地鐵盾構管片用鋼纖維混凝土性能特征研究

趙宇石,周予啟,王少敏

(1.中建一局集團建設發展有限公司,北京 100102; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100102)

現代交通呈現多元化發展的趨勢，不再僅僅局限于陸上交通網絡的搭建，地下空間在交通運輸領域的利用比例也越來越大。以地鐵為代表的地下軌道交通具有大運力、無堵車風險等優勢，已逐漸成為大中型城市居民日常出行采用的主要交通工具。而地下軌道交通得以發展的重要載體是隧道的快速建設，這與施工技術的進步密不可分[1]。

盾構機械的產生以及施工技術的日趨成熟極大地推動了隧道建設。盾構法施工之所以在隧道建設中被廣泛使用，是因其具有施工安全性和機械化程度高、對地面交通影響小、施工不受天氣影響、產生振動對環境影響小等一系列的獨特優勢[2,3]。隧道襯砌管片支撐是保障盾構施工和隧道運營安全的重要措施，目前使用較多的是鋼筋混凝土管片。但混凝土本身是一種脆性材料，抗拉性能差，鋼筋混凝土預制管片在運輸和安裝等過程中極易發生破損、開裂等問題[4]。如果不能及時發現并進行相應處置，將嚴重威脅到隧道的結構安全，影響其抗滲性能等，最終表現為隧道的耐久性不足。

纖維這種材料一般都具有較好的韌性和抗拉性能，常應用于復合材料體系中，達到改善復合材料力學性質的目的。考慮到傳統鋼筋混凝土預制管片存在的一些不足，研究考察了鋼纖維對混凝土性能的影響，主要涉及鋼纖維混凝土的流動性、抗壓強度和抗拉強度等，希望對未來采用鋼纖維混凝土替代傳統鋼筋混凝土用于預制盾構管片提供一些參考。

1 原材料

該研究采用的原材料主要有碎石、砂子、膠凝材料、減水劑、水、鋼纖維等幾類。其中碎石和砂子均來自于黃石某碎石場，碎石的表觀密度為2.765 g/cm3，含泥量為0.7%，壓碎值為6.4%；砂子表觀密度為2.640 g/cm3，含泥量為0.8%，細度模數為2.8。用到兩種膠凝材料：水泥和粉煤灰。水泥采用中國葛洲壩集團水泥有限公司生產的PO 42.5級水泥；粉煤灰來自于鄖縣某建材公司，其細度為7.4%，需水量為93%，燒失量為4.3%。減水劑為聚羧酸減水劑，淡黃色液體，減水率約為25%。水為自來水。采用的鋼纖維平均直徑約為2 mm，平均長度約為30 mm，抗拉強度為920 MPa。

2 試驗方法

1)鋼纖維微觀特征分析。鋼纖維作為一種有別于混凝土常規組成的新材料，除了常規性能指標外，認識其微觀特征也非常重要。該研究采用顯微鏡分析了鋼纖維的顯微形態，從顯微形態特征方面解釋鋼纖維應用于混凝土體系的優勢。

2)鋼纖維混凝土的設計及制備。目前還沒有統一的方法指導鋼纖維瀝青混凝土的設計，文獻中常用的方法有二次合成法、組成摻入法等[5,6]。二次合成法的核心是將鋼纖維混凝土分成兩個部分：基準混凝土和鋼纖維水泥漿，分別對兩者進行配合比設計，再將兩者合拌制備成鋼纖維混凝土。該方法強調水泥漿對鋼纖維的包裹作用，避免鋼纖維表面因未被水泥漿充分包裹而導致纖維與混凝土基體粘結力不足的問題。因而該方法科學性較好，該研究中同樣采用二次合成法設計鋼纖維混凝土。共涉及鋼纖維體積摻量分別為2%、4%和6%的三種混凝土。

按照標準試驗方法研究鋼纖維摻量對混凝土的流動性、抗壓強度和抗拉強度的影響。鋼纖維混凝土的3 d、7 d和28 d抗壓強度和抗拉強度測試，采用的試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm。

3 結果與討論

鋼纖維顯微形貌如圖1(a)所示，可見對于不同的纖維段，其顯微形態并非完全一致，部分纖維段直徑明顯大于2 mm；即便是同一纖維段，不同區域的直徑也有區別。且部分纖維段外觀并非圓柱狀，而是呈現扁平狀。這說明鋼纖維在實際生產過程中，形態難以完全控制成一樣。但鋼纖維顯微形貌分析結果同樣表明，鋼纖維的表面呈現褶皺紋理，這有利于纖維與混凝土基體的粘結；此外，鋼纖維平均長度達到30 mm，且抗拉性能優越，因而理論上無論其在混凝土體系中是呈現交聯還是分散狀態，均可有效改善混凝土的抗拉、抗裂性能，如圖1(b)所示。

四種不同鋼纖維體積摻量的混凝土黏聚性和保水性均優良，對其進行坍落度試驗，四種鋼纖維混凝土的坍落度試驗結果如圖2所示，結果顯示鋼纖維對混凝土的流動性能影響顯著。具體來看，對于基準混凝土(鋼纖維體積摻量為0)，其坍落度約為110 mm，而鋼纖維的摻入則使混凝土坍落度變小，且混凝土坍落度的下降幅度隨著鋼纖維摻量的增加逐漸被放大。尤其當鋼纖維體積摻量超過2%時，相比基準混凝土，鋼纖維混凝土的坍落度下降了18%以上，鋼纖維混凝土的流動性變差。因此，為盡可能減小鋼纖維對混凝土流動性造成的不利影響，研究將鋼纖維的體積摻量控制在2%。

鋼纖維體積摻量為2%的混凝土強度試驗結果如圖3所示，總體來看，鋼纖維不同程度提高了混凝土的抗壓強度和抗拉強度。具體來看，鋼纖維的摻入使混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強度分別提高了22%、24%和27%；使混凝土3 d、7 d和28 d抗拉強度分別提高了31%、36%和38%。可見鋼纖維對混凝土抗拉強度的提高效果更顯著，由此也說明采用鋼纖維改性混凝土可有效改善混凝土的抗拉性能。而傳統的鋼筋混凝土盾構管片易發生破損、開裂等問題，從試驗結果來看，采用鋼纖維混凝土預制盾構管片可彌補傳統鋼筋混凝土管片存在的不足。

4 結 論

針對傳統的鋼筋混凝土盾構管片易發生破損、開裂等問題，該研究探討了鋼纖維混凝土的流動性及力學性能特征。結果表明，鋼纖維對混凝土的流動性產生不利影響，為保證鋼纖維混凝土的流動性能，應控制鋼纖維的用量，該研究選用2%的鋼纖維摻量(在混凝土中的體積占比)；鋼纖維可有效提高混凝土的抗壓強度和抗拉強度，對混凝土抗拉強度的改善效果更顯著。受試驗條件的限制，以及考慮到足尺試驗成本大，該研究并未從管片角度對比研究鋼筋混凝土盾構管片和鋼纖維混凝土盾構管片的性能，這是今后試驗條件成熟后將進一步開展的工作。