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漫谈矿山法隧道技术第七讲———纤维混凝土衬砌

作者:关宝树  发布:2017/6/27  浏览:
单位:西南交通大学

摘 要:目前国际上纤维混凝土衬砌有代替钢筋混凝土衬砌的趋势,而我国在这方面的研究力度不够,亟待加强。1) 介绍日本采用钢纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土和素混凝土进行的纤维混凝土承载特性试验的试验组合、加载方法及试验结果。2) 介绍日本的非钢纤维混凝土衬砌配比试验,试验采用PP、PVA 和PET 3 种非钢纤维,采用不同混入率及不同的配比组合进行; 试验结果是抗压强度因基本配比的不同而有差异,其顺序为“低发热配比”<“标准配比”<“高流动性配比”; 弯曲韧性与纤维种类无关,为提高弯曲韧性,增加纤维混入率是最有效的。3) 从纤维混凝土材料的品质管理基准、配比、纤维混入的决定方法、纤维混凝土基准试验的项目及频率、标准配比的决定方法、日常管理试验的项目及频率、施工、非钢纤维品质规格、隧道衬砌用非钢纤维均一性确认试验、衬砌纤维混凝土模拟浇筑试验等方面阐述纤维混凝土衬砌的施工管理要领。4) 最后指出,在易于发生较大变形的围岩,如膨胀性围岩、挤压性围岩以及土砂围岩等软弱围岩,需要二次衬砌发挥力学功能的场合,采用纤维混凝土衬砌是合适的选择。纤维混凝土衬砌需要研究解决的问题很多,如纤维类型的选定、纤维混入率的决定以及确保纤维混凝土衬砌品质的施工工艺等。若有可能,选定一二座隧道进行试验施工,以推进纤维混凝土衬砌的应用。

0 引言

山岭隧道混凝土衬砌的开裂,除起因于混凝土硬化时的温度应力和干燥收缩外,还可能起因于膨胀性围岩和围岩劣化产生的松弛地压。因为隧道是拱形机构,对于衬砌混凝土的轻微开裂,一般不会产生有害的变异,但可能由于轻微开裂导致的衬砌承载力降低从而造成影响衬砌稳定性及耐久性等问题。根据衬砌开裂的发生形态( 闭合开裂等) ,也可能产生剥离、剥落的危险。其次,在洞口埋深比较小的地段和具有断层破碎带、膨胀性围岩等特性的区间,也会有因后期荷载而造成隧道变异的可能。鉴于以上情况,会要求衬砌具有力学功能,此时可采用钢筋混凝土或纤维混凝土。最近的趋势是多采用施工性( 作业性) 比钢筋好的纤维混凝土。

应该指出,目前纤维混凝土衬砌有代替钢筋混凝土衬砌的趋势。在国际隧协的报告中,极力推荐纤维混凝土衬砌,不是没有道理的。虽然一些专家学者对此进行了一些研究,但力度不够,还亟待加强。纤维混凝土衬砌包括钢纤维和非钢纤维混凝土2 种衬砌类型。初期大家基本上都采用钢纤维混凝土衬砌,但近期非钢纤维混凝土衬砌得到极大的关注。本讲主要通过纤维混凝土衬砌的承载特性及其衬砌配比2 个试验研究,了解和认识纤维混凝土衬砌的基本特性。

1 纤维混凝土衬砌承载特性的试验

研究为了掌握纤维混凝土衬砌的承载特性[1],日本采用1 /5 大型模型试验,对其进行试验研究,并和以前的素混凝土衬砌进行比较。

1. 1 试验组合

研究组合如表1 所示。试验用的纤维如表2 所示。

表1 试验研究组合

表2 试验用纤维

试验用试体如图1 所示。厚度为150 mm( 实物换算750 mm) ,内径为925 mm,长度为300 mm。纤维放入新鲜混凝土中拌合90 s。

1. 2 加载方法

在拱顶加垂直荷载,衬砌背后没有空洞、厚度不足等缺陷。加载按0. 2 mm/步的位移控制分阶段进行。量测项目有: 净空位移9 个点; 应变计9 处,内外18 处。量测仪器配置如图2 所示。

