水工隧洞襯砌用改性纖維增強混凝土的性能研究

項小勇

(吉安市螺灘水利水電中心，江西 吉安 343060)

鉆爆法是較經濟的隧洞開挖方式，選擇隧洞施工方法時必須考慮周邊環境條件和地面條件的限制。噪聲、振動、對現有基礎設施的影響和環境問題是隧洞建設的典型問題[1]。盾構掘進隧洞通常使用鋼或混凝土分段進行隧洞支撐，最初僅使用鋼制管片，隨著混凝土性能的提升，與鋼襯相比，鋼筋混凝土節段襯砌由于其較強的耐腐蝕性和較佳的成本效益而被廣泛使用[2-3]。研究表明，鋼纖維增強混凝土管片襯砌比典型的鋼筋混凝土管片襯砌具有更好的性能[4]。然而，由于鋼筋易腐蝕，鋼纖維混凝土節段襯砌的耐久性仍待進一步研究。對于鋼筋的腐蝕問題，常用兩種解決措施：①通過壓實混凝土來提高抗滲透性；②使用非腐蝕性增強材料。同月蘋[5]研究了非腐蝕性聚烯烴基合成纖維和混合纖維代替混凝土管片襯砌中常用的鋼纖維和鋼筋，其具有更高的沖擊靜態強度，在海洋結構、噴射混凝土和隧洞襯砌中進行應用。然而，由于纖維在纖維鋼筋混凝土中的分散性較差，導致節段混凝土襯砌性能不佳，隨著纖維體積分數的增加，流動性降低。謝天逸[6]研究了乳膠和高爐礦渣對襯砌混凝土的抗透水性能的影響，指出乳膠可使纖維分散更均勻，增強鋼筋混凝土的流動性，改善了襯砌混凝土的抗透水性，生成的硅酸鈣水合物凝膠改善孔隙系統，進而提高抗硫酸鹽和氯離子滲透性。

本文研究了改性管片纖維混凝土的性能，纖維由合成聚烯烴纖維組合而成，分析了隧洞襯砌混凝土的抗壓強度、氯離子滲透性、沖擊強度和耐磨性，為節段混凝土襯砌的宏觀和微觀內部裂縫的形成提供理論支撐。

1 工程背景

某水工隧洞長7000余m，外徑3.6m。由預制管片制成的襯砌厚度為40cm，隧洞內徑為2.7m，如圖1所示。襯砌環采用4個不同的管片，節段的平均長度為1800mm，寬度為1200mm。節段的內表面包括2個螺栓開口，用于將螺栓固定在襯圈節段之間。此外，節段的側面有塑料插座，用于不同環之間的接頭，如圖2所示。

圖1 隧洞橫截面示意圖(單位：cm)

圖2 分段隧洞襯砌示意圖(單位：cm)

2 試驗

2.1 試驗原材料及配合比

本研究采用硅酸鹽水泥，其3d抗壓強度為19.8MPa，7d抗壓強度為29.4MPa，28d抗壓強度為37.6MPa。為了提高混凝土的耐久性能，添加了高爐礦渣細顆粒，其化學成分SiO2、Al2O3、CaO、MgO占比分別為32.8%、14.1%、41.8%、6.5%。粗骨料的最大粒徑為25mm，比重為2.83，24h吸水率為0.36。細骨料的堆積密度為2.54g/mm3，細度模數為2.68。對于增強纖維，使用成束型鋼纖維，長度為25mm，直徑為0.5mm。聚烯烴基合成改性纖維為聚丙烯和聚乙烯結合的單絲纖維，長度為25mm，直徑為1mm。在本研究中，由于纖維增強導致隧洞襯砌混凝土的初始流動性較低，加入丁二烯-苯乙烯共聚物膠乳用于提高混凝土的耐久性和初始流動性，其固體含量為50%，丁二烯與苯乙烯含量比值為7∶3，pH值為10.8。

本試驗設置纖維體積分數為0、0.5%、1.0%、1.5%，礦渣取代率為30%的改性纖維增強混凝土，研究改性纖維增強混凝土在隧洞襯砌應用中的力學性能和耐久性。具體各摻合料摻量和水灰比見表1。

