木寨嶺公路隧道高彈模PVA合成纖維噴射混凝土抗裂技術(shù)研究與探討

周紅芳

(中鐵隧道局投資有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

纖維混凝土作為一種新型建筑材料，具有良好的抗裂性能和相應(yīng)的耐久性能，在混凝土工程應(yīng)用中具有廣泛的前景。在混凝土開裂問題方面，目前主要研究是提高混凝土減裂性能的方法和探索準(zhǔn)確的減裂評(píng)價(jià)方法，并認(rèn)為添加纖維是解決混凝土開裂的有效手段[1-4]。山嶺隧道混凝土襯砌的開裂對(duì)隧道產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，纖維混凝土襯砌已經(jīng)在山嶺隧道設(shè)計(jì)施工中得到廣泛應(yīng)用[5-7]。 纖維混凝土襯砌包括鋼纖維和非鋼纖維混凝土2種類型，初期工程施工過程中都采用了鋼纖維混凝土襯砌[8]。近年來柔性非金屬類纖維混凝土襯砌得到了工程界的關(guān)注。例如： 羅章[9]的研究結(jié)果表明，與鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度相比，普通混凝土抗拉強(qiáng)度相對(duì)較小，鋼纖維的加入顯著提高了混凝土的抗裂性能，在此基礎(chǔ)上提出了一種能清晰反映鋼纖維混凝土裂縫端部應(yīng)力狀態(tài)的微裂縫區(qū)力學(xué)模型； 徐禮華等[10]的研究結(jié)果表明,加入聚丙烯纖維后, 與基準(zhǔn)混凝土相比，纖維混凝土的收縮變形下降趨勢(shì)明顯。

目前國內(nèi)外對(duì)鋼纖維等改善混凝土的增韌抗裂效果的研究比較深入，而對(duì)低彈模和高彈模合成纖維的研究和應(yīng)用有待進(jìn)一步加強(qiáng)。低彈模纖維主要用在混凝土早期處于變形受限和失水收縮狀態(tài)時(shí)發(fā)揮減裂效應(yīng)，但在混凝土硬化后受拉彎破壞時(shí)，其減裂性能發(fā)揮作用不大。經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，添加高彈模PVA纖維由于具有高抗拉性[11]，在混凝土塑性及硬化階段，均能起到抑制裂縫的效應(yīng)，減少混凝土的收縮和開裂，具有顯著增強(qiáng)混凝土抗裂的能力。在改善抗裂性能方面,PVA纖維提高了混凝土的抗塑性開裂能力和極限拉伸值等性能,我國大型水利水電及水運(yùn)工程已經(jīng)開始采用PVA纖維提高混凝土的抗裂性[12]。

目前評(píng)價(jià)混凝土在約束狀態(tài)下的抗裂方法主要有圓環(huán)法[6]、平板法[13]和棱柱體法[14]。摻入纖維對(duì)混凝土起到抗裂作用，但同時(shí)會(huì)對(duì)混凝土的塌落度和可泵送性有所影響。纖維的分散性是保證混凝土質(zhì)量的重要因素，需要適當(dāng)增大混凝土的減水劑用量[15-16]。本文結(jié)合木寨嶺公路隧道現(xiàn)場(chǎng)施工情況，通過添加PVA合成纖維，研究解決隧道噴射混凝土開裂問題。根據(jù)試配的纖維長度和摻量，選用快速圓環(huán)法評(píng)定高彈模PVA纖維限制混凝土硬化干燥收縮裂縫的有效性，通過開展室內(nèi)多組配合比的高彈模PVA合成纖維混凝土硬化收縮開裂性能試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行試配[17-20]，并將成果應(yīng)用于木寨嶺公路隧道現(xiàn)場(chǎng)施工中。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是渭(源)武(都)高速公路上的控制性工程，隧道穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣。隧道采用分離式設(shè)計(jì)，其中左線進(jìn)口里程為ZK210+635，出口里程為ZK225+861，全長15 226 m；右線進(jìn)口里程為K210+635，出口里程為K225+798，全長15 163 m； 最大埋深為629.1 m。全隧設(shè)計(jì)3座輔助坑道兼運(yùn)營通風(fēng)斜井，隧道設(shè)計(jì)采用公路-Ⅰ級(jí)，主線設(shè)計(jì)速度為80 km/h,隧道凈寬為10.25 m，隧道有效凈高為5.0 m。隧道平面布置如圖1所示，斷面布置如圖2所示。

