纖維泡沫混凝土在隧道抗震過程中的應(yīng)用

摘要：在泡沫混凝土中摻加4種纖維，進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)。結(jié)果表明：纖維泡沫混凝土最大抗壓強(qiáng)度較普通泡沫混凝土提高36.1%。隨纖維摻量的增加，泡沫混凝土強(qiáng)度呈先增大后減小的規(guī)律。摻入纖維可使泡沫混凝土的彈性模量最大提升310%。方差分析顯示，纖維長度是泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素，而泡沫混凝土的彈性模量主要受纖維摻量和纖維種類的影響。有限元建模分析結(jié)果顯示：使用玄武巖纖維泡沫混凝土作為減震層，可以使襯砌應(yīng)力減小8.7%～15.9%。

關(guān)鍵詞：隧道工程； 玄武巖纖維； 聚丙烯纖維； 泡沫混凝土； 抗震； 室內(nèi)試驗(yàn)

中國分類號(hào)：U455.91A

［定稿日期］2022-04-15

［作者簡(jiǎn)介］陳斌（2001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；王一帆?001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；郭禮昱（2001—），女，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；楊友杰?001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；劉梓城?001—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>

［通信作者］王耀達(dá)（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)樗淼兰暗叵鹿こ淘O(shè)計(jì)理論。

0 引言

山嶺隧道由于受到巖體約束，一直被認(rèn)為相較于地面結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，因而在較長時(shí)期內(nèi)，對(duì)隧道震害問題遠(yuǎn)不如地面結(jié)構(gòu)那樣受到重視。但是隨著隧道震害的頻繁出現(xiàn)以及隧道數(shù)量的增多，隧道地震動(dòng)力響應(yīng)研究受到學(xué)者廣泛的重視，尤其是1995年日本阪神地震［1］、1999年土耳其地震［2］、2008年汶川地震［3］后，隧道地震動(dòng)力響應(yīng)研究出現(xiàn)了前所未有的熱潮，我們需要研究新型材料對(duì)隧道工程的抗震性能提高的材料參數(shù)作出進(jìn)一步研究。

泡沫混凝土作為一種新型建筑材料［4-6］，相較于普通混凝土具有質(zhì)量輕、隔聲效果良好、施工性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。趙武勝等［7-9］學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)使用泡沫混凝土作為隧道減震層材料，可以有效降低隧道襯砌單元的應(yīng)力及塑性破壞區(qū)的大小。但泡沫混凝土也具有抗壓強(qiáng)度較低、易收縮干裂等缺陷，這些缺陷降低了其適用性，阻礙了泡沫混凝土在工程實(shí)際中進(jìn)一步應(yīng)用，因此，眾多學(xué)者提出在泡沫混凝土中摻加纖維以提高其力學(xué)性能。張雪松等［10］指出泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨著聚丙烯纖維摻量增加呈先提高后降低趨勢(shì)，張偉等［11］指出玄武巖纖維增強(qiáng)泡沫混凝土的最大抗壓強(qiáng)度，詹炳根等［12］等研究了不同摻量、長度條件下混雜纖維對(duì)泡沫混凝土收縮開裂的影響。

在上述研究的基礎(chǔ)上，為增進(jìn)對(duì)纖維改善泡沫混凝土力學(xué)性能作用的了解，分析纖維泡沫混凝土在隧道抗減震方面的作用。本文選用了玄武巖纖維與聚丙烯纖維作為對(duì)比，通過設(shè)計(jì)纖維的摻量與纖維長度澆筑試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)分析，由此建立模型，來評(píng)估纖維對(duì)力學(xué)性能的改善作用，以模擬工程實(shí)際中關(guān)于抗減震性能的應(yīng)用效果，以此為我國今后重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的抗震技術(shù)提供部分參考。

1 高性能泡沫混凝土的制備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)中，水泥使用四川拉法基PO42.5水泥，并且摻加了一定比例的粉煤灰；摻加的纖維為湖南長沙匯祥纖維生產(chǎn)的玄武巖纖維（圖1）和聚丙烯纖維（圖2），其性能指標(biāo)見表1和表2，水為普通自來水。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)所有試件設(shè)計(jì)干密度均為800 kg/m3，摻加25%的粉煤灰。發(fā)泡時(shí)采用的發(fā)泡劑與水之比為1∶40。實(shí)驗(yàn)中共設(shè)計(jì)5種基本工況（表3），各工況配合比如表4所示。用以探究纖維的種類、長短以及摻量對(duì)泡沫混凝土力學(xué)性能和物理性質(zhì)的影響。

