徐 源，瞿家寶，陳陽利，顧興宇

(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇南京 210008;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇南京 210096)

隨著城市交通運(yùn)輸需求量的日益增長，我國許多大城市開始興建地下鐵道，越來越多的盾構(gòu)區(qū)間使用鋼筋混凝土管片。如北京、上海、廣州、南京等地鐵部分區(qū)間都采用盾構(gòu)隧道管片。

目前采用的盾構(gòu)管片以鋼筋混凝土管片為主，隨著工程應(yīng)用的增多，混凝土材料的脆性也讓其缺陷逐漸暴露出來。鋼筋混凝土管片在運(yùn)輸和安裝過程中邊緣容易破損和產(chǎn)生裂縫，特別是箱型管片，在盾構(gòu)千斤頂?shù)淖饔孟氯菀醉斄眩?］，發(fā)生滲漏和腐蝕現(xiàn)象，對隧道結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性產(chǎn)生不利影響。這就要求管片有足夠好的韌性、抗沖擊性、抗?jié)B性、耐腐蝕性等性能，這些都是盾構(gòu)法施工中較棘手但又必須解決的問題。

將纖維摻入水泥混凝土，可以改善其力學(xué)性能和脆性破壞特性，達(dá)到減少原生裂縫，提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度、韌性及抗沖擊性能的效果［1］。近年來，纖維混凝土管片在地鐵管片工程中已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的試驗(yàn)研究階段，如上海M6地鐵線建設(shè)了50 m的鋼纖維混凝土管片試驗(yàn)段，北京地鐵10號線已嘗試應(yīng)用混雜纖維混凝土管片技術(shù)［2］。玄武巖纖維是一種新型材料，具有天然的與混凝土的相容性、抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐高溫、抗裂性能好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，是其他材料的良好替代品［3］。作為新型高性能混凝土材料，玄武巖纖維水泥混凝土的性能須進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，探討材料性能的優(yōu)勢與不足。

1 原材料配比

1.1 原材料

膠凝劑:南京青龍牌P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，物理力學(xué)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

細(xì)集料:Ⅰ級河沙，細(xì)度模數(shù)3.2。

粗集料:Ⅰ級石灰?guī)r碎石，5～25 mm連續(xù)級配。

減水劑:萘系高效減水劑。

水:飲用自來水。

纖維:為對比研究水泥混凝土復(fù)摻玄武巖纖維后的增強(qiáng)性能，選用了18 mm和30 mm兩種長度的短切玄武巖纖維，并選取短切聚丙烯纖維作為對比。纖維主要物理參數(shù)與性能指標(biāo)見表1。

表1 纖維的物理參數(shù)與性能指標(biāo)

1.2 水泥混凝土配合比(表2)

由于聚丙烯纖維的常用體積率為0.1%［4］，且玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土在該纖維體積率下的增強(qiáng)效果明顯，故玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土采用相同的體積率(0.1%)。室內(nèi)試驗(yàn)各組混凝土的實(shí)測坍落度分別為40，45，45，30 mm，表觀質(zhì)量滿足要求。

表2 水泥混凝土配合比 kg/m3

1.3 試件成型

普通混凝土試件按照國家標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)和《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) CECS13:89》進(jìn)行制作，纖維混凝土試件的制作采用干拌法，如圖1所示。

圖1 纖維增強(qiáng)水泥混凝土的制作流程

2 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土性能試驗(yàn)研究

2.1 性能試驗(yàn)指標(biāo)

確定玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土材料性能的試驗(yàn)項(xiàng)目包括力學(xué)性能試驗(yàn)與耐久性能試驗(yàn)，并選擇代表性試驗(yàn)項(xiàng)目［5-7］。

1)力學(xué)性能試驗(yàn)

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)韌性試驗(yàn)(彎曲疲勞試驗(yàn))。

2)耐久性能試驗(yàn)

干縮試驗(yàn)、抗凍試驗(yàn)(快凍法)、抗?jié)B性試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)依據(jù)與方法

