二次襯砌纖維混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)研究

1、高速鐵路隧道用纖維混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比設(shè)計(jì)研究肖文斌（中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014）摘要：本文高速鐵路隧道二次襯砌為研究對(duì)象，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)采用纖維素纖維混凝土進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維混凝土不僅可以滿足工作性、強(qiáng)度、耐久性等要求，尤其抑制混凝土的早期開(kāi)裂從而改善二次襯砌混凝土的服役期工作性能，且就有較好的外觀效果，這將對(duì)高速鐵路隧道工程將具有一定的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：高速鐵路隧道、二次襯砌、纖維素纖維、混凝土Research of concrete mix design in laboratory with ultra fiber for high speed ra

2、ilway tunnelXIAO Wen-bin(China Railway Shiju Group Corporayion, Jinan 250014, Shandong, China)Abstract: This issue aimed at the concrete lining of the high speed railway tunnel,and do some experiment at the centain construction site with the ultra fiber concrete. The result of the experiment show th

3、at ultra fiber not only satisfied the requirement of workability、strength、durability,but also restrain the early crack of concrete, to improve the service life of concrete, combined the nice appearance, contributed more value for the high speed railway tunnel. Key word: high speed railway tunnel; co

4、ncrete lining; ultra fiber; concrete0引言混凝土裂縫可分為混凝土早期塑性開(kāi)裂和混凝土正常使用過(guò)程中出現(xiàn)的變形開(kāi)裂。混凝土早期開(kāi)裂主要是由于混凝土澆注后塑性收縮、干燥失水等導(dǎo)致的收縮開(kāi)裂，混凝土后期開(kāi)裂則是由于荷載、溫度變化、變形等原因引起的開(kāi)裂。早期建設(shè)的普通鐵路隧道大量采用素混凝土結(jié)構(gòu)，運(yùn)營(yíng)以來(lái)均未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，但部分隧道早期裂縫由于受圍巖水壓力等因素影響，導(dǎo)致微裂縫擴(kuò)展、貫通，最終導(dǎo)致二次襯砌結(jié)構(gòu)整體發(fā)生滲漏水及混凝土剝落，造成極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。為解決這個(gè)問(wèn)題，世界各國(guó)采用了不同的設(shè)計(jì)方法，如德國(guó)采用混凝土加鋼筋的方式，日本仍采用素混凝土結(jié)構(gòu)，韓

5、國(guó)在洞口附近采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在其余地段則采用素混凝土結(jié)構(gòu)，并在運(yùn)營(yíng)前對(duì)高鐵隧道逐座檢查，發(fā)現(xiàn)裂縫后逐條進(jìn)行處理。目前對(duì)于我國(guó)對(duì)于二次襯砌結(jié)構(gòu)的處理主要采用素混凝土、纖維混凝土和鋼筋混凝土三種方式，究竟采用哪種方式需要根據(jù)圍巖等級(jí)確定，一般采用如下方案： （1）級(jí)圍巖襯砌可以不考慮運(yùn)營(yíng)承載開(kāi)裂問(wèn)題，建議采用素混凝土結(jié)構(gòu)。（2）級(jí)圍巖襯砌，建議采用纖維混凝土。（3）級(jí)圍巖襯砌，建議采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或內(nèi)表面設(shè)單層鋼筋網(wǎng)方式。采用纖維混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以有效控制混凝土早期開(kāi)裂，而且對(duì)于開(kāi)裂后裂縫的擴(kuò)展具有很強(qiáng)的抑制作用，相較鋼筋混凝土而言其造價(jià)較低，施工方便，因此目前在我國(guó)高速鐵路隧道二次襯砌中得

6、到了廣泛的應(yīng)用，像廣深港、武廣、鄭西、貴廣等客運(yùn)專線隧道二次襯砌、級(jí)圍巖中均采用纖維混凝土。 1. 纖維素纖維混凝土簡(jiǎn)介近年來(lái)大量研究表明，在混凝上基材中摻加纖維是提高混凝上韌性、抑制塑性開(kāi)裂并改善混凝上的抗沖擊性及耐久性的最有效途徑。目前纖維混凝土中常用的纖維包括鋼纖維、聚脂纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維等，各種纖維的物理性質(zhì)見(jiàn)下表所示：表1 常用纖維的物理化學(xué)性能纖維抗拉強(qiáng)度（）彈性模量（）極限伸長(zhǎng)率(%)吸濕率(%)比重()耐堿性聚丙烯纖維350700310152500.91好聚丙烯腈纖維25045038122021.17較好聚乙烯纖維1600250060803400.94好鋼纖維>3