1.3 試件生產(chǎn)流程

泡沫混凝土制備流程如圖3所示。由于泡沫混凝土的力

學(xué)性能與其生產(chǎn)過程密切相關(guān)，因此泡沫發(fā)泡過程中選用均勻、綿密、細(xì)小的泡沫，應(yīng)當(dāng)控制攪拌速度不宜過快使泡沫破碎，澆注時(shí)應(yīng)分3層澆筑，并在每層澆筑完成后用搗棒振搗嚴(yán)實(shí)，澆筑完成后將試件表面刮平并用保鮮膜覆蓋。

2 高性能泡沫混凝土的物理力學(xué)指標(biāo)測(cè)試

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)

所有試件尺寸相同，均為50 mm×100 mm。養(yǎng)護(hù)條件、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和測(cè)定儀器也均相同，以此將外部條件的影響降到最低。壓縮時(shí)采用位移控制，以10 mm/s的垂直加載速率對(duì)泡沫混凝土試件進(jìn)行施壓，混凝土試件的應(yīng)變由應(yīng)變片測(cè)得，達(dá)到儀器判斷的破壞點(diǎn)或出現(xiàn)明顯破壞時(shí)卸載（圖4）。

2.2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

經(jīng)試驗(yàn)得出工況0的抗壓強(qiáng)度為5.34 MPa、彈性模量為1.45 GPa。其余工況下混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨纖維摻量改變的變化如圖5、圖6所示。各工況的試件實(shí)測(cè)密度如表5所示。各工況試件最大抗壓強(qiáng)度、最大彈性模量如表6、表7所示。

從圖5可見，對(duì)于工況1和工況3的混凝土試件，其抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的增加，先增大到最高點(diǎn)后減小并波動(dòng)。摻入纖維過多時(shí)（摻量大于1.2%），纖維的分散性不好，泡沫混凝土強(qiáng)度隨著摻量的增多有波動(dòng)，但均未超過最大抗壓強(qiáng)度。如表6所示，在工況1條件下?lián)饺?.3%纖維時(shí)，泡沫

混凝土試件的28d抗壓強(qiáng)度最高，較工況0抗壓強(qiáng)度提升了36.1%。工況2和工況4條件下泡沫混凝土的強(qiáng)度提升不大，相對(duì)于工況0的最大提高比例分別為6.4%、5.4%。從圖5可見，工況2和工況4條件下泡沫混凝土試件強(qiáng)度相對(duì)于工況0的提升均不理想，甚至?xí)乖九菽炷恋目箟簭?qiáng)度下降。這是由于12 mm的纖維過長，在混凝土中易成團(tuán)、分散性差，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、孔隙多，纖維團(tuán)和水泥的粘結(jié)力小，強(qiáng)度有時(shí)反而下降。同時(shí)對(duì)于工況4，其試件強(qiáng)度在摻量大于0.6%時(shí)均低于工況2下試件強(qiáng)度。這是由于聚丙烯纖維密度僅為玄武巖纖維的1/3～1/4，相同質(zhì)量摻量下，其體積摻量遠(yuǎn)大于玄武巖纖維。纖維摻量過多時(shí)，也會(huì)使混凝土試件強(qiáng)度下降 。6 mm聚丙烯纖維對(duì)泡沫混凝土的強(qiáng)度增強(qiáng)的效應(yīng)差于6 mm玄武巖纖維但好于12 mm的玄武巖和12 mm聚丙烯纖維。

從以上分析與圖5可見，摻入一定量、一定長度的纖維可使泡沫混凝土強(qiáng)度提升，這是由于混凝土硬化前，纖維單絲分擔(dān)了部分收縮能量，減少了微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增加了材料的抗拉強(qiáng)度；加荷載時(shí)，混凝土內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)很多裂縫。裂縫產(chǎn)生時(shí)，纖維承擔(dān)了部分荷載，抑制了微裂縫的發(fā)展，因此纖維的摻入可增加混凝土的抗壓強(qiáng)度［13］。但摻入纖維過多或摻入纖維量過少時(shí)強(qiáng)度都會(huì)下降。這是當(dāng)纖維摻加量較少時(shí)，不能在泡沫混凝土內(nèi)部形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)用以支撐整個(gè)漿體材料，反而破壞了漿體中的泡沫結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致泡沫混凝土的強(qiáng)度降低［14］。纖維摻量過多時(shí)，導(dǎo)致纖維在漿體中的分散性不好，嚴(yán)重破壞了漿體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部孔隙增加，強(qiáng)度下降。

從圖6、表7可見，摻入纖維對(duì)混凝土試件彈性模量的提升具有明顯的效果。這是因?yàn)槔w維可以承受部分拉力，而混凝土抗拉能力極差，相同荷載下纖維減少了混凝土的變形，提高了整體的彈性模量。同時(shí)，工況1、工況2的泡沫混凝土試件彈性模量明顯高于摻入工況3、工況4的泡沫混凝土，可見玄武巖纖維對(duì)于提升泡沫混凝土彈性模量的作用優(yōu)于聚丙烯纖維，本次試驗(yàn)中，提高泡沫混凝土彈性模量效果最好的為工況1條件下?lián)饺?.5%纖維的泡沫混凝土，其彈性模量為5.95 GPa，相比工況0提升了310%。泡沫混凝土摻入纖維來提升彈性模量效果較好。

