随着军工生产与航空航天而发展起来的纤维复合材料,由于具有良好而独特的性能,适应现代工程结构向大跨度、高耸、重载、高强和轻质方向的发展,在土木建筑工程中的应用日益扩大,地下工程也是如此。
早期工程
在20世纪70年代早期,就出现了钢纤维加劲的混凝土。90年代,它开始应用于地下工程,喷射混凝土和预制隧道衬砌管片中均有应用。
那时,纤维混凝土已被用于一些永久性的衬砌。
采用钢纤维和聚酯纤维混凝土管片的英国1号高铁隧道
布鲁奈尔泰晤士隧道中采用的抗腐蚀钢纤维混凝土
贝尔法斯特排水隧道中采用的纤维管片
近年来纤维混凝土标准的出台
然而,规范和标准的缺乏,阻碍了纤维加劲混凝土作为最终衬砌的推广。随着国际设计标准 ——2010 FIB 混凝土标准规范的公布,设计师们在使用纤维时的信心得到了加强。
❂ 今年针对纤维加劲管片出台了一系列的额外指导准则:
1. 美国混凝土学会(ACI)《关于纤维加劲混凝土设计和施工的报告》(ACI 544.7R-16);
2. 国际隧道与地下空间协会(ITA-AITES)的《纤维隧道管片的二十年实践:经验教训和建议设计准则》;
3.《BSI PAS8810:2016 隧道设计-混凝土管片隧道衬砌设计-实务守则》;
4. ITAtech 《预制纤维加劲混凝土管片指导手册-第 1 卷:设计相关》。
影响纤维混凝土性能的因素
纤维加劲混凝土的性能并不是混凝土基体和纤维性能的简单叠加。为了分析这种复合材料的性能,混凝土基体与纤维之间荷载的传递也要考虑在内。
❂为了使荷载更加有效地传递,需要满足三个条件:
1.必须要有足够的交换表面,这取决于纤维的数量、长度和直径;
2.纤维和基体的交界面性质要使荷载能够适当地传递;
3.纤维的力学性质,如杨式弹性模量、拉伸强度和锚固强度,要使纤维在充分承担拉力的情况下,不被拉断或过分拉长。
新型钢纤维的开发
Bekaert Maccaferri 公司用了五年时间,开发出了被他们称为“5D纤维”的产品。和早期产品相比,“5D纤维”并非依靠纤维的拔出机制来产生延性,而是保持锚固在混凝土中,依靠拉长自身来提供延性,这和钢筋的工作原理相同。测试表明,这种纤维能大大提高混凝土的抗弯强度,并表现出变形硬化的性能。这将有利于进一步推广纤维混凝土作为最终衬砌的应用。
5D 纤维
早期纤维扭结的末端在线材被拉出混凝土时,发生缓慢的变形,使得混凝土具有了延展性
5D纤维保持锚固在混凝土中,依靠拉长自身提供延性
5D纤维混凝土的应用案例
英国,伦敦,LEE隧道
伦敦Lee隧道是Tideway项目的第一个子工程,旨在防止对环境有害的雨污混合溢流水流入泰晤士河。
Lee隧道大部分穿过白垩土层,有些部分由于断层构造而承受高水压,它的初衬是钢纤维强化管片。二次衬砌设计中需要考虑隧道灌满废水之后它所要承受的冲击压力。此时,内压会超过地下静水压力,因而衬砌会受拉。
为了确保较长的使用寿命,设计方UnPS必须确保拉应力不会导致大裂缝的产生。通过使用 40kg高性能纤维和C40/C50混凝土,避免了这个风险的产生。此外,还节省了17000t左右的钢材,并相应地减少了碳排放量。通过取消了钢筋安装工序,浇筑流程也得到了简化和缩短。
土耳其,伊斯坦布尔,Riva 隧道
伊斯坦布尔的Riva隧道是一条高速公路隧道。施工方采用新奥法施工了Riva隧道的初次衬砌,该隧道经过复理石层,它是黏土岩和砂岩的复合地层。隧道为双向4车道隧道,跨径为22m,长度分别为626m和564m。
由于跨径非常大,采用钢筋混凝土要安装12m的钢筋,在可靠性上较差。因此设计方决定采用5D钢纤维混凝土。
此外,使用纤维补强钢筋还节省了大量时间:衬砌浇筑速度比传统钢筋衬砌快三倍,每天可以浇350m3。
加拿大,萨斯喀彻温省,Jansen项目
Jansen项目是一个钾碱矿开采项目。竖井的内径为6.5m,内壁厚度在800mm和1.1m之间,深度为1030m,达到了钾盐矿床的深度。竖井采用竖井掘进机进行开挖,利用冻结法形成挡水帷幕,并采用滑动模板和纤维混凝土来修建竖井内壁。通过采用纤维加强混凝土,省去了安装钢筋的步骤,不需要额外人员在拥挤的竖井区域内工作,整个过程变得更加快捷和安全。