混杂纤维混凝土试验研究及其在地铁盾构管片中的应用

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现今工程应用中的地铁盾构管片主要以钢筋混凝土管片为主,由于混凝土为脆性材料,抗拉性能较差,使得其在运输和安装中容易破损和开裂,管片的破损和裂缝对隧道的安全性和耐久性会产生不利影响,这些都是盾构法中较棘手但又必须解决的问题。鉴于普通钢筋混凝土管片的诸多缺陷,采用混杂纤维混凝土预制地铁盾构管片,为提高地铁隧道的安全性和耐久性能提供了一条有效途径。目前国内纤维混凝土管片在盾构隧道中的应用多属于试验性阶段,还没有纤维混凝土在盾构隧道中应用的完整规范和技术性文件来指导工程设计。混杂纤维高强混凝土应用于地铁管片还需要进行许多综合研究工作,本文实验研究混杂纤维混凝土搅拌工艺及钢纤维与聚丙烯纤维的加入对混凝土工作性能、力学性能、耐久性能的影响。研究发现:(1)水掺法搅拌工艺的混凝土拌合物成团成束现象最少,且纤维分散系数最大,其拌制的纤维混凝土纤维匀质性最好;随着钢纤维掺量的增加,坍落度也随之降低;当钢纤维掺量不变时,随着聚丙烯纤维掺量的增加,其纤维混凝土坍落度也呈降低趋势,但能有效抑制混凝土的离析、泌水;控制钢纤维的加入量在一定范围内不会大幅度增加混凝土容重;(2)通过对7天和28天抗压强度分析可知:单掺聚丙烯纤维会降低混凝土抗压强度,混掺钢纤维后能够达到增强效果,但纤维的加入对混凝土抗压强度提高幅度不大;混凝土劈裂抗拉强度与抗折强度随着钢纤维掺量及聚丙烯纤维掺量的增加而增大,混杂纤维混凝土劈裂抗拉强度相对于素混凝土最大提高比例能达到108.36%,混杂纤维混凝土抗折强度相对于素混凝土最大提高比例能达到41.78%;当钢纤维与聚丙烯纤维混掺时,混凝土7天和28天韧度指数比素混凝土及单掺钢纤维或聚丙烯纤维混凝土都要高,其韧度指数相比于素混凝土高约1.5倍左右;通过对钢纤维-基材界面过渡区、聚丙烯纤维-基材界面过渡区微观形貌的观察可以发现,钢纤维、聚丙烯纤维与基材间没有紧密联结在一起,依然存在一定的间隙;聚丙烯纤维-基材的界面过渡区结构较钢纤维-基材界面过渡区松散,且其表面较之钢纤维要平滑许多,与浆体的机械啮合作用要较钢纤维差。(3)研究混杂纤维混凝土耐久性能发现,掺入钢纤维及聚丙烯纤维会略微降低混凝土抗氯离子渗透性能,但降低幅度不大,NEL法评价单掺聚丙烯纤维混凝土、单掺钢纤维混凝土、混杂纤维混凝土氯离子渗透性仍处于很低的水平。(4)根据力学性能及耐久性能实验对比结果,选取70.2kg/m3的钢纤维和0.45kg/m3的聚丙烯纤维混掺为最佳配合比,在结合实验得到的混杂纤维混凝土材料参数的基础上,进行钢筋混杂纤维混凝土管片的配筋设计,主筋可选用8Ф12钢筋(As=A’s=884mm2),不配箍筋。并通过ANSYS软件对混杂纤维混凝土管片进行数值模拟,验证了配筋的安全性、合理性。并简要进行了钢筋混杂纤维混凝土管片的经济性分析。
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