公路隧道鋼纖維混凝土管片力學(xué)性能研究

摘要 文章針對鋼纖維混凝土在公路隧道管片中的力學(xué)性能展開研究，通過水泥、鋼纖維、骨料和礦物摻合料制備鋼纖維混凝土，首先采用水泥∶水∶石子∶砂=15%∶33%∶40%∶12%的配合比制備了混凝土試件，在鋼纖維體積摻量分別為0%、0.6%、0.8%、1.2%、1.6%的情況下制備了5組試件；然后將預(yù)制好的鋼纖維混凝土梁試件安裝在AG-X Plus Series液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上，以測試不同試件的抗彎強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，對于不同鋼纖維摻量體積的試件，鋼纖維摻量越多，其抗壓性和抗彎性越好。

關(guān)鍵詞 鋼纖維；混凝土管片；公路隧道；力學(xué)性能；試驗(yàn)設(shè)計

中圖分類號 TU528.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0120-03

0 引言

公路隧道作為隧道工程的一個重要部分，在保障道路暢通和安全通行方面具有重要意義。為了增強(qiáng)公路隧道的結(jié)構(gòu)性能、延長其使用壽命，鋼纖維混凝土作為一種新型復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于公路隧道管片的制造中。傳統(tǒng)的隧道管片多采用普通混凝土材料進(jìn)行制造，但其在抗拉強(qiáng)度、抗裂性和耐久性等方面存在一定不足[1]。鋼纖維混凝土通過在混凝土中添加適量的鋼纖維，以優(yōu)化混凝土構(gòu)件的多方面性能，大幅提升了混凝土的韌性和耐久性，使其更適用于公路隧道管片的制造。

1 管片與材料方法

管片是盾構(gòu)法公路隧道施工中的主要襯砌材料，具有重要應(yīng)用價值。目前，我國盾構(gòu)公路隧道的管片設(shè)計外徑為6 000 mm，內(nèi)徑為5 400 mm，厚度為300 mm。在目前的應(yīng)用中，管片環(huán)向由6塊構(gòu)成，其中3塊是標(biāo)準(zhǔn)塊，1塊是封頂塊，其余的2塊是相鄰塊。目前，管片的應(yīng)用主要有四種類型：第一種是1.2 m的通用環(huán)，第二種是1.5 m的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)，第三種是1.5 m的左轉(zhuǎn)彎環(huán)，以及第四種是1.5 m的右轉(zhuǎn)彎環(huán)[2]。管片端面一般呈平面形式，需要在迎水面的四周設(shè)置防水膠條的溝槽，混凝土管片的使用壽命一般是100年，而鋼纖維混凝土管片的使用壽命則更長。

1.1 鋼纖維混凝土制備

在公路隧道結(jié)構(gòu)中，由于混凝土管片要承受復(fù)雜變形環(huán)境和高強(qiáng)荷載壓力等因素的影響，對其穩(wěn)定性提出了更高要求。鋼纖維混凝土可以有效減緩裂縫擴(kuò)展，并提高抗壓和抗拉強(qiáng)度，大幅提升管片的整體穩(wěn)定性和耐久性，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行[3]。因此，通過鋼纖維增強(qiáng)公路隧道管片混凝土非常必要，有利于提高公路隧道結(jié)構(gòu)的整體性能和使用壽命。公路隧道管片如圖1所示：

制備鋼纖維混凝土應(yīng)按一定比例，將鋼纖維與水泥、骨料、礦物摻合料等混凝土原材料進(jìn)行攪拌混合，經(jīng)過施加適當(dāng)?shù)姆蹌┛刂屏鲃有?，得到均勻分散的鋼纖維混凝土漿狀混合物?；炷僚浜媳缺仨毞显O(shè)計和規(guī)范要求，其性能應(yīng)滿足管片生產(chǎn)工藝要求?；炷翑嚢柘到y(tǒng)配備砂石及含水率自動快速測定儀，嚴(yán)格按照配合比拌制混凝土。管片混凝土澆筑時應(yīng)分層、連續(xù)、均勻、對稱地從模具兩端向中間布料，采用振搗棒振動成形時，每蓋一塊蓋板布一層料，振搗密實(shí)后方可布下一層料，振搗時不能碰撞模具、預(yù)埋件和鋼筋骨架，振搗時間一般控制在2～3 min為宜，振動至混凝土與側(cè)板的接觸處且不再有噴射狀氣泡時為止[4]。制備材料主要是作為混凝土主要原料的P.C硅酸鹽水泥，其主要成分包括熟料和適量的礦渣、石膏等摻合料。選擇直徑為0.81 mm的鋼纖維，其性能特點(diǎn)為高拉伸強(qiáng)度、抗腐蝕性好、抗拉性能優(yōu)異，能夠有效抵抗混凝土的開裂和抗拉應(yīng)力。選擇碎石和碎砂作為骨料時，碎石骨料的顆粒直徑應(yīng)選擇6 mm級，而碎砂骨料的顆粒直徑則選擇2 mm級；骨料應(yīng)具有充分強(qiáng)度和穩(wěn)定性且能成為混凝土結(jié)構(gòu)的骨架，具備足夠的承載能力和抗壓性[5]。選擇粉煤灰作為主要的礦物摻合料，其粒徑要求為45 μm。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器主要如下：（1）壓力試驗(yàn)機(jī)（萬能材料試驗(yàn)機(jī)），主要用于測定混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，具體型號為AG-X Plus Series的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。（2）彎曲試驗(yàn)機(jī)（鋼筋混凝土梁彎曲試驗(yàn)儀），主要用于測定混凝土梁的彎曲性能、抗彎強(qiáng)度等，具體型號為YAW-G Series的鋼筋混凝土梁彎曲試驗(yàn)儀。（3）顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM），用于觀察和分析鋼纖維在混凝土內(nèi)部的分布情況和連接狀態(tài)，具體型號為ZEISS EVO Series的掃描電子顯微鏡。