水泥混凝土落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)采用的是美國混凝土學(xué)會(huì)ACI-544推薦試驗(yàn)方法［8］;由于低摻量纖維混凝土F－δ曲線并沒有明顯的初裂點(diǎn)，常規(guī)的準(zhǔn)靜態(tài)韌性評價(jià)方法，如美國ASTM C1018標(biāo)準(zhǔn)及國內(nèi)CECS法無法適用。因此，本文水泥混凝土韌性試驗(yàn)采用彎曲疲勞試驗(yàn)，須專門設(shè)計(jì):首先確定水泥混凝土靜載極限彎拉強(qiáng)度，然后綜合考慮分別取0.75和0.85兩個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，循環(huán)荷載的加載模式與抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)相同，采用跨中三分點(diǎn)加載，循環(huán)最高荷載指定為對應(yīng)應(yīng)力水平乘以極限荷載，最低荷載為10%極限荷載，荷載波形為正弦波，頻率10 Hz，試驗(yàn)采用MTS試驗(yàn)機(jī)。其他試驗(yàn)均按照前述兩個(gè)規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

普通混凝土與纖維混凝土28 d齡期抗壓強(qiáng)度見圖2。

圖2 水泥混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，BFC-18組與PFC組抗壓強(qiáng)度較PC組提高不足5%，BFC-30抗壓強(qiáng)度下降6.3%，對于混凝土這一類復(fù)雜的混合物，強(qiáng)度值出現(xiàn)上述程度的浮動(dòng)，可認(rèn)為各組別水泥混凝土處于同一級強(qiáng)度水平，纖維對水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度作用并不顯著。

水泥混凝土受壓破壞特征主要為沿45°角的剪切破壞，隨著應(yīng)力的不斷增加，微裂紋逐漸擴(kuò)展為寬裂縫，水泥漿體與骨料剝離，并最終導(dǎo)致骨架體系的崩塌。摻入纖維后，漿體與骨料的粘結(jié)界面處纖維平行分布弱化粘結(jié)強(qiáng)度，另一方面也增加了局部孔隙，促使了破壞面的貫通，故纖維反而易削弱混凝土的抗壓性能。但從試驗(yàn)結(jié)果來看，纖維混凝土抗壓強(qiáng)度并沒有出現(xiàn)顯著的降低，BFC-18組與PFC組還顯現(xiàn)了一定的增強(qiáng)效果，可推測混凝土新拌時(shí)，纖維改善了和易性，使膠凝顆粒的水化反應(yīng)更完全，降低離析引起的細(xì)觀缺陷，并提高了混凝土骨架體系的穩(wěn)定性。

3.1.2 抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

普通混凝土與纖維混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

水泥混凝土抗彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相近，各組別水泥混凝土的抗彎拉強(qiáng)度處均在同一級水平上，纖維增強(qiáng)水泥混凝土組的抗彎拉強(qiáng)度相對素混凝土的浮動(dòng)范圍為－3.4% ～4.3%。

由于纖維摻量較低，且模量低于混凝土材料，纖維的增強(qiáng)作用會(huì)被混凝土材料的變異性所“掩蓋”，無法顯現(xiàn)纖維類型、纖維長徑比等因素對混凝土靜態(tài)強(qiáng)度性能的貢獻(xiàn)程度。

3.1.3 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)

普通混凝土與纖維混凝土落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

從表3可以看出，摻入纖維后水泥混凝土的抵抗沖擊破壞能力顯著提升，玄武巖纖維水泥混凝土組的全過程破壞沖擊能接近素混凝土的2倍，而初裂后破壞沖擊能達(dá)到素混凝土的4倍以上。其中，0.10%體積率玄武巖纖維混凝土的全過程破壞沖擊能均大于聚丙烯纖維，而且試件初裂和終裂的沖擊次數(shù)也遠(yuǎn)高于聚丙烯纖維，這說明玄武巖纖維比聚丙烯纖維更適宜提高水泥混凝土的抗沖擊破壞性能。

3.1.4 韌性試驗(yàn)

