凝土的坍落度 在 ( 1 8 0 + 3 0 )11 1 1 1 范围内。 成型后 2 4 h脱模 , 放入标准养护室 养护, 分别测试 2 8 、 5 6 d的立方抗压强度 、 劈裂抗拉强度和抗 折强度。 1 3试验 设计 ( 1 ) 早期抗裂性能( 平板法 ) 。 混凝土早期塑性开裂采用美 ( 2 ) 圆环法试验结果 。 圆环试 验未考虑纤维 复掺情况 , 根据 静态应变仪记录的应变值, 在已知钢模自身弹性模量的基础上, 计算出在不同龄期时混凝土由于收缩而产生的内应力。 不同龄 期 的钢环 内壁 的净应变
13、曲线和计算得 到的不 同龄期 混凝土平 均 内应 力速率 , 分别示于图 3 、 4中。 亘 三0 2 艟 蚓 0 1 霜 0 龄期 d 图 3 混凝土应变随龄期变化 曲线 基 准UF 0 0 8 UF 0 l 0 UF O I 5 PE TF S F 纤 维类 型 图 4不同类型混凝 土的平均 内应力速率 由图 3 、 4 可知 : 基准混凝土钢环内壁净应变值在不同龄期时 均最大 , 不同龄期 UF 5 0 0 纤维混凝土钢环内壁净应变值均最小 , 而且该值随UF 5 0 0 纤维掺量的增加而减小; 根据AS T MC1 5 8 1 - 0 4 的规范规定, 当龄期超过 2 8 d时, 混凝
14、土平均应力速率若小于 0 1 0 MP a d , 则混凝土开裂的可能性很小; 若平均应力速率大于 0 3 4 MP a d , 则混凝土开裂的可能性很大。 由图 3可知 , 当龄期 超过 2 8 d时 , 基准混凝土开裂 的可能性较大 , P E T F和 s F混凝 土开 裂的可能性较小 , 而 3个掺量 U F 5 0 0 纤 维混凝土开裂的可 能性很小 。 ( 3 ) 测长法试验结果。 采用立式收缩仪测量混凝土干燥收 缩值, 试验持续 5 6 d , 纤维单掺和复掺的干缩值随龄期变化如 图 5 所示 。 从 图 5可以看 出 , 随龄期 的增长 , 混凝 土的干燥收缩 值逐 步增长 ,
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