2.3 試件破壞形態(tài)

試件的幾種典型破壞形態(tài)見圖7和圖8，在同樣單軸壓縮的條件下，試件出現(xiàn)幾種典型的破壞形態(tài)，圖7（a）、圖7（b）均為剪切破壞，有著明顯的剪切破壞面，區(qū)別在于前者剪切面貫穿整個(gè)試件，而后者的剪切面僅貫穿上部；圖7（c）和圖8為膨脹破壞，兩者都向外隆起，區(qū)別在于未摻纖維的試件產(chǎn)生較寬裂縫，同時(shí)局部混凝土剝落較多，摻纖維的試件僅產(chǎn)生細(xì)小裂縫，混凝土剝落數(shù)量也明顯減少；圖7中（d）為試件的橫向拉伸破壞，有一條明顯的縱向裂縫。

摻纖維試件破壞截面見圖9，纖維在試件內(nèi)部分布較為均勻，可明顯看出有許多混凝土碎塊雖已從試件上脫落，但其仍通過纖維與試件連成一體。

2.4 無交互三因素方差分析

為對(duì)比本實(shí)驗(yàn)中的3個(gè)可控因素：纖維摻量、纖維種類、纖維長度對(duì)纖維泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響的顯著性，探究材料力學(xué)指標(biāo)的主要影響因素，建立了無交互作用的三因素方差分析模型，并采用SPSS軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

由表9數(shù)據(jù)顯示，F(xiàn)C≈13.115gt;F0.95（1，22）=4.30gt;FB≈0.774，F(xiàn)A≈0.106lt;F0.95（7，22）=2.46。這說明纖維長度是纖維泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的顯著影響因素，而纖維摻量和纖維種類對(duì)泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的影響不顯著。從表10中得到，F(xiàn)B≈8.778gt;F0.95（1，22）=4.30gt;FC≈0.689，F(xiàn)A≈3.737gt;F0.95（7，22）=2.46。即證明，纖維摻量和纖維種類對(duì)纖維泡沫混凝土的彈性模量影響顯著，而纖維長度對(duì)纖維泡沫混凝土的彈性模量影響不顯著。

3 隧道減震層參數(shù)分析

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

為分析減震層對(duì)水平地震作用下隧道結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，建立如圖10所示的隧道模型，長30 m，寬6 m，高10 m，隧道埋深6 m，隧道斷面由圖11所示。隧道洞口段襯砌采用35 cm厚C50混凝土。本文通過對(duì)比設(shè)置15 cm厚的泡沫混凝土減震層與不設(shè)置減震層在地震動(dòng)情況下，沿隧道軸線在拱頂、仰拱、左拱腰、右拱腰設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)（圖11），根據(jù)上述得出的規(guī)律，減震層選用玄武巖和聚丙烯均為0.3 %的泡沫混凝土，減震層、襯砌和圍巖力學(xué)參數(shù)如表11所示。圖12為本次采用的地震動(dòng)時(shí)程。

3.2 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行減震效果的對(duì)比中，本文考慮地震過程中各監(jiān)測(cè)位置襯砌的應(yīng)力峰值。隧道各檢測(cè)位置最大、最小主應(yīng)力峰值如表12、表13所示。

通過表12和表13的對(duì)比，相較于最大壓應(yīng)力，添加減震層對(duì)隧道最大拉應(yīng)力的減小沒有顯著效果，在仰拱處，玄武巖減震層的減震效果最好，達(dá)到15.9%，而在拱頂隧道拱頂處，減震效果相對(duì)較差為8.7%，總體上0.3%的聚丙烯纖維減震效果略低于0.3%玄武巖纖維。

4 結(jié)論

（1）纖維的摻入對(duì)于泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量提升具有顯著效果，本文試驗(yàn)中最大提升分別為：36.1%、310%。同時(shí)，纖維可一定程度減少泡沫混凝土破環(huán)時(shí)的剝落現(xiàn)象。

（2）纖維長度是泡沫混凝土抗壓強(qiáng)度的主要影響因素，6 mm纖維對(duì)泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度提升效果好于12 mm纖維；泡沐混凝土的彈性模量主要受纖維摻量和纖維種類的影響，玄武巖纖維對(duì)泡沫混凝土彈性模量的提高效果好于聚丙烯纖維，本次試驗(yàn)中彈性模量最高試件的纖維摻量為1.5%。

（3）使用纖維摻量為0.3%的玄武巖纖維泡沐混凝土作為減震層，減震效果優(yōu)于聚丙烯，可以使襯砌應(yīng)力減小8.7%～15.9%。

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