低水化熱纖維增強(qiáng)襯砌混凝土性能研究

王連華

(中鐵二十三局集團(tuán)第四工程有限公司，四川 成都 610072)

實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道現(xiàn)澆襯砌混凝土結(jié)構(gòu)開裂、滲漏及侵蝕問題突出。羅斌[3]調(diào)研了新疆下坂地水利樞紐工程地下洞室襯砌混凝土工程，認(rèn)為表面裂縫和貫穿整個(gè)厚度的裂縫是工程早期病害的主要形式。崔凌秋等[4]認(rèn)為滲漏與冰凍是常見的寒區(qū)隧道病害，長期以來一直困擾著我國北方寒冷地區(qū)公路隧道的安全運(yùn)營。翁璧石等[5]調(diào)研了多座既有鐵路隧道襯砌混凝土病害情況，發(fā)現(xiàn)硫酸鹽侵蝕造成襯砌混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)酥松、軟化、剝落等劣化現(xiàn)象，從而影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體承載力。

目前正在建設(shè)的廣州深(圳)—茂(名)鐵路沿線有多座隧道，為確保鐵路的長期安全運(yùn)營，項(xiàng)目組針對襯砌混凝土展開了專項(xiàng)研究，通過配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)及纖維增強(qiáng)技術(shù)，降低襯砌混凝土的水化熱，提升襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能及耐久性能。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 原材料

水泥為海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，主要性能指標(biāo)見表1。礦物摻合料：粉煤灰采用陽西海濱電力生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰；礦粉采用亞東S95級礦粉，硅灰采用北京中德西亞有限公司生產(chǎn)的硅灰?；瘜W(xué)成分見表2。粗集料為5～16 mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石，壓碎值9.4%，針片狀顆粒含量3.8%；細(xì)集料為天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.84，含泥量0.5%。纖維為端鉤型鋼纖維、鍍銅短細(xì)鋼纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維，不同纖維物理力學(xué)性能見表3，外觀見圖1。外加劑為高效減水劑，減水率23%。

表1 海螺P.O 42.5水泥性能

表2 礦物摻合料的化學(xué)成分 %

表3 不同纖維物理力學(xué)性能

圖1 不同種類纖維外觀

1.2 試驗(yàn)方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6]進(jìn)行混凝土工作性能測試。依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[7]進(jìn)行混凝土的成型、養(yǎng)護(hù)及力學(xué)性能測試，立方體試件邊長150 mm。依據(jù)CECS 13—2009《纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[8]進(jìn)行纖維混凝土的彎曲韌性試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]進(jìn)行混凝土收縮、早期抗裂性能試驗(yàn)及鹽凍試驗(yàn)。鹽凍試驗(yàn)采用快凍法，試件為邊長100 mm，高400 mm的棱柱體，凍融時(shí)的溫度范圍為-15～10 ℃，每個(gè)循環(huán)在4 h內(nèi)完成，每50次循環(huán)測試試件的質(zhì)量和動(dòng)彈性模量，并更換凍融介質(zhì)，保證介質(zhì)濃度穩(wěn)定。采用TAM Air水泥水化熱測量儀對膠凝材料的水化放熱進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同膠凝材料體系的水化放熱特性

深茂鐵路崗背嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模筑C40混凝土，因此以C40混凝土為基準(zhǔn)進(jìn)行配合比試驗(yàn)。確定基準(zhǔn)配合比為水泥∶砂∶石∶水=440∶772∶1 066∶158。為降低混凝土的水化熱和開裂風(fēng)險(xiǎn)，引入礦物摻合料按比例取代水泥。不同膠凝材料體系配合比及混凝土性能見表4，水化放熱特性見表5。