7、802000.53.507.8好玻璃纖維1400250070802.03.52.7好碳纖維175029502755000.10.201.72.0好然而上述纖維盡管各具優(yōu)勢(shì)，但是都面臨著一個(gè)共同的問(wèn)題，即摻量較高，一般每立方米纖維混凝土中纖維產(chǎn)量不低于0.6%，這樣就大大提高了工程造價(jià)。UF500纖維素纖維是由美國(guó)Buckeye公司研發(fā)的新一代纖維，采用專利涂層強(qiáng)化纖維耐堿性，具有抗拉強(qiáng)度高、親水等特點(diǎn)，有利于在混凝土中的分散，并提高混凝土對(duì)纖維的握裹力，且摻加之后不改變?cè)浜媳?。其基本參?shù)如下表：表2 UF500纖維素纖維基本參數(shù)表技術(shù)指標(biāo)標(biāo) 準(zhǔn)比重（g/cm3）1.10平均長(zhǎng)度（mm）2.1

8、2.3標(biāo)稱直徑（µm）1417比表面積（m2/kg）2500纖維間距（µm）（摻量0.9kg/m3）660旦尼爾（g/9000m）2.03.0纖維根數(shù)（億根/kg）14抗拉強(qiáng)度（MPa）600900彈性模量（GPa）8.5燃點(diǎn)（）233抗酸堿性高親水性好安全性安全無(wú)毒環(huán)保性綠色材料圖1 UF500產(chǎn)品外觀國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者試驗(yàn)表明：纖維素纖維能改善混凝土的早期抗裂性能，具有混凝土后期抗裂改善作用；能提高混凝土韌性、抗彎疲勞；通過(guò)采用疲勞試驗(yàn)下混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性能來(lái)表征荷載作用下混凝土在客運(yùn)專線隧道二次襯砌服役期的抗裂性能，從而整體改善混凝土的服役工作性能。2. 纖維混凝土現(xiàn)場(chǎng)

9、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn) 針對(duì)高速鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用的纖維混凝土具有如下性質(zhì)：l 強(qiáng)度要求：纖維混凝土設(shè)計(jì)要求大于C30；l 耐久性要求：56d電通量不大于1200C；l 抗裂性能要求：早期不出現(xiàn)裂縫；l 工作性能要求：具有良好的流動(dòng)性、黏聚性和泵送性。為滿足該要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康募矗?l 按照絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)；l 選定水膠比為0.39、0.41、0.43三組混凝土進(jìn)行試驗(yàn)；l 膠凝材料用量不大于400，其中粉煤灰等質(zhì)量取代30%水泥；l 每組單摻體積分?jǐn)?shù)為0.08（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.9 kg/m3）的纖維素纖維；l 外加劑摻量不大于膠凝材料用量的1%；按試驗(yàn)規(guī)程和高性能混凝土要求，在現(xiàn)

10、場(chǎng)采用的隧道襯砌混凝土配合比中摻加纖維與未加纖維的同配比混凝土做對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲得以下檢驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)資料：l 混凝土工作性能：含氣量、坍落度、抗離析指標(biāo)、纖維分散性、容重；l 混凝土強(qiáng)度：3天、7天、28天、56天抗壓強(qiáng)度；l 早期抗裂性能（平板法）；l 28天、56天電通量l 56d抗?jié)B性能21試驗(yàn)用原材料基本性能試驗(yàn)用原材料包括水泥、砂、石、粉煤灰、塑化劑、水、纖維素纖維等，在保證滿足相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí)，采用“就地取材”的原則，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。試驗(yàn)所用原材料廠家、品牌、基本性能如下所示： l 水泥：海螺牌P·O42.5；產(chǎn)地：興安，生產(chǎn)單位：廣西興安海螺水泥有限責(zé)任公司

11、l 砂：河砂，中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.6；產(chǎn)地：黃洞河l 石：碎石，粒徑范圍516mm、1631.5mm；產(chǎn)地：新燕石場(chǎng)l 外加劑：聚羧酸高效減水劑NOF-AS；產(chǎn)地：山東淄博，生產(chǎn)單位：山東銀凱建材有限公司l 粉煤灰： 級(jí)粉煤灰，細(xì)度19.8%；產(chǎn)地：廣東臺(tái)山，生產(chǎn)單位：廣東臺(tái)山電廠l 水：自來(lái)水；符合拌合用水要求l 纖維素纖維：纖維素纖維UF500，各項(xiàng)性能與校內(nèi)所用相同；產(chǎn)品提供商：上海羅洋新材料科技公司。 表 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)配合比 單位：kg/m3編號(hào)水膠比水泥粉煤灰水砂石外加劑纖維10.3927811915575210403.970.920.4126611415576010503.80.

12、930.4325210815576610603.60.923 纖維混凝土施工基本情況及工作性能 l 纖維混凝土施工工藝及工作性能：對(duì)于摻加纖維素纖維的混凝土試件，采用如下施工工藝：a 將石子、砂、纖維素纖維倒入攪拌機(jī)內(nèi)，均勻攪拌10s30s；b 將水泥、粉煤灰倒入攪拌機(jī)內(nèi)，均勻攪拌30s；c 將減水劑充分倒入水中，開(kāi)動(dòng)攪拌機(jī)，將水緩慢均勻倒入正在工作的攪拌機(jī)中，攪拌3min；d 攪拌完成后關(guān)閉電源，將新拌混凝土倒出，開(kāi)始成型。對(duì)于不摻加纖維的素混凝土試件，仍采用上述工藝，可不進(jìn)行工序b的操作。表 混凝土工作性能配合比編 號(hào)水膠比新拌混凝土性能坍落度(mm)坍落擴(kuò)展度（mm）含氣量（%）抗離析指