圖1 木寨嶺公路隧道平面布置圖(單位： m)

圖2 隧道斷面布置圖 (單位： m)

隧址區(qū)巖性以碳質(zhì)板巖為主，其強(qiáng)度低，性狀松散軟弱，隧道開挖過程中軟巖呈現(xiàn)的擠壓型大變形問題(變形位移值多數(shù)達(dá)800～1 000 mm或以上)是隧道支護(hù)面臨的世界性難題。同時(shí)，因高地應(yīng)力、圍巖破碎變形導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土脆性開裂破壞，隧道初期支護(hù)存在掉塊的安全隱患。

木寨嶺隧道初期支護(hù)噴射混凝土厚度為28 cm,設(shè)計(jì)C25早強(qiáng)混凝土； 襯砌混凝土厚度為55 cm，設(shè)計(jì)C30模筑混凝土。在隧道開挖過程中，因高地應(yīng)力、圍巖破碎、巖性差導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度偏低、抗剪性不高，容易因地應(yīng)力釋放、圍巖變形導(dǎo)致混凝土脆性開裂破壞，隧道初期支護(hù)拱頂存在掉塊等安全隱患；同時(shí)，裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重降低了混凝土的耐久性。為保障控制初期支護(hù)的大變形，現(xiàn)場(chǎng)采用了打設(shè)深孔長錨索(錨桿)進(jìn)行錨固。為防止長錨索(錨桿)鉆孔作業(yè)過程中擾動(dòng)圍巖導(dǎo)致掉塊，隧道開挖成形后需要先初噴混凝土支護(hù)再打設(shè)長錨索(錨桿)。因此，在混凝土中添加抗裂纖維，對(duì)于提高初期支護(hù)混凝土的抗裂與增韌性能具有重要意義。

2 室內(nèi)纖維混凝土試配試驗(yàn)

2.1 纖維砂漿硬化收縮開裂性能測(cè)試

2.1.1 試驗(yàn)材料及模具

按水泥∶砂∶水=1∶1∶0.5(質(zhì)量比)的配合比(水泥、砂均是取自現(xiàn)場(chǎng)施工的原料)，加入攪拌機(jī)中攪拌約5 min，根據(jù)技術(shù)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，按照1.1 kg/m3的PVA纖維材料用量加入到相應(yīng)的砂漿混凝土中，澆筑在鋼制試模中。高彈模PVA纖維(主要化學(xué)成分為聚乙烯醇)主要物理力學(xué)特性如表1所示。

表1 高彈模PVA纖維主要物理力學(xué)特性

Table 1 Main physico-mechanical parameters of high elastic modulus PVA fiber

物理力學(xué)參數(shù)數(shù)值密度/(g/cm3)1.30直徑/μm25長度/mm12彈性模量/GPa≥40抗拉強(qiáng)度/MPa≥1 200斷裂延伸率/%5～20

注： 高彈模PVA纖維形狀為束狀單絲； 耐酸堿性為極高。

快速圓環(huán)法是在短期時(shí)間內(nèi)通過恒溫恒濕、加熱干燥等處理，檢測(cè)受約束的混凝土圓環(huán)試件在規(guī)定的養(yǎng)護(hù)條件下的開裂趨勢(shì)，評(píng)定纖維混凝土后期(3～28 d)硬化與收縮2個(gè)階段的開裂狀況。受檢混凝土試件為內(nèi)徑為150 mm、高度為150 mm、厚度為20 mm的圓環(huán)混凝土試件，以外徑為150 mm、高度為150 mm、厚度為20 mm的鋼制圓筒體，置其內(nèi)部作為約束體。水泥砂漿試件澆筑圓環(huán)試模如圖3所示。

圖3 水泥砂漿試件澆筑圓環(huán)試模

2.1.2 試件養(yǎng)護(hù)過程

成型好的試件放置到混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室，標(biāo)養(yǎng)3 d取出后，依次在溫度為30 ℃的烘箱內(nèi)恒溫干燥1 h，在溫度為40 ℃的烘箱內(nèi)恒溫干燥1 h，在溫度為50 ℃的烘箱內(nèi)恒溫干燥1 h，在溫度為60 ℃的烘箱內(nèi)恒溫干燥1 h，最后在溫度為70 ℃的烘箱內(nèi)恒溫干燥24 h后，采用裂縫寬度測(cè)試儀按裂縫寬度分段測(cè)量測(cè)得試件的裂縫長度為li，計(jì)算出的裂縫面積權(quán)值A(chǔ)i為硬化收縮開裂權(quán)重值，用硬化收縮開裂權(quán)重值來反映水泥混凝土材料硬化收縮開裂的嚴(yán)重程度。