粉煤灰具有填充效應(yīng)、微集料效應(yīng)和形態(tài)效應(yīng)[10]，可發(fā)揮物理減水作用。由表4、表5可知：隨著粉煤灰的摻量增大，混凝土的工作性能提高。當(dāng)摻量為40%時(shí)混凝土保水性差。粉煤灰作為一種硅鋁質(zhì)火山灰材料，其早期的反應(yīng)活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于礦粉和硅灰，當(dāng)其摻量為40%時(shí)相比B1組(基準(zhǔn)混凝土)，3 d水化放熱量降低了23%，28 d抗壓強(qiáng)度降低了16%，放熱速率峰值出現(xiàn)時(shí)間延長了近4.4 h，這將顯著降低混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，但也因此降低了混凝土的早期抗壓強(qiáng)度。綜合考慮，粉煤灰摻量宜為30%。

表4 不同膠凝材料體系配合比及混凝土性能

表5 不同膠凝材料體系水化放熱特性

硅灰的比表面積大，含有超過90%的活性SiO2，其初期便有很高的反應(yīng)活性，消耗了富集在過渡區(qū)的大晶粒 Ca(OH)2，改善了過渡區(qū)微結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，但其需水量高會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性能。隨著硅灰摻量的增大，混凝土水化熱增加，水化加速期縮短，水化放熱速率峰值出現(xiàn)時(shí)間提前。這些會(huì)對混凝土的早期抗裂性能帶來不利影響。

礦粉不僅能與水泥水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2發(fā)生火山灰反應(yīng)，且其自身有一定的膠凝性能，其活性能夠在堿性條件下得到發(fā)揮。礦粉的摻入略微降低了混凝土的水化熱，摻量20%時(shí)3 d水化放熱量降低4%，對混凝土的強(qiáng)度影響不大。

綜合考慮，為減少混凝土水化放熱量，降低由于溫度應(yīng)力帶來的開裂風(fēng)險(xiǎn)，礦物摻合料選擇粉煤灰，最優(yōu)摻量為30%。

2.2 不同纖維及摻量對襯砌混凝土抗裂性能的影響

由于纖維在混凝土基體中的亂向分布，混凝土的脆性明顯改善，抗變形性能、韌性和抗裂性能提高，從而提高了襯砌結(jié)構(gòu)的早期安全性。選用市面常見的端鉤型鋼纖維、鍍銅短細(xì)鋼纖維及PVA纖維，在配合比B3的基礎(chǔ)上進(jìn)行纖維增強(qiáng)，探尋不同種類纖維及摻量對襯砌混凝土抗裂性能的影響。不同種類纖維及摻量下襯砌混凝土性能見表6。

表6 不同種類纖維及摻量下襯砌混凝土性能

注：纖維種類列括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為纖維體積摻量。

1)力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性能

鋼纖維摻入混凝土后在混凝土內(nèi)亂向分布，約束了混凝土受壓時(shí)的橫向變形，推遲了破壞過程，一定程度上提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。由表6可知：隨著鋼纖維摻量提高，抗壓強(qiáng)度增大，28 d抗壓強(qiáng)度提高幅度在5%～14%，而PVA纖維的摻入導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部孔隙增多，密實(shí)度降低，略微降低襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度。纖維的摻入對混凝土的收縮有一定的抑制作用，端鉤型鋼纖維限縮作用最好。當(dāng)端鉤型鋼纖維摻量增至1.0%，混凝土60 d收縮率降低了20.4%，但該纖維摻量超高0.7%后限縮作用減弱。

與鍍銅短細(xì)鋼纖維相比，端鉤型鋼纖維由于兩端帶彎鉤分散性較差。當(dāng)端鉤型鋼纖維摻量為1.0%時(shí)會(huì)大大降低工作性能，增加混凝土堵管的風(fēng)險(xiǎn)，因此，端鉤型鋼纖維最優(yōu)摻量為0.7%。