13、標(biāo)（%）表觀密度（kg/m3）纖維分散10.392005003.84.32390好20.412105103.86.62380好30.432055003.95.22370好從表中可以看出，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)拌合的混凝土具有非常好的坍落度和坍落擴(kuò)展度，即流動(dòng)性很好，但由于減水劑中引氣組分過(guò)大等原因，新拌混凝土含氣量稍偏高（標(biāo)準(zhǔn)要求4%）纖維素纖維在混凝土中分散情況很好。l 混凝土抗壓強(qiáng)度及其他性能指標(biāo)：試驗(yàn)成型完畢后送至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)1d、3d、28d、56d后測(cè)試?yán)w維混凝土立方抗壓強(qiáng)度、電通量、抗折強(qiáng)度和抗?jié)B性能，試驗(yàn)結(jié)果如表所示。表 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)28d試驗(yàn)結(jié)果配合比編 號(hào)水膠比立方體抗

14、壓強(qiáng)度（MPa）抗折強(qiáng)度（MPa）電通量（C）28d1d3d28d56d28d56d28d56d抗?jié)B等級(jí)10.3913.824.244.354.25.436.56947941P920.4112.120.839.845.95.245.4710621017P930.4310.318.836.345.04.866.6613101101P9注：抗?jié)B性能試驗(yàn)在滿足設(shè)計(jì)要求P9后即停止試驗(yàn)。由表中所列數(shù)據(jù)可知：a 水膠比為0.39的混凝土28天齡期時(shí)已達(dá)到了C35設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求，水膠比為0.41和0.43的混凝土28天齡期時(shí)也達(dá)到了C30設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的要求。b 水膠比為0.39和0.41的混凝土28天

15、和56天齡期時(shí)的電通量均達(dá)標(biāo)（< 1200C）；而水膠比為0.43的混凝土28天齡期時(shí)的電通量不達(dá)標(biāo)。c 三個(gè)水膠比混凝土28天齡期時(shí)的抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到了P9，滿足鐵路隧道耐久性要求。2.4 纖維混凝土早期塑性收縮試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)同樣進(jìn)行了平板法測(cè)定混凝土早期塑性收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)主要任務(wù)是比較水膠比相同情況下，纖維素纖維摻量不同對(duì)混凝土早期塑性收縮的抑制能力，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表14所示。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖所示。表 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平板法配合比設(shè)計(jì)編號(hào)水膠比水泥粉煤灰水砂石外加劑纖維10.3927811915575210403.970.91-10.3927811915575210403.971-20.39

16、27811915575210403.971.11-30.3927811915575210403.971.6520.4126611415576010503.80.92-10.4126611415576010503.82-20.4126611415576010503.81.12-30.4126611415576010503.81.6530.4325210815576610603.60.93-10.4325210815576610603.63-20.4325210815576610603.61.13-30.4325210815576610603.61.65表 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)平板法試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)日期編號(hào)

17、摻量kg/m3初裂時(shí)間/min裂縫總面積/mm2改善率(%)10.9/1001-1/5075.23/1-21.1/1001-31.65/10020.9/1002-1/95168.91/2-21.1/1002-31.65/10030.9/1003-1/95261.92/3-21.1/1003-31.65/100平板法試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表15所示，可以得出如下結(jié)論：a 三個(gè)水膠比的基準(zhǔn)混凝土試件均在中部貫穿開(kāi)裂，其中，0.43水膠比混凝土的早期裂縫總面積最大，分別為0.39水膠比和0.41水膠比混凝土的3.5倍和1.6倍。b 摻UF500纖維素纖維的三個(gè)配合比混凝土在摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.9kg/m3時(shí)均

18、未發(fā)生開(kāi)裂，改善率達(dá)到100，達(dá)到國(guó)標(biāo)一級(jí)抗裂標(biāo)準(zhǔn)（改善率75%以上）。c 摻緩凝型減水劑時(shí)，基準(zhǔn)試件的初裂時(shí)間延長(zhǎng)，配合比2、3均摻緩凝型減水劑，初裂時(shí)間為95min，配合比1摻無(wú)緩凝性的減水劑，初裂時(shí)間為50min。 d3. 結(jié)論綜合分析上述三個(gè)水膠比混凝土的工作性能、力學(xué)性能、抗?jié)B性、電通量和早期塑性抗裂性能之后，可以得出如下結(jié)論： 水膠比0.39的混凝土，由于其28天抗壓強(qiáng)度已達(dá)到了C35混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，而且其他各項(xiàng)性能均滿足新拌混凝土工作性要求、力學(xué)性能要求和鐵路隧道耐久性要求，因此，推薦在IV級(jí)圍巖條件下建造的鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)中使用。 水膠比0.41的混凝土，在滿足新拌混凝土工作性要求