图1 试验用试体

图2 量测仪器的配置

试件的单轴抗压强度试验( 养护28 d) 结果如表3所示。

表3 试件的单轴抗压强度试验结果

1. 3 试验结果

弯曲张裂( 以下称为开裂) 和弯曲压缩开裂( 以下称为压溃) 的发生状况和荷载- 位移曲线如下。

1. 3. 1 开裂及压溃的发生状况

1. 3. 1. 1 开裂及压溃的发生顺序

各试验组合的试件破坏状况如图3 所示,开裂发生状况如图4 所示。

图3 试件破坏状况

图4 试件开裂发生状况

在钢纤维混凝土的试验中,开裂首先出现在拱顶部内侧; 其次,拱的两肩部的外侧出现数条开裂; 其后拱顶部外侧被压溃,拱两肩部内侧被压溃,拱两肩部外侧也发生数条开裂。在聚丙烯纤维混凝土试验中,与钢纤维混凝土比较,拱两肩部外侧发生的开裂比较少,弯曲张裂及压溃发生的顺序大致相同。

综上所述,开裂发生的顺序,各组合虽然有些差异,但大体上是按拱顶内侧出现开裂—拱两肩部外侧出现开裂—拱顶外侧出现压溃—拱两肩部内侧出现压溃的顺序出现,此发生顺序与素混凝土的研究是一致的。因此,在拱顶加垂直荷载的场合,纤维混凝土与素混凝土的变形动态是一致的。

1. 3. 1. 2 开裂及压溃发生的数量

各试验组合开裂及压溃的发生数量如表4 所示。

表4 开裂及压溃的发生数量

压溃发生数,不管哪个组合,都是一样的; 但开裂的发生数,钢纤维混凝土比其他2 种情况都多。一般来说,钢纤维对开裂有分散效果,但本试验结果没有得到证实。

1. 3. 1. 3 对剥落的抵抗性

各试验完成时的压溃发生情况( 拱左肩内侧) 如图5 所示。

图5 各试体的压溃发生状况

素混凝土时,压溃发生部分的混凝土破坏很大;对于剥落,钢纤维及聚丙烯纤维混凝土,剥落片都比较小,剥离的没有落下,此试验结果说明纤维混凝土具有防止剥落的效果。

1. 3. 2 荷载- 位移曲线

试验得到的荷载- 位移曲线( 拱顶下沉) 如图6所示。拱顶下沉达10 mm 前的开裂发生位置试验如图7 所示。

图6 荷载- 位移曲线

图7 拱顶下沉10 mm 前荷载- 位移曲线

1. 3. 2. 1 最大荷载

各组合的最大荷载是: 钢纤维混凝土177 kN,聚丙烯纤维混凝土168 kN,素混凝土132 kN。

与素混凝土相比,纤维混凝土的承载力大( 最大荷载差35 ~ 45 kN) ; 而钢纤维和聚丙烯纤维比较,最大荷载差10 kN 左右,没有明显的差异。

1. 3. 2. 2 开裂发生前的动态

不管哪种组合,最初是在拱顶内侧发生开裂,荷载- 位移曲线的坡度比较缓,但最初开裂发生前的荷载- 位移曲线的坡度大致相同。

此范围因是混凝土的弯曲刚性、轴刚性起支配作用,故在衬砌厚度相同的情况,荷载- 位移曲线的坡度大致相同。

1. 3. 2. 3 开裂发生—压溃发生前的动态

首先,考察最初开裂发生时的荷载及拱顶下沉的不同。聚丙烯纤维混凝土和素混凝土在最初开裂发生时的拱顶下沉大致在0. 4 mm( 换算实体为2 mm 左右) ,此时的荷载是15 kN。

钢纤维混凝土在最初开裂发生时的拱顶下沉是1. 2 mm( 换算实体为6 mm 左右) ,此时的荷载是45. 5kN,约是其他2 种情况的位移、荷载的3 倍。

聚丙烯纤维混凝土及素混凝土中发生2 个开裂时荷载就降低了; 但钢纤维混凝土因最初开裂发生时的荷载- 位移曲线坡度小,没有出现荷载降低的情况。聚丙烯纤维混凝土和素混凝土荷载降低后的荷载- 位移曲线在压溃发生前,坡度大致相同; 而钢纤维混凝土在拱顶下沉达5 ~ 6 mm( 换算实体为25 ~30 mm) ,发生4 个开裂前比其他2 种换算情况坡度大一些。

这说明钢纤维在开裂发生后立即发挥出补强效果,提高了衬砌的弯曲抗拉强度,而聚丙烯纤维对提高抵抗衬砌开裂的效果几乎没有,只是在变形达到一定程度( 开裂开口后) 后才开始发挥作用,这是因为钢纤维和聚丙烯纤维的抗拉强度及刚性不同所致。

