纖維混凝土管片設(shè)計研究及工程應(yīng)用探究

貢怡新， 黃金生

(1.南京廣蘭建材科技有限公司，江蘇 南京 211164；2.江蘇龍冠新型材料科技有限公司，江蘇 南京 211122)

0 引 言

作為一種新型的復(fù)合材料，纖維混凝土具備比普通混凝土更好的力學(xué)性能、物理特性與強(qiáng)度質(zhì)量。所以，將此種材料應(yīng)用到工程建筑物管片構(gòu)件的設(shè)計與實(shí)踐中，能達(dá)成更高水平的工程建設(shè)效果。據(jù)此，我們有必要對纖維混凝土管片的設(shè)計研究與工程應(yīng)用展開探索分析。

1 纖維混凝土管片設(shè)計的重要價值

結(jié)合學(xué)界研究與行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來看，相較于普通的混凝土材料，纖維混凝土主要表現(xiàn)有以下幾點(diǎn)應(yīng)用優(yōu)勢：

(1)抗疲勞性更強(qiáng)。據(jù)相關(guān)研究顯示，當(dāng)纖維混凝土中的纖維摻量高于2%時，其抗疲勞應(yīng)力水平將超過0.9，而普通的混凝土材料僅為0.5至0.6。所以，將纖維混凝土設(shè)計、應(yīng)用到工程建設(shè)當(dāng)中，能達(dá)到延長建筑物使用壽命、降低建筑物受力開裂風(fēng)險的優(yōu)質(zhì)效果。

(2)抗腐蝕性更強(qiáng)。經(jīng)大量學(xué)者研究考證，與普通的混凝土材料相比，纖維混凝土在環(huán)境模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場暴露試驗(yàn)等環(huán)境下，均表現(xiàn)出了更高水平的耐熱性、抗腐蝕性，且抗腐蝕性具體涵蓋有抗氣蝕、抗水蝕、抗風(fēng)蝕、抗化學(xué)腐蝕等多個方面。所以，將纖維混凝土管片應(yīng)用到工程建設(shè)中，對建筑物質(zhì)量具有明顯的提升作用。

(3)強(qiáng)度更高。學(xué)界研究表明，當(dāng)混凝土內(nèi)鋼纖維材料的摻入量處在1%～2%時，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度相較于普通混凝土分別提高25%～50%、30%～80%、50%～100%、0%～25%。所以，在工程中應(yīng)用纖維混凝土管片，能使工程建筑物整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與承載能力達(dá)到較高水平，從而充分滿足相關(guān)建設(shè)要求。

基于以上，纖維混凝土對工程建筑物的提升作用是多方面、大程度的。所以，將纖維混凝土管片(圖1)作為設(shè)計重點(diǎn)，對工程項目建設(shè)質(zhì)量的保障與強(qiáng)化具有重要現(xiàn)實(shí)價值。

圖1 纖維混凝土管片

2 纖維混凝土管片設(shè)計的主要內(nèi)容

2.1 纖維混凝土管片的材料配比設(shè)計

纖維混凝土管片的性能質(zhì)量，與其材料成分、配合比參數(shù)密切相關(guān)。具體來講，其設(shè)計工作應(yīng)盡量滿足以下要求：

(1)在選擇摻入的纖維種類時，應(yīng)以高強(qiáng)度的切斷型鋼纖維為宜。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合鋼纖維的組合成型方式，進(jìn)行材料摻入量的控制：若鋼纖維由成排黏結(jié)的鋼絲(圖2)組合而成，則宜將摻入量維持在60 kg/m3以下；若鋼纖維由松散連接的鋼絲組合而成，則宜將摻入量維持在50 km/m3以下。這樣一來，可在保證鋼纖維發(fā)揮強(qiáng)化作用的同時，避免鋼纖維混凝土發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

圖2 成排黏結(jié)型鋼纖維

(2)為了實(shí)現(xiàn)纖維混凝土管片性能的進(jìn)一步提升，還可摻入適量的聚丙烯纖維。在設(shè)計中，應(yīng)將纖維材料高溫抗爆水平作為用量控制的關(guān)鍵指標(biāo)。一般來講，如使用國產(chǎn)聚丙烯纖維，宜將摻入量控制在0.9～1.2 kg/m3；如使用進(jìn)口聚丙烯纖維，宜將摻入量控制在0.6～0.9 kg/m3。

(3)在設(shè)計纖維混凝土管片的水膠比時，應(yīng)根據(jù)常規(guī)混凝土管片的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。例如，C50混凝土的水膠比宜控制在0.31～0.33。在此基礎(chǔ)上，鋼纖維混凝土在加入外加劑時，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)用量以上適當(dāng)提高0.05%～0.1%。

(4)在摻入鋼纖維、聚丙烯纖維等纖維材料后，混凝土離析現(xiàn)象的發(fā)生概率會稍有提高。據(jù)此，為了保證混凝土混合結(jié)構(gòu)的整體性與穩(wěn)定性，避免砂料下沉形成的離析風(fēng)險，應(yīng)在設(shè)計中適當(dāng)提高混凝土的含砂量。例如，C50混凝土的含沙量應(yīng)控制在40%～42%。