2.1.3 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組試件3個(gè)，共計(jì)澆筑9個(gè)圓環(huán)試模。不添加纖維材料的砂漿混凝土標(biāo)記為試件a，添加纖維長度6 mm的砂漿混凝土標(biāo)記為試件b，添加纖維長度12 mm的砂漿混凝土標(biāo)記為試件c。

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果

不添加纖維的水泥圓環(huán)試件a發(fā)生開裂，長度方向上裂隙貫穿整個(gè)試件，裂隙寬度達(dá)到2～3 mm；添加纖維長度6 mm的水泥圓環(huán)試件b，本組3個(gè)試件有2個(gè)發(fā)生少許開裂，裂隙寬度最大為0.2 mm；添加纖維長度12 mm的水泥圓環(huán)試件c，本組3個(gè)試件只有1個(gè)發(fā)生少許開裂，裂隙寬度最大為0.15 mm。通過本次試驗(yàn)明顯看出，添加12 mm長的抗裂纖維的混凝土試件抗裂能力明顯得到提升。試件養(yǎng)護(hù)脫模后開裂情況如圖4所示。

(a) 試件a(不添加纖維)

(b) 試件b(添加6 mm纖維)

(c) 試件c(添加12 mm纖維)

硬化混凝土試件干縮開裂的裂縫總面積

(1)

裂縫減裂率

(2)

式中：Ah,mcr為基準(zhǔn)混凝土試件裂縫總面積，mm2；Ah,fcr為纖維混凝土試件裂縫總面積，mm2。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，基準(zhǔn)混凝土硬化收縮開裂權(quán)重值為4.962，纖維混凝土硬化收縮開裂權(quán)重值為1.437，減裂率為71%。

2.2 纖維混凝土平板開裂試驗(yàn)

試驗(yàn)選在溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度為(60±5)%的恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行，在試件成型30 min后調(diào)節(jié)風(fēng)扇位置和風(fēng)速，使試件表面中心上方100 mm處的風(fēng)速為(5±0.5) m/s，并使風(fēng)向平行于試件平面和裂縫誘導(dǎo)器。試驗(yàn)時(shí)間從混凝土加水?dāng)嚢栝_始算起，當(dāng)達(dá)到(24±0.5) h測(cè)量數(shù)據(jù)。

纖維混凝土的平板開裂試驗(yàn)初始至3 d后的成型狀態(tài)如圖5所示?？梢钥闯?，試件完整性較好，無裂縫出現(xiàn)。

(a) 初始 (b) 1 d (c) 3 d

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及受力分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

試件原料選用木寨嶺隧道2號(hào)斜井混凝土施工所用原料，在不改變施工工藝和混凝土配比的前提下，每m3混凝土添加1.1 kg高彈模PVA合成纖維(優(yōu)選長度12 mm)進(jìn)行強(qiáng)度指標(biāo)等力學(xué)參數(shù)的測(cè)定。試件的制作和測(cè)試均按照混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件的制作和測(cè)試方法進(jìn)行。

現(xiàn)場(chǎng)施工要求初期支護(hù)混凝土噴射厚度為28 cm，混凝土等級(jí)為C25，塌落度要求為160 mm?？紤]到減水劑的種類和摻量對(duì)纖維混凝土塌落度的影響較大，減水劑摻量在原有基礎(chǔ)上增加15%。實(shí)際施工中，所用減水劑優(yōu)化實(shí)際摻量為2.4%時(shí)，混凝土拌合物具有良好的工作性能。經(jīng)纖維混凝土試驗(yàn)段與未添加纖維的普通混凝土試驗(yàn)段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，纖維混凝土7 d齡期的強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土試驗(yàn)段強(qiáng)度有一定的提高。后期混凝土充分硬化，28 d齡期以后的強(qiáng)度力學(xué)指標(biāo)基本穩(wěn)定，不再顯著增長。根據(jù)實(shí)測(cè)值，強(qiáng)度指標(biāo)測(cè)定為混凝土在7 d齡期時(shí)所測(cè)得的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，每種試件做3組取平均值。添加纖維的基準(zhǔn)混凝土7 d抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為35 MPa，抗折強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為2.6 MPa； 纖維混凝土7 d齡期的抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為43 MPa，抗折強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為3.3 MPa。纖維混凝土取料試件如圖6所示。