1. 3. 2. 4 压溃发生后的动态

聚丙烯纤维混凝土稍微晚一些,超过20 mm 后( 换算实体为100 mm 左右) 才发生压溃,荷载- 位移曲线的坡度很小,但其后继续增加荷载,到60 mm 前达到最大荷载,此动态与有无纤维、种类的不同没有什么差异。

2 纤维混凝土衬砌配比的试验研究

为了提高衬砌混凝土的长期耐久性,在掺入非钢纤维以防止混凝土剥离、剥落的配比的基础上,对掺入粉煤灰和石灰石微粉末提高混凝土施工性和充填性、抑制温度开裂、减少潜在缺陷的配比进行了试验研究[1]。

2. 1 试验组合

试验采用3 种非钢纤维( PP、PVA、PET) 进行的。为降低成本,其混入率除采用混凝土标准规格( 0. 3%) 外,还采用了0. 2%的混入率。

基本配比采用3 种( 标准配比、低发热配比、高流动性配比) 。纤维3 种,混入率2 种,基本配比3 种,共计18 个配比组合+ 3 个基本配比组合进行试验。采用的3 种纤维特征如表5 所示。

表5 混入率0. 3%时各种纤维的物理性质

各种纤维的形状( 长度、断面积) 是不同的: 从密度看,PP 的值最小; 从附着力看,PP 的数值最大; 从抗拉力看,PVA 的数值最大。PET 在密度、附着力上与PVA 相等,抗拉力与PP 相等。

各种纤维的抗拉力,理论上取决于1 根纤维的附着力和抗拉力。根据表5 的数值,理想的纤维中心部分存在破坏面的情况时,PP 达到抗拉力极限时被切断而破坏,PVA 及PET 则是附着力达到极限时被拔出而破坏。

考虑纤维混入率,换算为1 m 的抗拉强度后,PP因为抗拉力小,纤维长度的附着力大,是3 类纤维中最大的。

在设计配比时,参考纤维混凝土衬砌的基准及一般隧道等,设定的配比条件如下:

1) 含气量: ( 4. 5 ± 1. 5) %;

2) 单位水泥用量: 270 kg /m3 以上;

3) 单位用水量: 175 kg /m3 以下;

4) 水胶比: 55%以下;

5) 纤维混入时的塌落度: ( 15 ± 2. 5) cm。

采用的标准配比、低发热配比和高流动性配比如表6 所示。

表6 基本配比

2. 2 试验方法

非钢纤维混凝土的制造方法及试验步骤如图8 所示。

2. 3 试验结果

2. 3. 1 新鲜混凝土的性状

基本配比的试验结果如表7 所示。

可以确认“标准配比”及“低发热配比”其含气量和非钢纤维混入时的塌落度均在容许范围之内。

“高流动性配比”其含气量即使在( 4. 5 ± 1. 5) %,作为高流动性混凝土也确认其塌落度流动值满足50cm 以上的要求。

图8 非钢纤维混凝土的制造方法及试验步骤

表7 基本配比的试验结果

2. 3. 2 硬化后性状

抗压强度和弯曲强度的关系如图9 所示。

图9 抗压强度和弯曲强度的关系

因基本配比不同,故抗压强度有差异。大体上说,其抗压强度大小顺序是“低发热配比”<“标准配比”<“高流动性配比”。

纤维混入前后的弯曲强度,除“标准配比”的一部分外,混入纤维后都变小了。

在“低发热配比”中,水泥的一部分被粉煤灰所置换,水灰比不大,抗压强度降低了。

纤维种类不同,其弯曲强度和弯曲韧性的关系如图10 所示。

图10 弯曲强度和弯曲韧性的关系( 不同纤维种类)

由图10 可知: 弯曲强度和弯曲韧性没有相关关系,弯曲强度最大的“高流动性配比”的场合,弯曲韧性不是最大的,弯曲韧性还受到其他因素的影响。

混入PP、PVA 的场合,如纤维混入率为0. 3%,弯曲韧性满足标准配比基准( 1. 40 MPa) ,但混入PET 的场合就没有满足此基准。因此,PET 对提高弯曲韧性是不利的。

纤维混入率不同,其弯曲强度和弯曲韧性的关系如图11 所示。

由图11 可以看出,弯曲韧性受到纤维混入率的影响很大。纤维混入率为0. 2% 的场合,想满足弯曲韧性1. 40 MPa 的要求是很难的。因此,混入率至少应在0. 3%以上。

图11 弯曲强度和弯曲韧性的关系( 不同纤维混入率)

