低水化熱纖維增強襯砌混凝土性能研究

王連華

(中鐵二十三局集團第四工程有限公司，四川 成都 610072)

實際調研發現，隧道現澆襯砌混凝土結構開裂、滲漏及侵蝕問題突出。羅斌[3]調研了新疆下坂地水利樞紐工程地下洞室襯砌混凝土工程，認為表面裂縫和貫穿整個厚度的裂縫是工程早期病害的主要形式。崔凌秋等[4]認為滲漏與冰凍是常見的寒區隧道病害，長期以來一直困擾著我國北方寒冷地區公路隧道的安全運營。翁璧石等[5]調研了多座既有鐵路隧道襯砌混凝土病害情況，發現硫酸鹽侵蝕造成襯砌混凝土結構出現酥松、軟化、剝落等劣化現象，從而影響隧道襯砌結構的整體承載力。

目前正在建設的廣州深(圳)—茂(名)鐵路沿線有多座隧道，為確保鐵路的長期安全運營，項目組針對襯砌混凝土展開了專項研究，通過配合比優化設計及纖維增強技術，降低襯砌混凝土的水化熱，提升襯砌混凝土結構的抗裂性能及耐久性能。

1 試驗原材料及方法

1.1 原材料

水泥為海螺水泥廠生產的P.O 42.5水泥，主要性能指標見表1。礦物摻合料：粉煤灰采用陽西海濱電力生產的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的硅灰。化學成分見表2。粗集料為5～16 mm連續級配石灰巖碎石，壓碎值9.4%，針片狀顆粒含量3.8%；細集料為天然河砂，細度模數2.84，含泥量0.5%。纖維為端鉤型鋼纖維、鍍銅短細鋼纖維、聚乙烯醇(PVA)纖維，不同纖維物理力學性能見表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 礦物摻合料的化學成分 %

表3 不同纖維物理力學性能

圖1 不同種類纖維外觀

1.2 試驗方法

按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》[6]進行混凝土工作性能測試。依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[7]進行混凝土的成型、養護及力學性能測試，立方體試件邊長150 mm。依據CECS 13—2009《纖維混凝土試驗方法標準》[8]進行纖維混凝土的彎曲韌性試驗。依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[9]進行混凝土收縮、早期抗裂性能試驗及鹽凍試驗。鹽凍試驗采用快凍法，試件為邊長100 mm，高400 mm的棱柱體，凍融時的溫度范圍為-15～10 ℃，每個循環在4 h內完成，每50次循環測試試件的質量和動彈性模量，并更換凍融介質，保證介質濃度穩定。采用TAM Air水泥水化熱測量儀對膠凝材料的水化放熱進行測試。

2 試驗結果分析

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構設計采用模筑C40混凝土，因此以C40混凝土為基準進行配合比試驗。確定基準配合比為水泥∶砂∶石∶水=440∶772∶1 066∶158。為降低混凝土的水化熱和開裂風險，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、微集料效應和形態效應[10]，可發揮物理減水作用。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。當摻量為40%時混凝土保水性差。粉煤灰作為一種硅鋁質火山灰材料，其早期的反應活性遠遠低于礦粉和硅灰，當其摻量為40%時相比B1組(基準混凝土)，3 d水化放熱量降低了23%，28 d抗壓強度降低了16%，放熱速率峰值出現時間延長了近4.4 h，這將顯著降低混凝土的開裂風險，但也因此降低了混凝土的早期抗壓強度。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活性，消耗了富集在過渡區的大晶粒 Ca(OH)2，改善了過渡區微結構，提高了混凝土的抗壓強度，但其需水量高會降低混凝土的流動性能。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時間提前。這些會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生成的Ca(OH)2發生火山灰反應，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揮。礦粉的摻入略微降低了混凝土的水化熱，摻量20%時3 d水化放熱量降低4%，對混凝土的強度影響不大。

綜合考慮，為減少混凝土水化放熱量，降低由于溫度應力帶來的開裂風險，礦物摻合料選擇粉煤灰，最優摻量為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，從而提高了襯砌結構的早期安全性。選用市面常見的端鉤型鋼纖維、鍍銅短細鋼纖維及PVA纖維，在配合比B3的基礎上進行纖維增強，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：纖維種類列括號內數據為纖維體積摻量。

