鋼纖維自密實混凝土管片力學性能的試驗分析

貢怡新 黃金生

（1.南京廣蘭建材科技有限公司，江蘇南京 210000；2.江蘇龍冠新型材料科技有限公司，江蘇南京 210000）

在鐵路隧道施工中，混凝土管片的配筋率會影響其力學性能，進而影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強度。在跨國鐵路工程中，依據(jù)歐洲標準設計生產(chǎn)的隧道管片以普通混凝土為原料，表現(xiàn)出配筋率較高現(xiàn)象，難以控制鋼筋間的距離，導致結(jié)構(gòu)應力集中，引發(fā)離析問題，影響工程質(zhì)量。因此，有必要引進新型混凝土原料。

1 鋼纖維自密實混凝土管片力學性能的試驗

為評估鋼纖維自密實混凝土管片的力學性能，分析鋼纖維在混凝土中替代鋼筋的可行性，本文以某跨國鐵路工程為例，選擇對稱傾角梁構(gòu)件為試驗對象，選出最佳材料，實現(xiàn)隧道管片的優(yōu)化，使其滿足跨國鐵路施工要求。

1.1 試驗材料

試驗材料及來源如下：（1）水泥，大連某水泥企業(yè)生產(chǎn)的P·Ⅱ52.5R普通硅酸鹽水泥；（2）鋼纖維，長度為35 mm，等效直徑為0.55 mm，型號為Dramix RC65/35BN端部彎鉤鋼纖維；（3）鋼筋，型號為HRB400，橫筋直徑為14 mm，縱筋直徑為10 mm；（4）骨料，細骨料選擇河砂及中砂，粒徑控制在0～5 mm之間，粗骨料選擇石灰石碎石，粒徑控制在5～10 mm之間；（5）減水劑選擇聚羧酸高效減水劑[1]。

1.2 試驗方法

應用上述原料，按照歐洲自密實混凝土標準進行混凝土的配置，配比如下：水泥390 kg/m3、粉煤灰150 kg/m3、砂石808 kg/m3、水178 kg/m3、高效減水劑9.72 kg/m3。在混凝土配置中，鋼纖維的添加量分別為0、25 kg/m3和50 kg/m3；箍筋配箍率分別為0、0.295%、0.593%；縱筋配筋率分別為2.6%和2.2%，共六個試驗方案，如表1所示。

表1 試驗方案統(tǒng)計表

在上述方案中，方案一為普通鋼筋混凝土，其余均為鋼纖維自密實混凝土。所有鋼筋構(gòu)件規(guī)格一致，對稱傾角梁的結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖1所示。

圖1 對稱傾角梁檢測結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

在對稱傾角梁的跨中和加載點設置3個位移傳感器，用于檢測位移參數(shù)；在對稱傾角梁的縱筋中安裝鋼筋應變片，通過1 000 kN液壓伺服試驗機檢測分析構(gòu)件荷載與撓度的關系。設備的加載速度設定為0.5 mm/min，以等速位移方式進行控制。

2 鋼纖維自密實混凝土管片力學性能試驗結(jié)果分析

2.1 抗壓強度

試驗結(jié)果顯示，方案一的構(gòu)件抗壓強度為60.5 MPa，方案二和方案三的構(gòu)件抗壓強度平均值為61 MPa；其余方案的構(gòu)件抗壓強度平均值為60.3 MPa。對比試驗結(jié)果可知，普通鋼筋混凝土的抗壓強度略高于鋼纖維自密實混凝土，鋼纖維添加量越大，混凝土的抗壓強度越低。但所有方案的抗壓強度均滿足鐵路隧道施工要求，可在工程實踐中應用。鋼纖維自密實混凝土抗壓強度偏低的原因在于鋼纖維的加入，使混凝土的脆性降低。

2.2 管片承載力

在荷載試驗中，各個方案的構(gòu)件均出現(xiàn)剪切破壞現(xiàn)象，對比各個方案的荷載-撓度曲線發(fā)現(xiàn)，鋼纖維的添加可有效增強混凝土構(gòu)件的力學性能。和普通鋼筋混凝土相比，鋼纖維混凝土的極限承載力更高，能力吸收能力更強。例如，方案五和方案三的極限承載力相差無幾。在極限荷載后，各個方案的構(gòu)件承載力降低約15%～30%，并保持穩(wěn)定狀態(tài)。在該過程中，方案三和方案四的構(gòu)件承載力降低程度最低，其剩余承載力顯著高于方案一和方案五。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于方案一未添加鋼纖維，方案五未配置箍筋。方案六和方案一的構(gòu)件在荷載前的剛度相差無幾，但荷載后，方案六構(gòu)件的各項力學性能均優(yōu)于方案一。

