纖維混凝土在高速鐵路隧道中的應(yīng)用課件

纖維混凝土在高速鐵路隧道二次襯砌中的應(yīng)用研究2011.9混凝土配合比及試驗方法二四3一工作性能研究3三3五研究背景主要匯報內(nèi)容CT及ESEM掃描圖像分析六耐久性的影響分析力學(xué)性能研究3七研究結(jié)論一、研究背景世界上早期修建的高速鐵路隧道，其二次襯砌一般采用素混凝土結(jié)構(gòu)，但隨著時間的推移，隧道襯砌非結(jié)構(gòu)性裂縫不斷出現(xiàn)并發(fā)展，維修養(yǎng)護(hù)工作量不斷加大，甚至影響高速鐵路運營安全。為解決高速鐵路隧道混凝土開裂掉塊問題，德國采用襯砌混凝土加鋼筋的方式，日本仍采用素混凝土結(jié)構(gòu)，韓國則在洞口附近采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在其余地段采用素混凝土結(jié)構(gòu)，但在交付運營前對高鐵隧道逐座進(jìn)行檢查，對發(fā)現(xiàn)的裂縫逐條進(jìn)行處理。一、研究背景我國高速鐵路隧道一般采用復(fù)合式襯砌，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合考慮，II、III、IV級圍巖隧道二次襯砌一般可采用素混凝土結(jié)構(gòu)，但二次襯砌開裂問題值得深入研究。2006年，鐵道部有關(guān)部門根據(jù)武廣、鄭西客專咨詢單位德國歐博邁亞公司的意見，召開了高速鐵路隧道二襯配筋問題研討會。2009年4月，鐵四院完成了《纖維混凝土在高速鐵路隧道中的應(yīng)用研究》。2010年，鐵道部科技司立項《高速鐵路隧道技術(shù)深化研究——隧道高性能噴射混凝土與纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)研究》，并提出了階段性研究成果。2011年，鐵道部科技司立項《高速鐵路隧道纖維素技術(shù)條件》編制。一、研究背景隧道拱頂開裂修補(bǔ)（1）隧道拱頂開裂修補(bǔ)（2）一、研究背景對比研究的纖維材料種類一、研究背景武廣、鄭西、貴廣鐵路隧道的應(yīng)用混凝土工作性能混凝土力學(xué)性能混凝土耐久性主要結(jié)論：經(jīng)過對不同加強(qiáng)方式的研究比較，表明纖維素纖維混凝土在早期收縮性能、綜合抗裂性能、工作性能、增韌效果、性價比等方面均優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土和其他類型加強(qiáng)混凝土，對延長隧道二襯服務(wù)壽命有重要意義。以下僅對纖維素纖維混凝土的研究情況進(jìn)行介紹。二、混凝土配合比及試驗方法

坍落度、擴(kuò)展度《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》混凝土離析率《歐洲自密實混凝土指南》混凝土抗壓強(qiáng)度《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》混凝土抗裂性能《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)》

美國材料實驗協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)ASTM1579，ASTMC1581-04《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》混凝土抗疲勞性能自行研制試驗方法，進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)模擬疲勞試驗混凝土抗?jié)B性能《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》檢驗項目試驗方法基準(zhǔn)混凝土與纖維素纖維混凝土工作性能對比表三、工作性能研究項目名稱編號坍落度（mm）擴(kuò)展度（mm）離析率（%）貴廣線基準(zhǔn)1903904.72纖維2053500.03武廣線基準(zhǔn)160450-纖維150400-鄭西線基準(zhǔn)1804803.75纖維1704600.04上表表明，纖維素纖維混凝土的離析率遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土，這使得混凝土基體更加均勻，減少了收縮引起的裂縫。三、工作性能研究015010020040045050300250350初始擴(kuò)展度坍落度纖維素纖維混凝土的坍落度經(jīng)時損失符合工程具體要求50021051060min30min200190505480貴廣線纖維素纖維混凝土坍落度、擴(kuò)展度經(jīng)時損失單位：mm纖維素纖維對混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度總體影響不大，部分混凝土強(qiáng)度略有提高基準(zhǔn)混凝土與纖維混凝土各齡期抗壓強(qiáng)度對比表四、力學(xué)性能研究項目名稱編號7d抗壓強(qiáng)度（MPa）28d抗壓強(qiáng)度（MPa）56d抗壓強(qiáng)度（MPa）貴廣線基準(zhǔn)-42.453.2纖維-42.452.4武廣線基準(zhǔn)35.047.556.2纖維35.348.756.0鄭西線基準(zhǔn)23.438.744.6纖維27.338.945.2四、力學(xué)性能研究（1）纖維內(nèi)部有獨特的空腔，可以吸收一部分自由水，在混凝土硬化階段又可以釋放水分，促進(jìn)未水化水泥顆粒的水化（2）纖維素纖維的親水性使水泥水化物沿著纖維表面生長，從而使纖維表面粘著大量的水泥漿體顆粒，增強(qiáng)混凝土與纖維間的握裹力五、耐久性的影響分析要延長隧道主體結(jié)構(gòu)的使用壽命，在提高結(jié)構(gòu)承載能力的同時，也應(yīng)提高襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性，體現(xiàn)在減少二次襯砌的裂縫，降低結(jié)構(gòu)的孔隙率，提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性，提高結(jié)構(gòu)抗侵蝕能力。纖維素纖維的突出性能優(yōu)勢是能大幅度減少混凝土塑性收縮裂縫，控制裂縫擴(kuò)展，減少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的連續(xù)性，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。五、耐久性的影響分析1）塑性期抗裂性能：減少新拌混凝土在塑性階段的各種收縮引起的裂縫改善率100%改善率90.4%改善率100%0

