合成粗纖維復(fù)合管片在美國的首次工程應(yīng)用

合成粗纖維技術(shù)發(fā)展

合成粗纖維最早開發(fā)于30年前，其產(chǎn)品進入市場已有20多年。合成粗纖維最早由美國3M公司在1989年開發(fā)，隨后技術(shù)逐漸推廣，應(yīng)用于工程行業(yè)。日本萩原工業(yè)在20世紀90年代末開發(fā)了壓花合成粗纖維，其高韌性與黏結(jié)性為該技術(shù)樹立了全新性能標準。澳大利亞率先使用合成粗纖維補強噴射混凝土進行礦山地層加固，目前同類工程幾乎100%采用。挪威作為20世紀90年代濕噴混凝土技術(shù)開發(fā)的領(lǐng)軍國家，引領(lǐng)合成粗纖維進入民用隧道應(yīng)用領(lǐng)域。如今，全球已有許多隧道采用含有合成粗纖維的鋼筋混凝土襯砌與噴射混凝土襯砌。

材料優(yōu)勢

經(jīng)濟性： 合成粗纖維與同性能鋼筋相比成本更低。

有效性： 合成粗纖維更適用于地層加固，耐久性更強。

延展性： 合成粗纖維與其他形式的混凝土加固材料相比，具有更強的韌性與延展性。

處理： 合成粗纖維更輕，易于運輸和處理。

耐久性： 地層中的地下水滲透、氯化物與硫酸鹽會對傳統(tǒng)的鋼筋有腐蝕性，導(dǎo)致其性能下降，因此許多礦山工程已改用合成纖維代替鋼筋。

長期性能： 高質(zhì)量合成纖維不會隨著時間的推移出現(xiàn)裂紋，進而影響性能。相比之下，鋼替代品由于基體的后硬化效應(yīng)(也稱為脆化)，可能表現(xiàn)出殘余性能的損失。

工程應(yīng)用

日前，美國密蘇里州黑蛇灣雨洪排放隧道工程首次使用了合成粗纖維復(fù)合混凝土管片。該隧道隸屬于城市綜合下水道溢流長期控制計劃，旨在改善密蘇里河水質(zhì)，全長2 km，內(nèi)徑2.74 m，使用勒沃森(遼寧三三工業(yè)海外子公司)土壓平衡盾構(gòu)掘進。

俄亥俄州歐幾里德灣CSO隧道曾于2015年使用合成粗纖維現(xiàn)澆混凝土終襯，之后研發(fā)團隊進行了一系列試驗，將合成粗纖維混凝土應(yīng)用于管片生產(chǎn)，在黑蛇灣雨洪排放隧道工程進行了工程驗證。

工程需求

工程中的管片襯砌原定使用鋼纖維增強，但鋼纖維供應(yīng)無法滿足工程要求，因此采用了BarChip 54合成粗纖維補強，作為鋼纖維或傳統(tǒng)鋼筋補強材料的替代品。合成纖維需滿足41.4 MPa的抗壓強度；28 d最小彎曲拉伸強度必須超過4.62 MPa；裂紋后最小殘余彎曲拉伸強度需超過3.17 MPa。

管片生產(chǎn)與測試

每環(huán)襯砌由6塊管片組成，內(nèi)徑2.74 m，環(huán)寬1.2 m，厚190.5 mm，楔形量12.7 mm，適應(yīng)300 m轉(zhuǎn)彎半徑；管片密度7 kg/m3，長寬比為8.1，低于公認極限10，確保臨時荷載穩(wěn)定；使用C40、C50混凝土制成，蒸汽固化4.5 h后具有14 MPa的沖擊強度。

研發(fā)團隊應(yīng)用法向力-彎矩曲線及力-推力容量極限曲線進行了管片在極限狀態(tài)下的設(shè)計，并對管片所有臨時載荷(包括盾構(gòu)掘進區(qū)間對于管片的頂升力等)的極限情況進行了分析模擬。

應(yīng)用情況

盾構(gòu)于2018年底在直徑15 m的工作井內(nèi)始發(fā)，并為盾構(gòu)始發(fā)進行了管片的半環(huán)拼裝。2019年3月中旬，掘進完成610 m(30%)，拼裝了約500環(huán)管片，單日施工12～14 m。

始發(fā)后的掘進施工階段證明合成粗纖維管片強度可承受運輸、吊裝、搬運和拼裝過程中遭遇的臨時載荷。施工方在盾構(gòu)順利始發(fā)后檢查了用于始發(fā)的半環(huán)管片，并未發(fā)現(xiàn)損壞。

合成粗纖維的應(yīng)用降低了材料成本，同時減少了材料腐蝕，增加了襯砌使用壽命，減少了未來基礎(chǔ)設(shè)施維護成本。