2)彎曲韌性

采用MTS公司生產(chǎn)的MTS505.90型電液伺服疲勞測試系統(tǒng)，對以上配合比進(jìn)行彎曲韌性測試。混凝土試件為邊長100 mm，高400 mm的棱柱體，初裂前加載速率取0.05 MPa/s，初裂后采用位移控制，其加載速率為0.1 mm/min。彎曲韌性(I20)計(jì)算圖如圖2所示。圖中：δ為OB間撓度值。I20=SOAGH/SOAB，測試結(jié)果見表7。

由表7可以看出：纖維的摻入顯著提高了混凝土的彎曲韌性。PVA纖維由于直徑小，容易被拔出和拉斷，因此其提高韌性效果較鋼纖維差。鋼纖維主要通過機(jī)械咬合和物理黏結(jié)將混凝土的破壞形式由脆性破壞變?yōu)檠有云茐腫11]。端鉤型鋼纖維在受拉拔出時(shí)兩端彎鉤存在被拉直的過程，產(chǎn)生較大的拔出荷載，因此，其韌性提升效果優(yōu)于鍍銅短細(xì)鋼纖維。

圖2 纖維彎曲韌性計(jì)算圖

表7 不同配合比混凝土彎曲韌性

3)平板抗裂性能

平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果見表8。纖維在混凝土中亂向分布阻止了骨料沉降和自由水的上浮，具有一定的保水作用；同時(shí)，纖維可分擔(dān)混凝土初期受到的收縮應(yīng)力，限制裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。由表8可知：鋼纖維和PVA纖維均有顯著的抗裂作用，PVA纖維對混凝土塑性階段防裂效果較好。

表8 平板抗裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 纖維增強(qiáng)對襯砌混凝土耐久性能的影響

為探究纖維增強(qiáng)對襯砌混凝土耐久性能的影響，在混凝土凍融試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用10%NaCl溶液作為凍融介質(zhì)，研究不同配合比混凝土在凍融+侵蝕性環(huán)境中的耐久性能。結(jié)果見圖3。

圖3 不同配合比混凝土的耐久性能

由圖3可以看出：在NaCl溶液侵蝕和凍融環(huán)境下普通混凝土摻入粉煤灰后，由于粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)，前100次循環(huán)受到的破壞較小，當(dāng)超過150次循環(huán)后混凝土開始破壞，300次循環(huán)后混凝土結(jié)構(gòu)已接近失效，表面出現(xiàn)部分剝落，質(zhì)量損失率較大。摻入纖維后混凝土表現(xiàn)出較強(qiáng)的抵抗凍融和侵蝕的能力。由于鋼纖維的強(qiáng)度和彈性模量高于混凝土，摻入混凝土中可發(fā)揮其增韌、阻裂作用，使混凝土表現(xiàn)出更好的抗侵蝕性能。端鉤型鋼纖維抵抗鹽凍侵蝕性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

1)摻入粉煤灰會(huì)大幅降低襯砌混凝土的水化熱，延緩放熱速率峰值出現(xiàn)時(shí)間，并具有物理減水作用，提高襯砌混凝土的工作性能，但會(huì)影響其早期力學(xué)性能，摻量不宜超過30%。硅灰水化活性高，對于襯砌混凝土早期抗裂不利。礦粉略微降低混凝土的水化熱。

2)纖維在混凝土基體中的亂向分布可明顯改善混凝土的脆性，顯著提高混凝土的抗裂性能和彎曲韌性，鋼纖維的增韌效果優(yōu)于PVA纖維。端鉤型鋼纖維的端鉤提供了與混凝土基體間的錨固力，對抗裂性能的提升優(yōu)于鍍銅短細(xì)鋼纖維。但端鉤型鋼纖維不易分散，不宜高摻。

3)纖維在混凝土中的增韌、阻裂作用，提高了混凝土抵抗凍融和NaCl溶液侵蝕的能力，抗鹽凍性能明顯優(yōu)于不摻纖維的混凝土。

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[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50080—2016 普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2017.

[7]中華人民共和國建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50081—2002 普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[8]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).CECS 13—2009 纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2010.

[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 50082—2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

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