1.3 試樣制備

鋼纖維混凝土試件制備過程如下：（1）檢查實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和儀器的狀態(tài)，確保正常運(yùn)作。（2）混凝土配合比為水泥∶水∶石子∶砂=15%∶33%∶40%∶12%，減水劑為81%，鋼纖維體積摻量分別設(shè)置為0%、0.6%、0.8%、1.2%、1.6%，確保鋼纖維均勻分散在整個混合物中[6]。（3）將上述材料放入混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行充分混合攪拌，攪拌時間設(shè)定為60 s，加入減水劑和水后再繼續(xù)攪拌240 s，攪拌期間應(yīng)觀察鋼纖維的結(jié)團(tuán)情況，保證鋼纖維呈均勻分布趨勢。（4）根據(jù)試驗(yàn)要求選擇圓柱體模具，先對其進(jìn)行充分潤滑，再將混凝土倒入模具中，按照標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)方法或振搗方法進(jìn)行試件制備，確保試件表面平整。（5）根據(jù)鋼纖維摻量由小到大順序?qū)⒃嚰譃?#～5#組，最后將試件放置于恒溫恒濕的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d即可。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 抗壓強(qiáng)度分析方法

利用韌性系數(shù)測試抗壓強(qiáng)度。韌性系數(shù)（Toughness Factor）是評價混凝土抗沖擊性能和韌性的一個重要指標(biāo)[7]，利用韌性系數(shù)測試抗壓強(qiáng)度是為了評估混凝土的整體抗壓性能和變形能力，通過AG-X Plus Series液壓萬能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)壓力試驗(yàn)。韌性系數(shù)的計算公式如下：

式中：——表示壓力功（J）；——表示壓力功初始值（J）。

1.4.2 抗彎強(qiáng)度分析方法

將預(yù)制好的鋼纖維混凝土梁試件安裝在試驗(yàn)機(jī)上，調(diào)整試件位置，確保試件正確定位并能承受加載。根據(jù)設(shè)定的加載方式即10 kN的遞增方式開始施加荷載，逐漸增加加載直至試件發(fā)生破壞即可，再詳細(xì)記錄加載過程中試件的彎曲度變化數(shù)值[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 鋼纖維混凝土的SEM

將混凝土樣品進(jìn)行研磨和拋光處理，直至獲得平坦的表面，確保在SEM下觀察時能夠獲得清晰的圖像。為了減少樣品表面的電子束輻射造成的充電效應(yīng)，通常需要在樣品表面涂覆金屬鉑，將經(jīng)過處理的樣品放入SEM儀器并選擇匹配區(qū)域進(jìn)行觀察。通過控制電子束掃描即可獲取高分辨率的表面形貌圖像。不同試件的SEM如圖2所示：

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

通過壓力機(jī)以0.4～0.6 MPa/s的速度對試件實(shí)施3次的荷載壓力測試，得出的試件破壞形態(tài)結(jié)果如圖3～5所示。

分析圖3～5可知，從混凝土試件的裂縫長短和寬窄可以看出，壓力沖擊次數(shù)越大，試件的裂紋問題越嚴(yán)重，但也表明鋼纖維的加入使混凝土的承壓性能得到了顯著提升。當(dāng)鋼纖維摻量逐漸增多時，混凝土的裂縫便會隨之減小[9]。

2.3 抗彎強(qiáng)度分析

不同鋼纖維摻量制備的混凝土材料的抗彎度是評估其應(yīng)用性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，在受壓荷載不斷增加的情況下，混凝土抗彎強(qiáng)度變化情況如圖6所示：

通過分析圖6可以得知，鋼纖維的摻量對公路隧道管片混凝土試件的抗彎性能影響較大，表明鋼纖維能夠提高混凝土的抗彎性能。當(dāng)鋼纖維摻量過高時，混凝土中的鋼纖維相互交錯、糾纏密集，可能導(dǎo)致集料的分散性下降，使得混凝土內(nèi)部的空隙變得更大，從而影響混凝土的均勻性和密實(shí)性。

3 結(jié)語

綜上所述，鋼纖維混凝土在公路隧道管片中的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢。通過試驗(yàn)結(jié)果得知，隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土試件的抗壓性和抗彎性能均呈現(xiàn)出明顯的提升趨勢，顯示鋼纖維在混凝土力學(xué)性能方面發(fā)揮了有效作用，為優(yōu)化公路隧道管片的設(shè)計和施工提供了重要依據(jù)。進(jìn)一步深入研究和推廣應(yīng)用鋼纖維混凝土技術(shù)，將有助于提升公路隧道結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，可為公路隧道的工程質(zhì)量和管片的可靠性提供有力支撐。

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