裂縫面積整體減小，改善率超過90%168.99.094.00152.0貴廣線武廣線鄭西線050100200150250裂縫面積/(mm2)五、耐久性的影響分析塑性抗裂性能試件五、耐久性的影響分析00.050.100.300.200.150.25基準(zhǔn)纖維0.9kg/m3纖維1.1kg/m3纖維1.65kg/m3平均內(nèi)應(yīng)力速率V/(MPa/day)0.210.0240.0330.010ASTMC1581-04?V＜0.10MPa/day，則混凝土開裂傾向非常小；?0.10≤V≤0.17MPa/day，則混凝土開裂傾向較?。?0.17≤V≤0.34MPa/day，則混凝土開裂傾向較大；?0.34MPa/day＜V，則混凝土開裂傾向非常大；纖維素纖維對混凝土主要強(qiáng)度增長過程中的裂縫擴(kuò)展有顯著的抑制作用1）綜合抗裂性能：減少在強(qiáng)度增長過程中因自收縮和干燥收縮的自應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫五、耐久性的影響分析干燥收縮性能試驗五、耐久性的影響分析2）抗疲勞性能3、卸荷1、換算2、加載4、氣滲試驗由極限抗壓強(qiáng)度換算出試件的極限抗拉強(qiáng)度加循環(huán)荷載，其頻率為5Hz試件經(jīng)50萬次疲勞循環(huán)后卸荷對試件取樣進(jìn)行氣滲試驗，評價其損傷程度荷載等級15％30％氣體壓力等級(MPa)0.20.30.20.3基準(zhǔn)3.0E-162.2E-165.9E-163.8E-16纖維2.8E-161.9E-163.8E-162.3E-16改善率(%)7.712.236.440.3纖維素纖維混凝土在不同荷載等級及壓力等級條件下，氣滲系數(shù)都有降低，尤其在30%荷載等級下，降低的幅度更顯著，達(dá)到40%左右?？梢娫谄诤奢d等級較高時，纖維素纖維對混凝土抗疲勞性能的改善作用更顯著五、耐久性的影響分析3）抗?jié)B性能貴廣線混凝土抗?jié)B試驗五、耐久性的影響分析3）抗?jié)B性能23.249.8基準(zhǔn)纖維纖維素纖維改善了混凝土的抗?jié)B性能，改善率達(dá)53.4%01020403050滲水高度/(mm)貴廣線抗?jié)B等級為P12混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果五、耐久性的影響分析3）抗?jié)B性能0.010.070.100.000.050.020.060.030.040.090.080.0水泥漿體孔隙率和平均孔徑平均孔徑孔隙率單位：mm2811163745109單位：%0.6實線代表摻聚丙烯纖維，虛線代表摻纖維素纖維0.30.91.2纖維素纖維能夠有效降低水泥基體的孔隙率和孔隙平均孔徑，降幅分別達(dá)45%和23%以上，其中以摻量0.9kg/m3（纖維當(dāng)量摻量）為最佳六、CT及ESEM掃描圖像分析1）CT三維圖像分析貴廣線現(xiàn)場素混凝土芯樣（直徑100mm，高度180mm）六、CT及ESEM掃描圖像分析1）CT三維圖像分析貴廣線現(xiàn)場纖維混凝土芯樣（直徑100mm，高度185mm）六、CT及ESEM掃描圖像分析1）CT三維圖像分析

素混凝土芯樣

纖維混凝土芯樣六、現(xiàn)場CT及ESEM掃描圖像分析1）CT三維圖像分析ASTMC457標(biāo)準(zhǔn)中的413mm橫貫線法六、CT及ESEM試驗掃描圖像分析基準(zhǔn)混凝土：氣泡含量8.7%、氣泡間距系數(shù)111μm、氣泡平均弦長108μm；纖維素纖維混凝土：氣泡含量5.2%、氣泡間距系數(shù)58μm、氣泡平均弦長57μm。二者在0.01mm-0.2mm尺度范圍內(nèi)均未存在裂紋；纖維素纖維混凝土的氣泡含量僅為基準(zhǔn)混凝土的60%；纖維素纖維混凝土內(nèi)部多為直徑0.1mm-0.01mm的小氣泡，而基準(zhǔn)混凝土內(nèi)部存在較多直徑大于0.1mm的氣泡，這表明纖維混凝土微細(xì)觀結(jié)構(gòu)均勻性優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土。1）CT三維圖像分析六、CT及ESEM試驗掃描圖像分析現(xiàn)場試驗段纖維混凝土中纖維素纖維分布均勻，無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象；纖維表面與水泥石界面區(qū)粘結(jié)良好，纖維耐堿性好。2）ESEM掃描圖像分析六、CT及ESEM試驗掃描圖像分析2）ESEM掃描圖像分析由ESEM圖像得到每平方毫米混凝土中分布的纖維根數(shù)統(tǒng)計值為1.0-1.7根（纖維摻量0.9kg/m3），計算得到每立方米混凝土中分布的纖維根數(shù)約為14億根，呈三維亂向分布的纖維平均中心間距為0.78mm（<7.6mm時，水泥石的抗拉和抗彎初裂強(qiáng)度均明顯提高）。七、研究結(jié)論纖維素纖維對混凝土工作性能沒有負(fù)面影響，纖維混凝土和易性良好，坍落度損失速率正常，且離析泌水現(xiàn)象大大減少纖維素纖維總體上略提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)了二次襯砌混凝土的承載功能纖維素纖維對混凝土的耐久性有顯著的改善作用：對混凝土早期塑性收縮裂縫以及自收縮、干縮引起的裂縫具有明顯的抑制作用；改善了隧道二次襯砌在頻繁氣動荷載和振動荷載作用下的抗疲勞