在荷載試驗中，結(jié)合荷載與撓度、縱筋的應變曲線，可計算各個方案的正截面開裂荷載、極限荷載、極限荷載增幅及開裂荷載下的構(gòu)件撓度[2]。對比各個方案的荷載數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各個方案間的正截面開裂荷載相差無幾，對應的撓度變化不大，但極限荷載相差較大。方案一極限荷載為157.4 kN，方案二為174.1 kN，方案三為165.2 kN，方案四為180.3 kN，方案五為166.9 kN，方案六為192.1 kN。

2.3 管片韌性

目前的技術(shù)水平，隧道管片韌性檢測主要根據(jù)梁抗彎試驗結(jié)果繪制荷載-跨中撓度全曲線，計算其與坐標軸組成圖形的面積，了解構(gòu)件開裂后的能量吸收能力，進而明確鋼纖維對構(gòu)件開裂的影響，分析指標選為等效抗彎強度。在本試驗分析中，分析參數(shù)包括D8f、D12f、ffeq,8和ffeq,12。D8f是指跨中撓度為（δer+8 mm）情況下混凝土的能量吸收能力；D12f是指跨中撓度為（δer+12 mm）情況下混凝土的能量吸收能力；ffeq,8是指跨中撓度為（δer+8 mm）情況下混凝土的等效抗彎強度；ffeq,12是跨中撓度為（δer+12 mm）情況下混凝土的等效抗彎強度。計算結(jié)果如表2所示。

表2 管片韌性計算結(jié)果表

結(jié)合上表數(shù)據(jù)可知，鋼纖維的添加量越高，混凝土管片的韌性參數(shù)越強。和方案一的普通混凝土構(gòu)件相比，方案二的能量吸收能力提升程度約28%；在鋼纖維自密實混凝土構(gòu)件中，和方案二相比，方案三和方案四的能量吸收能力提升約24%與31%。

2.4 鋼纖維應用的可行性分析

綜合上述試驗結(jié)果可知，和普通鋼筋混凝土相比，鋼纖維自密實混凝土的各項性能更為優(yōu)異。具體可從以下幾方面分析：

（1）對比方案一與方案六，方案六的混凝土構(gòu)件極限承載力更高。在撓度為（δer+8 mm）情況下，對比方案一和方案五，方案五的能量吸收能力更高。隨著位移的提升，方案五的承載力下降速度高于其他鋼纖維混凝土構(gòu)件方案，說明箍筋的配置會影響混凝土構(gòu)件的韌性。綜合對比方案一與其他方案，發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土的各項性能更高，說明鋼纖維可替代鋼筋。

（2）對比方案一與二、三，在鋼纖維替代部分鋼筋后，極限承載力分別提升約5%和14.4%；撓度為（δer+8 mm）情況下，能量吸收能力分別提升約22%和24%；在撓度為（δer+12 mm）情況下，能量吸收能力分別提升約24%和31%。對比方案二、三和方案四、六，在鋼纖維添加量增多后，極限承載力分別提升約22%和18%；在撓度為（δer+8 mm）情況下，能量吸收能力分別提升約17%和19%；在撓度為（δer+12 mm）情況下，能量吸收能力分別提升約21%和25%。

綜合上述對比結(jié)果，施工單位可在傳統(tǒng)混凝土配置中添加適量鋼纖維，通過鋼纖維與鋼筋的配合使用，混凝土構(gòu)件的力學性能有較大改善，極限承載力更高，能量吸收能力更強，韌性更為優(yōu)異，可滿足鐵路工程隧道管片施工要求，解決傳統(tǒng)管片存在的結(jié)構(gòu)應力集中或混凝土離析問題，值得推廣普及。在鋼纖維自密實混凝土管片應用中，根據(jù)不同工程特點，鋼纖維的添加量不同。對于巖層相對穩(wěn)定、隧道管片受力偏小的區(qū)域，可選擇方案五配置混凝土；對于受力復雜、結(jié)構(gòu)易變形的區(qū)域，可選擇方案三，由鋼纖維替代部分鋼筋，并適當提高鋼筋間距，避免管片構(gòu)件出現(xiàn)變形，盡最大限度發(fā)揮原材料優(yōu)勢，提高結(jié)構(gòu)性能，保障結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，使工程效益更高[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，在鋼纖維自密實混凝土管片力學性能分析中，和普通鋼筋混凝土相比，抗壓強度略低，但滿足鐵路隧道施工要求；極限荷載更高，承載力更強；混凝土管片的韌性更強?？蓪摾w維替代傳統(tǒng)鋼筋，作為鐵路工程隧道管片的混凝土原料，提高混凝土構(gòu)件的力學性能，提高隧道施工質(zhì)量。