1)力學性能及體積穩定性能

鋼纖維摻入混凝土后在混凝土內亂向分布，約束了混凝土受壓時的橫向變形，推遲了破壞過程，一定程度上提高了混凝土的抗壓強度。由表6可知：隨著鋼纖維摻量提高，抗壓強度增大，28 d抗壓強度提高幅度在5%～14%，而PVA纖維的摻入導致混凝土結構內部孔隙增多，密實度降低，略微降低襯砌混凝土抗壓強度。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。

與鍍銅短細鋼纖維相比，端鉤型鋼纖維由于兩端帶彎鉤分散性較差。當端鉤型鋼纖維摻量為1.0%時會大大降低工作性能，增加混凝土堵管的風險，因此，端鉤型鋼纖維最優摻量為0.7%。

2)彎曲韌性

采用MTS公司生產的MTS505.90型電液伺服疲勞測試系統，對以上配合比進行彎曲韌性測試。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)計算圖如圖2所示。圖中：δ為OB間撓度值。I20=SOAGH/SOAB，測試結果見表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。鋼纖維主要通過機械咬合和物理黏結將混凝土的破壞形式由脆性破壞變為延性破壞[11]。端鉤型鋼纖維在受拉拔出時兩端彎鉤存在被拉直的過程，產生較大的拔出荷載，因此，其韌性提升效果優于鍍銅短細鋼纖維。

圖2 纖維彎曲韌性計算圖

表7 不同配合比混凝土彎曲韌性

3)平板抗裂性能

平板抗裂試驗結果見表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，纖維可分擔混凝土初期受到的收縮應力，限制裂縫的產生和擴展。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 平板抗裂試驗結果

2.3 纖維增強對襯砌混凝土耐久性能的影響

為探究纖維增強對襯砌混凝土耐久性能的影響，在混凝土凍融試驗的基礎上，采用10%NaCl溶液作為凍融介質，研究不同配合比混凝土在凍融+侵蝕性環境中的耐久性能。結果見圖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溶液侵蝕和凍融環境下普通混凝土摻入粉煤灰后，由于粉煤灰發生火山灰反應使混凝土內部結構密實，前100次循環受到的破壞較小，當超過150次循環后混凝土開始破壞，300次循環后混凝土結構已接近失效，表面出現部分剝落，質量損失率較大。摻入纖維后混凝土表現出較強的抵抗凍融和侵蝕的能力。由于鋼纖維的強度和彈性模量高于混凝土，摻入混凝土中可發揮其增韌、阻裂作用，使混凝土表現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。

3 結論

1)摻入粉煤灰會大幅降低襯砌混凝土的水化熱，延緩放熱速率峰值出現時間，并具有物理減水作用，提高襯砌混凝土的工作性能，但會影響其早期力學性能，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于鍍銅短細鋼纖維。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，抗鹽凍性能明顯優于不摻纖維的混凝土。

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[2]王柳.凍融與腐蝕復合作用下煤矸石噴射混凝土耐久性演化規律[J].鐵道建筑，2017，57(1):151-155.

[3]羅斌.地下洞室襯砌混凝土裂縫分析及預防措施[J].水利水電技術，2012，43(10):28-29.

[4]崔凌秋，呂康成，王潮海,等.寒冷地區隧道滲漏與凍害綜合防治技術探討[J].現代隧道技術，2005，42(5):22-25.

[5]翁璧石，李小坤，龍廣成,等.硫酸鹽環境下鐵路隧道結構襯砌混凝土病害調查及分析[J].鐵道科學與工程學報，2010，7(3):91-94.

[6]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 50080—2016 普通混凝土拌合物性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社,2017.

[7]中華人民共和國建設部，國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 50081—2002 普通混凝土力學性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社,2003.

[8]中國工程建設標準化協會.CECS 13—2009 纖維混凝土試驗方法標準[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[9]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 50082—2009 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準[S].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[10]劉曉龍，羅翥，田波,等.Ⅱ級粉煤灰摻量對混凝土放熱性能和抗壓強度影響的試驗研究[J].鐵道建筑，2015，55(5):166-169.

[11]孫建新.RPC130活性粉末混凝土的配制及工程應用[J].鐵道建筑，2017，57(9):148-150.