其次,从试件开裂面分割的断面露出的纤维,统计出影响弯曲韧性的配置方向的纤维根数作为有效根数。可以看出,PVA、PET 因纤维的附着力不足,破坏的可能性大。有效根数和弯曲韧性的关系如图12 所示。

图12 有效根数和弯曲韧性的关系

由图12 可以看出,弯曲韧性与纤维种类无关,随纤维根数的增加,弯曲韧性也随之增加。为提高弯曲韧性,增加纤维混入率是最有效的。在同一混入率的场合,PP 效果是最可期待的。

3 纤维混凝土衬砌的施工管理

为了在隧道工程中推行纤维混凝土衬砌,日本在《设计要领( 第三集,隧道) 》( 2014 版) 中规定: 在洞口段和埋深小的区间,或与其他结构物近接的场合,衬砌可能受到偏压而产生过大弯矩的场合,可采用混凝土衬砌。考虑到衬砌长期的稳定性,应采用纤维混凝土衬砌。作为防止剥落、剥离对策使用的纤维,原则上采用非钢纤维; 同时,为确保纤维混凝土衬砌的品质,制定了严格的施工管理要领[2]。

3. 1 纤维混凝土材料的施工管理

纤维混凝土使用的非钢纤维材料应满足“隧道衬砌用非钢纤维品质规格”的要求,也应满足相应的试验要求,例如“纤维混凝土模拟浇筑试验”的要求等。

纤维混凝土使用的材料的品质管理基准如表8所示。

表8 纤维混凝土的纤维品质管理基准

3. 2 配比

纤维混凝土3 等分点弯曲韧性试验的性能如图13所示。决定衬砌纤维混凝土配比的基准如表9 所示。

图13 纤维混凝土3 等分点弯曲韧性试验的性能

配比时应注意的事项如下。

1) 一般情况下,纤维混入量因为按体积管理困难,故要换算为质量进行管理。

维尼纶混入例: 比重为1. 30 的纤维0. 3%,约合3. 90 kg /m3,混入1 m3 基本混凝土中。

聚丙烯混入例: 比重为0. 91 的纤维0. 3%,约合2. 73 kg /m3,混入1 m3 基本混凝土中。

2) 加入纤维的基本混凝土的配比要确保加入纤维后的施工性及强度。因为基本混凝土配比基准的塌落度、流动值、含气量是标准值,要满足混入纤维后的配比基准的塌落度、流动值、含气量需进行试验拌合决定配比。由于混入纤维单位用水量增加,为确保和易性需添加高性能AE 减水剂,单位用水量控制在175kg /m3 以下( T3 - 4,FA 的场合在180 kg /m3 以下) 。

表9 决定衬砌纤维混凝土配比的基准

配比计算的细骨料率的大概值应基于施工实际,参考下式算出。

s /a = 54. 9 + 9. 3p + 0. 061L - 0. 03C。

式中: s /a 为细骨料率,%; p 为纤维混入率,%; L 为纤维长度,m; C 为单位水泥用量,kg /m3。

3) 配比设计修正的细骨料率设定的大致标准,可参考表10。

表10 修正细骨料率时的大致标准

3. 3 纤维混入率的决定方法

衬砌纤维混凝土的弯曲韧性性能视纤维长度、形状及混入率而异,应根据试验拌合决定满足规定弯曲韧性性能的纤维长度、形状及纤维混入率。纤维混入率可选定能够满足表11 计算式A 和计算式B 之中较大者,按相当于1 根纤维的容积规模假定最低混入率,此混入率的弯曲韧性试验的挠度曲线应符合图13。施工中变更纤维长度、形状及混入率时,应另外进行试验拌合。