(5)在選用外加劑時，應(yīng)從材料適應(yīng)性、成本經(jīng)濟(jì)性、性能影響性等多方面進(jìn)行考量。基于此，由于纖維混凝土管片多為預(yù)制構(gòu)件，存在材料尺寸的收縮風(fēng)險，所以應(yīng)盡量選擇可緩解混凝土前期收縮程度的外加劑，如改性三聚氰胺系減水劑、聚羧酸系減水劑、高效萘系減水劑等。

2.2 纖維混凝土管片的力學(xué)性能設(shè)計

在設(shè)計纖維混凝土管片的力學(xué)性能時，相關(guān)人員應(yīng)對混凝土管片的工程應(yīng)用位置進(jìn)行具體分析，并制訂針對性的控制方案。

(1)若管片為小偏心受壓構(gòu)件，纖維混凝土與普通混凝土的承載力比值約為1.019，所以相關(guān)人員在規(guī)劃此類管片的力學(xué)性能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2002)的基礎(chǔ)上，將承載力標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)乘以1.019。

(2)若管片為軸心受壓構(gòu)件，鋼纖維、聚丙烯纖維對混凝土的提升作用并不明顯，此時相關(guān)人員便可直接按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》制定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，無須進(jìn)行承載力參數(shù)的進(jìn)一步調(diào)整。

(3)若管片為大偏心受壓構(gòu)件，纖維混凝土與普通混凝土相比的優(yōu)勢將有明顯體現(xiàn)，此時相關(guān)人員在設(shè)計構(gòu)件的承載力標(biāo)準(zhǔn)時，不僅要符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的參數(shù)要求，還需要將纖維混凝土抗拉強(qiáng)度的提升幅度納入到工作視野當(dāng)中。具體來講，可對大偏心受壓管片的受力分布情況進(jìn)行圖像繪制，并通過xt=h-x/β1與fftu=ftβtuλf兩個公式進(jìn)行運(yùn)算。式中，xt為受力圖形的受拉區(qū)高度，h為管片構(gòu)件的截面高度，x為受力圖形的受壓區(qū)高度，β1為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，ftu為纖維材料的抗拉強(qiáng)度，βtu為纖維材料對混凝土力學(xué)性能的影響系數(shù)(通常為1.30)。

3 纖維混凝土管片設(shè)計的工程應(yīng)用

以某地鐵工程A路段的建設(shè)施工為例，對纖維混凝土管片設(shè)計的應(yīng)用效果進(jìn)行測試分析。該路段為東西走向，其盾構(gòu)由橋梁的樁柱旁穿過，距離橋樁的最短距離為3.62 m，總長度約為20 m。在方案設(shè)計中，管片構(gòu)件所使用的纖維混凝土材料共有兩種類型，一為G56型混凝土，鋼纖維摻入量為36 kg/m3，二為G80型混凝土，鋼纖維摻入量為30 kg/m3，兩者摻入的鋼纖維均為φ14 mm的高強(qiáng)度鋼筋。

在此案例背景下，主要從管片應(yīng)力、管片接頭螺栓力以及管片環(huán)向位移形變?nèi)齻€角度入手，進(jìn)行纖維混凝土管片的應(yīng)用效果評估。

在管片應(yīng)力的應(yīng)用評估過程中，主要對以下幾項數(shù)值的變化情況進(jìn)行測量分析：①管片組裝成環(huán)狀結(jié)構(gòu)后的內(nèi)部應(yīng)力變化；②在盾構(gòu)千斤頂設(shè)計工況下的管片內(nèi)部應(yīng)力變化；③管片出盾后的內(nèi)部應(yīng)力變化。

在管片接頭螺栓力的應(yīng)用評估過程中，主要在每個螺栓的周圍均勻布設(shè)4個測量點(diǎn)，并測量記錄環(huán)向、縱向螺栓的應(yīng)變情況。

在管片環(huán)向位移形變的應(yīng)用評估過程中，主要采取游標(biāo)卡尺量測的方式，對同一環(huán)狀結(jié)構(gòu)中相鄰管片的接縫變化情況進(jìn)行測量記錄。

在三項評估工作結(jié)束后，綜合得出以下兩點(diǎn)結(jié)論：

(1)在千斤頂局部壓力的施加下，管片的內(nèi)部應(yīng)力、形變情況均處于較低水平。所以，使用纖維混凝土管片開展工程作業(yè)，可充分滿足工程建設(shè)的應(yīng)力需求，避免建筑物出現(xiàn)開裂、形變等故障問題。

(2)若纖維混凝土管片的連接質(zhì)量不佳，其在應(yīng)力作用下可能發(fā)生接縫破潰的情況。所以，為了避免盾構(gòu)管片出現(xiàn)開裂情況，在工程施工中應(yīng)嚴(yán)格把控管片的組合安裝精度。

4 結(jié)束語

總而言之，將纖維混凝土作為管片構(gòu)件的制作材料，可實(shí)現(xiàn)管片在韌性、抗疲勞性、抗腐蝕性、承載力等多個性能方面的強(qiáng)化提升。所以，其在工程建設(shè)中具備高度的應(yīng)用價值。但需要注意的是，相關(guān)人員在設(shè)計、安裝等實(shí)踐過程中，必須要對原料類型、配合比、力學(xué)性能、組合精度等進(jìn)行科學(xué)把控，以確保纖維混凝土優(yōu)勢作用的穩(wěn)定發(fā)揮。