水泥混凝土彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表4。

從彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果可以看出，纖維混凝土耐受疲勞循環(huán)作用次數(shù)(即疲勞壽命)可達(dá)素混凝土的2～4倍。其中，18 mm玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土的疲勞壽命水平較高且變異性低于PFC組與BFC-30組，抗疲勞性能最優(yōu)，聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥混凝土次之，30 mm玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土優(yōu)于普通水泥混凝土。這表明，纖維能顯著提高混凝土的抗疲勞性能。纖維改善了水泥石微觀結(jié)構(gòu)，一方面數(shù)量龐大的纖維絲空間結(jié)構(gòu)對水泥石骨架起到了固定作用并增加應(yīng)變能的耗散，另一方面纖維橋接作用限制了混凝土微裂紋的擴(kuò)展，從而提高了混凝土的疲勞極限強(qiáng)度。

表4 小梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.1.5 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土的力學(xué)性能特征

三種纖維增強(qiáng)水泥混凝土的增強(qiáng)性能相類似，對水泥混凝土的靜態(tài)強(qiáng)度性能影響不顯著，而對混凝土材料抵抗動(dòng)荷載破壞能力均有顯著提高作用。對于玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土，超長纖維會(huì)影響分布取向，在一定程度上影響了混凝土的靜態(tài)強(qiáng)度性能，但其對混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的增強(qiáng)效果仍與聚丙烯纖維相當(dāng)。

水泥混凝土落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)與韌性試驗(yàn)結(jié)果表明纖維顯著改善了混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。一方面，纖維的摻入改變了混凝土內(nèi)部應(yīng)力傳遞的特征，纖維—基體界面成為混凝土能量耗散的集中區(qū)域;另一方面，微裂紋處的纖維橋接作用降低裂縫尖端應(yīng)力集中程度，控制了微裂紋的衍生與貫通，同時(shí)提高了混凝土的自愈能力。根據(jù)多個(gè)城市地鐵的調(diào)查，普通鋼筋混凝土管片的破損主要原因是沖擊力和拉應(yīng)力過大［9］，玄武巖纖維顯著提高混凝土抵抗沖擊破壞的能力，改善了混凝土脆性破壞的弱點(diǎn)，這對改善地鐵管片性能，提高隧道工程質(zhì)量具有重要作用與長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 干縮性試驗(yàn)

普通混凝土與纖維混凝土干縮性試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 水泥混凝土齡期—干縮率

從圖4可以看出，纖維對混凝土的自收縮起到了一定的抑制作用，尤其在混凝土硬化時(shí)期及強(qiáng)度發(fā)展早期較為顯著，7 d齡期聚丙烯纖維干縮率降低19.8%，后期干縮率雖較基準(zhǔn)混凝土仍有一定程度的降低，但并不顯著;同一摻量情況下，聚丙烯纖維與兩種玄武巖纖維(18 mm及30 mm)抑制混凝土收縮的作用相當(dāng)，聚丙烯纖維在早期稍微突出一些;兩種長度的玄武巖纖維對混凝土收縮的抑制作用幾乎無差別。

試驗(yàn)結(jié)果證明了纖維對水泥基材料收縮的抑制作用，拌合時(shí)水泥石結(jié)構(gòu)中交織的空間纖維體系有效阻礙了內(nèi)部水分的散失，混凝土硬化階段纖維橋接對混凝土自收縮應(yīng)力起到了一定的分散作用，使得裂縫擴(kuò)展受到一定的阻力，較低的自收縮強(qiáng)度可相應(yīng)減少服役期間因收縮引起的內(nèi)部缺陷。

3.2.2 抗?jié)B性試驗(yàn)

水泥混凝土抗?jié)B性試驗(yàn)采用錐臺型試件，本次抗?jié)B性試驗(yàn)中，水壓1.2 MPa穩(wěn)壓8 h后，各組水泥混凝土均未出現(xiàn)滲水情況，則各組水泥混凝土的抗?jié)B等級為S12。水泥混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表明摻入纖維后混凝土仍可保持其密實(shí)性，阻礙有壓水介質(zhì)的侵入。另有研究表明，纖維可阻斷水介質(zhì)的滲透路徑，延緩介質(zhì)的滲入速率。

3.2.3 抗凍性試驗(yàn)(快凍法)