圖6 纖維混凝土取料試件

現(xiàn)場(chǎng)在相同地質(zhì)條件下經(jīng)實(shí)際施工使用對(duì)比分析后，通過抗裂纖維的減裂作用及現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，初期支護(hù)的單點(diǎn)水平平均變形量較未使用抗裂纖維的段落減少5～8 cm，基本未在初期支護(hù)表面發(fā)現(xiàn)明顯的開裂掉塊現(xiàn)象，且無明顯損傷裂縫，確保了隧道初期支護(hù)混凝土具有很好的完整性。隧道初期支護(hù)纖維混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。

圖7 隧道初期支護(hù)纖維混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)

3.2 初期支護(hù)數(shù)值模擬分析

利用FLAC3D軟件，對(duì)木寨嶺隧道混凝土初期支護(hù)受力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究初期支護(hù)混凝土應(yīng)力變化規(guī)律。建立的模型尺寸為100 m(X軸)×100 m(Z軸)×60 m(Y軸)，X軸為水平方向，Z軸為豎直方向，Y軸為縱向開挖方向。模型的單元及邊界條件與隧道斷面施工實(shí)際尺寸相同。在隧道開挖施工過程中，模型中間斷面(Y=30 m)施工對(duì)應(yīng)的初期支護(hù)混凝土水平、豎向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

(b) Z方向(豎直方向)

由圖8可以看出： 1)隧道初期支護(hù)混凝土水平應(yīng)力變化規(guī)律為拱頂位置應(yīng)力逐漸增加，左右邊墻、拱腳位置的水平應(yīng)力逐漸降低； 2)豎直方向應(yīng)力表現(xiàn)為隧道初期支護(hù)拱頂位置逐漸減小，左右邊墻、拱腳處應(yīng)力均呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。由此可見： 同一隧道斷面，不同位置的初期支護(hù)混凝土受力不均勻，有必要在初期支護(hù)混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)隧道斷面混凝土接觸壓力進(jìn)行實(shí)測(cè)，以此探索隧道初期支護(hù)混凝土的受力規(guī)律，同時(shí)進(jìn)一步評(píng)價(jià)纖維混凝土的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.3 初期支護(hù)混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)受力分析

選取初期支護(hù)混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)具有代表性的單個(gè)隧道斷面混凝土接觸壓力進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯?初期支護(hù)混凝土的實(shí)測(cè)受力值均小于纖維混凝土的強(qiáng)度極限值，滿足初期支護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)的安全需要。

圖9 隧道初期支護(hù)混凝土接觸壓力分布(單位: MPa)

Fig. 9 Distribution of contact pressure of tunnel lining concrete (unit: MPa)

4 結(jié)論與建議

1)摻入高彈模PVA合成纖維后，混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)性、抗裂性能均有所改善，抗裂纖維在混凝土塑性及硬化階段，均能起到抑制裂縫的效應(yīng)，減少混凝土的收縮和開裂，大幅提高混凝土完整性。

2)在不改變?cè)吓浜媳鹊那疤嵯?，混凝土中添加高彈模PVA合成纖維，需要適當(dāng)增加減水劑用量。考慮到減水劑的種類和摻量對(duì)纖維混凝土塌落度的影響較大，減水劑摻量在原有基礎(chǔ)上需要增加15%，所用減水劑優(yōu)化實(shí)際摻量為2.4%時(shí)，混凝土拌合物具有良好的工作性能。

3)添加高彈模PVA合成纖維的新型初期支護(hù)噴射混凝土，應(yīng)用于高地應(yīng)力大變形的隧道初期支護(hù)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)變形可控的條件下，抗裂性能顯著，值得借鑒與推廣。

4)纖維噴射混凝土成型的關(guān)鍵性因素是纖維能否均勻地分布在混凝土中。在施工中必須先對(duì)干燥纖維進(jìn)行分散處理，避免混凝土拌和過程中出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，從而降低混凝土性能。