表1 隧洞襯砌用改性纖維增強混凝土試件配合比 單位：kg/m3

2.2 試驗方法

根據混凝土物理力學性能試驗方法標準(GBT 50081—2019)測試了改性纖維增強管片混凝土的抗壓強度、抗折強度和氯離子滲透性，進行了抗沖擊性和耐磨性試驗，以評估改性纖維增強混凝土用于隧洞襯砌中的的耐久性能。抗壓試件尺寸為150mm×150mm×150mm，在萬能試驗機中以恒定速度加載，直到失效。抗折試驗采用150mm×150mm×550mm的標準棱柱體試件。氯離子滲透試驗試件尺寸為圓柱形試樣，直徑為100mm，長度為200mm。抗沖擊性能試驗尺寸直徑為150mm，長度為60mm。耐磨性能試驗試件直徑為150mm，長度為300mm的圓柱形試樣，養護至28d。

3 結果和討論

3.1 力學性能

圖3為不同摻量改性纖維混凝土的抗壓強度結果。在不同纖維類型和摻量的情況下，各組混凝土的抗壓強度均在35MPa以上。通過研究纖維摻量對改性纖維增強襯砌混凝土的抗壓強度的影響，對比使用聚烯烴合成纖維代替鋼纖維在隧洞襯砌混凝土的應用。由圖3可以看出，含有鋼纖維和合成纖維的混凝土試件顯示出相似的抗壓強度，纖維類型及纖維摻量對抗壓強度的影響很小。未摻任何纖維的對照組混凝土的抗壓強度為35.6MPa，在鋼纖維摻量為25k、50、75kg/m3時，鋼纖維增強混凝土分別為未摻纖維混凝土抗壓強度的1.01、1.04、1.06倍。在聚烯烴合成纖維摻量為2.5、5.0、7.5kg/m3時，聚烯烴合成纖維增強混凝土分別為未摻纖維混凝土抗壓強度的1.00、1.02、1.05倍，表明聚烯烴合成纖維可以取代鋼纖維，避免隧洞襯砌鋼筋混凝土結構中鋼纖維腐蝕的情況。改性纖維增強隧洞襯砌混凝土的抗壓強度隨著纖維摻量的增加而增加。通常，由于纖維的分散性較差，混凝土的流動性隨著纖維摻量的增加而降低，使抗壓強度降低。本文試驗中向混凝土拌合物中加入膠乳，提供了足夠的流動性，增加其分散性。由圖3中可知，隨著高爐礦渣的摻入，改性纖維增強混凝土的抗壓強度隨之減低，但降低幅度較小。

圖3 抗壓強度

在隧洞襯砌應用中，混凝土在荷載作用下的抗折強度和抗壓強度均為衡量其力學性能的重要指標。圖4顯示了不同摻量改性纖維混凝土的抗折強度結果。抗折強度隨著纖維摻量的增加而增加，在鋼纖維摻量從25kg/m3增加至50kg/m3和75kg/m3時，鋼纖維增強混凝土的抗折強度增加了6.3%和14.6%。在聚烯烴合成纖維摻量從2.5kg/m3增加至5.0kg/m3和7.5kg/m3時，聚烯烴合成纖維增強混凝土的抗折強度增加了5.9%和11.8%。未摻任何纖維的對照組混凝土的抗折強度為4.7MPa，聚烯烴合成纖維增強隧洞襯砌混凝土抗折強度的效應大于鋼纖維，在相同的摻量下，聚烯烴合成纖維增強隧洞襯砌混凝土的抗折強度更高。分析其原因，聚烯烴合成纖維密度相對較低，單位體積的纖維數量高。抗折強度試驗結果表明，聚烯烴合成纖維可以替代鋼纖維。隧洞襯砌混凝土中高爐礦渣含量的增加降低了混凝土的抗折強度。摻入140kg/m3高爐礦渣較未摻高爐礦渣的的鋼纖維混凝土的抗折強度低3.2%～7.3%。摻入140kg/m3高爐礦渣較未摻高爐礦渣的的聚烯烴合成纖維增強隧洞襯砌混凝土的抗折強度低3.5%～6.2%。高爐礦渣是一種火山灰材料，細顆粒延緩了混凝土強度的發展，因此，抗折強度降低。