表11 计算相当于1 根非钢纤维容积规模的最低混入率

3. 4 纤维混凝土基准试验的项目及频率

衬砌纤维混凝土试验拌合的基准试验项目及频率如表12 所示。

表12 衬砌纤维混凝土的基准试验

3. 5 标准配比的决定方法

确定衬砌纤维混凝土标准配比的试验拌合,应实施如图14 所示的弯曲韧性试验及纤维混入率试验,决定纤维混入率。

图14 决定衬砌纤维混凝土标准配比的流程

3. 6 日常管理试验的项目及频率

衬砌纤维混凝土的日常管理试验,应实施表13 的各项试验。

表13 衬砌纤维混凝土的日常管理试验

3. 7 施工

1) 衬砌纤维混凝土施工时,应能够满足要求的强度、弯曲韧性、耐久性及水密性,同时具有适合作业的和易性,确保均匀品质。

2) 打包的纤维避免直接放置在地上,应用托盘放置在仓库内或在洞内适当的地点储藏。非钢纤维保管时,要防止日光直射,避免材料劣化。

3) 衬砌纤维混凝土,纤维的投入及拌合非常重要。纤维种类不同,投入及拌合方法不同。采用向自动搅拌车直接投入及用振动投入机直接投入的制造方法如图15 所示。

图15 纤维混入率0. 3%投入时示例

在实机试验中决定的拌合时间要反映到日常管理中。纤维投入时,要采取不受雨水等影响的措施。

4) 混入纤维后的新鲜混凝土,因为品质变化比通常的混凝土大,纤维混入后30 min 内必须浇筑完,可按表12 的历时变化试验确认浇筑可能需要的时间。实际施工中应确认塌落度、含气量,如与标准配比不同,应及时修正现场配比。

5) 采用高性能AE 减水剂时,如使用方法不合适,不仅不能获得要求的效果,还会产生材料离析使混凝土品质显著降低,故要充分掌握高性能AE 减水剂的特性及其效果的限度。运送时若塌落度显著降低,也可在现场添加流化剂,但使用时要事先进行试验确认。

6) 隧道衬砌与桥梁等的浇筑不同,是采用向上浇筑的方式,肩部以上捣固是比较困难的。使用捣固器在衬砌背后形成空隙,是产生有害的弯曲作用的原因。为此,采用模板捣固器进行不产生空隙的捣固是非常重要的。但纤维混凝土与同样塌落度的普通混凝土相比,对变形和流动性的抵抗性低,易于引起材料离析,过度捣固会影响纤维的均匀分散,也会使纤维集中在混凝土表面等。

3. 8 非钢纤维品质规格

非钢纤维的种类及记号如表14 所示。

表14 种类及记号

3. 8. 1 尺寸

纤维的尺寸,根据纤维断面种类,应确认如表15所示带○的项目。

表15 应确认的尺寸项目

3. 8. 2 质量

纤维的质量按相当于100 根的质量,即:

W = 100•A•lf•ρ。

式中: A 为公称断面积; lf为公称长度,m; ρ 为纤维密度,mg /mm3。

3. 8. 3 长度的容许差

按表16 取值。

表16 纤维长度的容许差

3. 8. 4 质量的容许差

按表17 取值。

表17 质量的容许差

容许差

N = ( Wi - W) /W•100%。

式中: Wi为100 根的质量; W 为相当于100 根的计算质量。

3. 8. 5 抗拉强度

纤维的抗拉强度应在450 MPa 以上。

3. 8. 6 外观

品质不应有离散和劣化产生的色调变化以及表面、端部形状上的不均一及纤维间粘着。

3. 8. 7 对碱的耐久性

纤维对碱的耐久性,采取制作时的长纤维在20 ℃、pH 值为12. 5 的碱溶液中浸渍7 d 后,再取出纤维,测定浸渍前后的抗拉强度,应达到浸渍前的95%以上。

3. 8. 8 耐热性

3. 8. 8. 1 高温时的品质降低

纤维对热的耐久性应用与对碱的耐久性同样的纤维,在拉紧状态下放置在120 ℃ 高温炉中进行热处理,试验热处理前后的抗拉强度,应确认降低率在10% 以下。

3. 8. 8. 2 发生有害气体时的安全性

暴露在火灾等高温的场合,应确保混入混凝土的纤维不会产生对人体有害的气体,或即使产生也不会达到对人体造成影响的程度。

3. 9 隧道衬砌用非钢纤维均一性确认试验

均一性试验的变化幅度的容许值应在20% 以内,即对3 处平均值的比率控制在80% ~ 120%。

3. 10 衬砌纤维混凝土模拟浇筑试验

模拟浇筑试验是用实机确认纤维的流动性,以及使用硬化后的试件进行弯曲韧性试验,判断可否使用纤维。

此试验中的研究项目和研究方法如表18 所示。

表18 研究项目及研究方法

4 结束语

一般来说,在容易发生较大变形的围岩,如膨胀性围岩、挤压性围岩以及土砂围岩等软弱围岩,需要二次衬砌发挥力学功能的场合,采用纤维混凝土衬砌是合适的选择。以前我们曾在这方面进行过试验研究,但没有坚持下来。根据本讲介绍的资料,说明纤维混凝土衬砌需要研究解决的问题很多,如纤维类型的选定、纤维混入率的决定以及确保纤维混凝土衬砌品质的施工工艺等。若有可能,应在可能的条件下,选定一二座隧道进行试验施工,以推进纤维混凝土衬砌的应用。

摘自:隧道建设

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