普通混凝土與纖維混凝土快凍試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 水泥混凝土相對動(dòng)彈性模量變化趨勢

從圖5可以看出，隨凍融循環(huán)作用次數(shù)增加，各混凝土試件的相對動(dòng)彈性模量不斷下降。凍融循環(huán)作用初期，PC組空白混凝土由于表面光滑，孔洞少，相對動(dòng)彈性模量損失小，而纖維增強(qiáng)混凝土由于表面粗糙，特別是PFC組聚丙烯纖維分散性差，相當(dāng)一部分積聚在試件表面，氣孔數(shù)量增加，增加了外界水滲入試件表層的路徑，初期凍脹作用較素混凝土明顯。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，PC組試件相對動(dòng)彈性模量逐漸下降，凍融循環(huán)至50次開始急速下降，未到200次循環(huán)已經(jīng)發(fā)生破壞(按規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，相對動(dòng)彈性模量下降到75%以下可認(rèn)定為凍融破壞)，表面剝落非常嚴(yán)重。PFC組試件情況稍好，凍融循環(huán)250次方達(dá)到破壞狀態(tài)，相對動(dòng)彈性模量下降較為和緩。而BFC-18組、BFC-30組玄武巖纖維混凝土試件表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍性能，直至規(guī)范規(guī)定的循環(huán)次數(shù)完成時(shí)仍保持良好的外觀特征，相對動(dòng)彈性模量高達(dá)90%，在凍融循環(huán)75次時(shí)，其相對動(dòng)彈性模量大于前兩組，并將差距進(jìn)一步拉大，在凍融循環(huán)作用下性能穩(wěn)定可靠。

試件凍融破壞前后對比見圖6。

圖6 試件凍融破壞前后對比

由圖6可見，纖維的摻加可大幅改善水泥混凝土的抗凍性能，尤其玄武巖纖維的改善效果顯著，玄武巖纖維對混凝土內(nèi)部的凍脹壓力具有良好的緩釋作用。

3.2.4 玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土的耐久性能特征

通過典型的耐久性能試驗(yàn)，表明玄武巖纖維水泥混凝土具有較低的自收縮效應(yīng)，較高的抗?jié)B、抗凍性能，尤其是抗凍性能，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于素混凝土與同體積摻量的聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥混凝土，這對玄武巖纖維水泥混凝土管片在寒區(qū)地鐵工程的應(yīng)用具有極大意義。防水是鋼筋混凝土管片重點(diǎn)關(guān)注的問題，摻入玄武巖纖維并不影響混凝土抗?jié)B等級。

4 結(jié)論

1)水泥混凝土摻入聚丙烯纖維、玄武巖纖維后，靜態(tài)強(qiáng)度變化不顯著，動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與耐久性能得到了一定的強(qiáng)化。玄武巖纖維的增強(qiáng)性能比聚丙烯纖維好，長型(30 mm)玄武巖纖維的增強(qiáng)性能不及短型(18 mm)玄武巖纖維，這是纖維分布形態(tài)導(dǎo)致的結(jié)果。

2)玄武巖纖維顯著地提高了水泥混凝土的沖擊韌性、疲勞韌性、抗凍性能，水泥混凝土的干縮性能提高不明顯，并保持原有水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度與抗?jié)B性能。其中，摻入體積率0.1%玄武巖纖維后混凝土疲勞壽命增加了3倍，沖擊韌性增加了3倍，玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土具有一定韌性，可以減少普通鋼筋混凝土管片在運(yùn)輸、安裝過程中發(fā)生的破損和裂縫，并明顯提高了管片的抗凍性能。

3)玄武巖纖維增強(qiáng)水泥混凝土在承受重復(fù)動(dòng)載的條件下可增加管片使用壽命。

4)本文通過力學(xué)性能及耐久性能室內(nèi)試驗(yàn)研究，論證了玄武巖纖維混凝土在地鐵管片中的可行性和優(yōu)越性。玄武巖纖維作為一種新的加強(qiáng)筋，其使用效果還需實(shí)際工程應(yīng)用驗(yàn)證。

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