圖4 抗折強度

3.2 耐久性能

圖5顯示了含有鋼纖維和聚烯烴合成纖維的混凝土的氯離子滲透試驗結果。在摻入高爐礦渣細顆粒的隧洞襯砌混凝土試件中，由于細顆粒填充了混凝土基質的微孔，使混凝土的平均氯離子滲透率降低。高爐礦渣顆粒提高了隧洞襯砌混凝土的抗氯離子滲透性，但降低了初始抗壓強度。在摻有鋼纖維和聚烯烴合成纖維的混凝土中，抗氯離子滲透性能隨著鋼纖維和聚烯烴合成纖維摻量的增加而提高。聚烯烴合成纖維在增強混凝土抗滲性能方面優于鋼纖維。

圖5 平均氯離子滲透率

圖5為含有鋼纖維和聚烯烴合成纖維混凝土的抗沖擊性能試驗和耐磨性試驗結果。由圖中可以看出，摻入纖維有助于吸收沖擊能量，隧洞襯砌混凝土試件在受到沖擊破壞過程中，鋼纖維通過一系列復雜的拔出、脫粘、橋接和斷裂等行為提高混凝土的抗沖擊能力[7]。同時，摻入聚烯烴合成纖維的混凝土試件比沒有摻入增強纖維的對照組混凝土具有更好的抗沖擊性。聚烯烴合成纖維的摻入抑制了隧洞襯砌混凝土內部裂紋的形成，從而提高了能量吸收能力和抗沖擊性。觀察抗沖擊試驗后混凝土試件的表觀形態，含增強纖維的改性纖維隧洞襯砌混凝土只出現少量微裂紋，而不含增強纖維的對照組混凝土在30MPa的設計強度情況下出現較多顯著的微裂紋。鋼纖維混凝土和聚烯烴合成纖維混凝土較無纖維混凝土的平均抗沖擊次數高出47.6%和128.6%。

隧洞襯砌混凝土的耐磨性為聚烯烴合成纖維混凝土>鋼纖維混凝土>無纖維混凝土。纖維在隧洞襯砌混凝土磨損過程中可有效抵抗混凝土粉末和碎片的分離，抑制了混凝土表面因磨損而產生的宏觀裂紋，從而提高了耐磨性[8]。由圖6可知，鋼纖維混凝土和聚烯烴合成纖維混凝土較無纖維混凝土的平均磨損量低17.1%和25.7%。觀察耐磨試驗后混凝土試件的表觀形態，含有聚烯烴合成纖維和鋼纖維的混凝土試件的表面磨損比對照組混凝土小。

圖6 平均抗沖擊性能和平均磨損量

對比不同的纖維類型，評估隧洞襯砌混凝土的力學性能和耐久性，聚烯烴合成纖維的應用表現出最佳的性能。聚烯烴合成纖維可有效地同時抑制混凝土中的微裂紋和宏觀裂紋，從而提高混凝土的力學性能和耐久性。在本研究中，與無纖維的普通隧洞襯砌混凝土和無聚烯烴合成纖維的混凝土相比，混凝土的抗壓強度、抗折強度、滲透性、抗沖擊性和耐磨性都有所提高。綜上，在隧洞襯砌混凝土中加入聚烯烴合成纖維來抑制微裂紋的產生和生長，可提高隧洞襯砌混凝土的綜合性能。

4 結語

本文通過實驗研究隧洞襯砌用乳膠改性聚烯烴合成纖維混凝土的力學性能和耐久性。得到結論如下：

(1)含有鋼纖維和聚烯烴合成纖維的混凝土試件顯示出相似的抗壓強度，纖維類型及纖維摻量對抗壓強度的影響很小。

(2)纖維混凝土的抗折強度隨著纖維摻量的增加而增加，在相同的摻量下，聚烯烴合成纖維隧洞襯砌混凝土的抗折強度更高。

(3)在摻有鋼纖維和聚烯烴合成纖維的混凝土中，抗氯離子滲透性能隨著纖維增加而提高。聚烯烴合成纖維在增強混凝土抗滲性能方面優于鋼纖維。

(4)聚烯烴合成纖維的摻入有效地控制了隧洞襯砌混凝土的宏觀和微觀裂紋的形成，是一種可行的替代鋼纖維的材料，可嘗試用于隧洞襯砌混凝土。