纖維混凝土性能及其在隧道工程中的應用

纖維混凝土性能及其在隧道工程中的應用主講人：前言由于混凝土施工和本身變形約束等問題，硬化成型的混凝土中存在眾多的微孔隙、氣穴和微裂縫，正是由于這些初始缺陷的存在才使得混凝土呈現(xiàn)出一些非均質(zhì)特性。

微裂縫通常是一種無害裂縫，但在混凝土受到荷載、溫差等作用時，就會不斷擴展和連通，最終形成我們?nèi)庋劭梢姷暮暧^裂縫。二次襯砌開裂二次襯砌開裂二次襯砌開裂二次襯砌開裂隧道二次襯砌產(chǎn)生裂縫的后果？裂縫的存在和發(fā)展通常會使內(nèi)部鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低承載力、耐久性及抗?jié)B能力，影響隧道外觀及使用壽命，嚴重者會威脅到行車及人們的安全。隧道二次襯砌產(chǎn)生裂縫的后果？

世界上較早修建的高速鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)普遍采用素混凝土，隨著運營時間推移，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)護工作不斷加大，二次襯砌結(jié)構(gòu)耐久性問題逐漸突出，甚至危及高速列車的運行安全，如日本新干線已發(fā)生了多起因隧道二次襯砌混凝土掉塊中斷行車事故隧道二次襯砌裂縫的種類隧道襯砌混凝土裂縫按其產(chǎn)生原因可分為結(jié)構(gòu)性裂縫及非結(jié)構(gòu)性裂縫2類結(jié)構(gòu)性裂縫：由外荷載(靜、動荷載)直接應力引起的裂縫和次應力引起的裂縫。非結(jié)構(gòu)性裂縫:由變形引起的裂縫。據(jù)國內(nèi)外調(diào)查資料表明,隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫屬于荷載引起的結(jié)構(gòu)性裂縫約占20%;屬于變形變化引起的非結(jié)構(gòu)性裂縫則高達占80%左右,其中以收縮裂縫為主導如何提高混凝土的抗裂性能呢？方法之一：選用鋼纖維、聚丙烯纖維單摻及混摻等方式鋼纖維20世紀70年代以來，鋼纖維由于其較為顯著的抗裂效果，在工程界得到廣泛的認可和應用。但是鋼纖維易銹蝕，重量大，易結(jié)團，易損傷攪拌機器，有磁性干擾、價格高，而且鋼纖維由于比重相對大而回彈率較高。因此，工程界試圖用能克服鋼纖維缺陷的其他纖維代替鋼纖維聚丙烯纖維

聚丙烯粗纖維是一種新型增強增韌材料，耐腐蝕性能好，重量輕，易分散，對攪拌機器無損傷，無磁性干擾，價格低等優(yōu)點，較好地克服了鋼纖維的缺點。

將粗、細聚丙烯合成纖維混雜使用既可以改善混凝土早期開裂問題，也可以提高硬化混凝土后期開裂性能，還能大幅度提高混凝土的抗彎拉韌性。未來的趨勢：多尺度聚丙烯纖維混摻纖維對混凝土力學性能的改善

纖維摻加在混凝土結(jié)構(gòu)中，對混凝土物理力學性能的改善作用，總體上可以歸結(jié)：阻裂、增強和增韌。1）阻裂作用：纖維對新拌混凝土早期和硬化后的收縮裂縫、由于承受荷載作用而產(chǎn)生的裂縫以及裂縫擴展產(chǎn)生阻礙作用2）增強作用：主要表現(xiàn)為抗拉強度的提高，同時彎拉強度、抗剪強度等也有不同程度的提高。3）增韌作用：指纖維對混凝土構(gòu)件在荷載作用下進入塑性變形階段甚至峰后應力階段后仍然能夠承受一定荷載的延性提高聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗素混凝土表面有較明顯的沉降裂縫，微細裂紋縱橫交錯，數(shù)量較多，基本上滿布整個試件表面。試件表面不平整。聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗單摻聚丙烯細纖維，微細裂紋分布均勻，試件表面比較平整聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗單摻聚丙烯粗纖維：表面有少量微裂紋出現(xiàn)，表面平整度一般聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗混摻聚丙烯粗細纖維：表面有極少微細裂紋出現(xiàn)，表面平整度好聚丙烯纖維混凝土抗裂性能試驗結(jié)論：細纖維在塑性態(tài)混凝土中能減少和抑制沉降裂縫和收縮裂縫,粗纖維有助于減少或抑制硬化混凝土中的干縮裂縫，從而產(chǎn)生協(xié)同作用。聚丙烯纖維混凝土抗拉性能試驗素混凝土試件A0斷面稍有不平，小部分粗骨料被拉斷，大部分粗骨料脫離粘接聚丙烯纖維混凝土抗拉性能試驗單摻粗纖維：斷面高低起伏，不平整，絕大多數(shù)纖維被拉斷，少數(shù)纖維被拔出，表明纖維與混凝土間粘結(jié)性能良好，粗骨料被拉斷和沿界面脫離粘接幾乎各占一半聚丙烯纖維混凝土抗拉性能試驗混摻粗細聚丙烯纖維：斷面稍微變得平整，大部分纖維被拉斷，小部分纖維被拔出，斷面可看到粗纖維被拔出后留有的孔洞聚丙烯纖維混凝土抗拉性能試驗結(jié)論：聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土的抗拉強度聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗采用四點彎曲試驗得到的素混凝土荷載-撓度曲線聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗單摻聚丙烯細纖維混凝土荷載-撓度曲線聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗單摻聚丙烯粗纖維混凝土荷載-撓度曲線聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗混摻聚丙烯粗細纖維混凝土荷載-撓度曲線包絡線面積大幅度增加！聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗

從彎曲韌性指標分析可知，細纖維能改善混凝土裂前抗彎韌性，粗纖維能改善混凝土裂后抗彎韌性，多尺度聚丙烯纖維對混凝土抗彎韌性改善比單摻粗、細聚丙烯纖維效果好。多尺度聚丙烯纖維的混摻，在不同受力階段分別發(fā)揮作用，從而有效提高混凝土的抗彎韌性。聚丙烯纖維混凝土抗彎性能試驗增韌機理：混凝土基體中摻入聚丙烯纖維后，數(shù)以千萬計的聚丙烯纖維三維亂向分布在混凝土中，束縛了裂縫，混凝土試件受彎時內(nèi)部微裂紋的開展就需克服聚丙烯纖維的銷栓作用，消耗能量。能有效提高復合材料的抗裂能力，達到纖維對混凝土的增強與增韌的目的?？偨Y(jié)

隨著越來越多修建的隧道