多尺度聚丙烯纖維混凝土在隧道二襯中的應用

梁寧慧，周 侃，毛金旺，劉新榮，2 ，任聯(lián)璽

(1. 重慶大學 土木工程學院，重慶 400000；2. 重慶大學 庫區(qū)環(huán)境地質(zhì)災害防治國家地方聯(lián)合工程研究中心，重慶 400000)

0 引言

隧道二襯混凝土開裂是多年來國內(nèi)外隧道工程面臨的難題。隨著運營時間的增長，隧道襯砌裂縫不斷出現(xiàn)和發(fā)展，維護工作難度不斷加大，運營成本大幅提高，并且會引發(fā)一系列的襯砌病害，如滲漏水，腐蝕，掉塊等，危及行車安全[1-2]。2012年12月，日本中央高速公路上行線屜子隧道發(fā)生坍塌事故，造成重大人員傷亡；2001年12月，國內(nèi)寶中線清涼山隧道襯砌掉塊，險些釀成嚴重的行車事故[3]。為解決這一問題，世界各國積極研究相應措施。德國對二襯混凝土采用單層鋼筋網(wǎng)護面結(jié)構(gòu)，但鋼筋網(wǎng)護面結(jié)構(gòu)造價高、施工困難、工程耗時長；國內(nèi)以往根據(jù)圍巖等級對二襯結(jié)構(gòu)進行處理，對于Ⅱ、Ⅲ級圍巖采用素混凝土結(jié)構(gòu)，對Ⅳ級和Ⅴ級圍巖采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]。文獻[5]表明，預防隧道二襯裂縫措施主要從以下3個方面來考慮：工程設(shè)計，隧道施工以及二襯混凝土材料改善方面。在實際工程中使用纖維混凝土代替普通混凝土可初步解決二襯非結(jié)構(gòu)性裂縫問題。如武廣鐵路客運專線隧道二襯中應用纖維素纖維混凝土，取得良好的工作性能，抗裂性和外觀效果[6]；曹擎宇等[4]將纖維素纖維混凝土應用于某高速鐵路隧道二襯結(jié)構(gòu)，滿足工作性能、強度、耐久性要求，混凝土二襯成型后期情況良好；周紅芳等[7]在木寨嶺公路隧道噴射混凝土施工中添加高彈模PVA合成纖維，使混凝土具有良好的抗裂性能，達到了抑制初期支護混凝土開裂的效果。

纖維的摻入在混凝土中有明顯的增強增韌作用。其中鋼纖維和聚丙烯纖維最為常見，但鋼纖維由于自重大、易腐蝕等缺點，不適用于潮濕的地下結(jié)構(gòu)中。近年來，聚丙烯粗纖維由于具有與鋼纖維類似的增強作用，逐漸發(fā)展成為鋼纖維的一種替代品。而聚丙烯細纖維與粗纖維的阻裂機理不同，已有研究[8]發(fā)現(xiàn)，將不同尺度的聚丙烯纖維混摻能夠在混凝土結(jié)構(gòu)開裂的不同階段發(fā)揮有效的阻裂作用，其阻裂效果優(yōu)于單摻聚丙烯粗纖維或細纖維。目前關(guān)于混摻多尺度聚丙烯纖維混凝土在隧道二襯中的應用還鮮有報道。

鑒于此，結(jié)合重慶某山區(qū)公路隧道病害整治工程，為減輕隧道二襯開裂問題，選用2種聚丙烯細纖維和1種聚丙烯粗纖維進行混摻，對多尺度聚丙烯纖維混凝土的工作性、抗裂性、立方體抗壓強度和劈裂抗拉強度進行測試，制備出滿足隧道二襯結(jié)構(gòu)施工條件與設(shè)計要求的多尺度聚丙烯纖維混凝土。在該隧道Ⅴ級圍巖處進行現(xiàn)場試驗，選取兩個6 m的試驗段分別作為纖維混凝土段與普通混凝土段，對二襯混凝土表面裂縫情況及力學性能進行跟蹤監(jiān)測，并將兩個試驗段進行對比分析，驗證多尺度聚丙烯纖維混凝土應用于隧道二襯的可行性。

1 工程背景

重慶某病害整治隧道，最大埋深約650 m，設(shè)計斷面高5.0 m，寬10.25 m。隧址區(qū)地表溪溝發(fā)育，多條溪溝橫穿隧道頂部，隧道穿越山體背斜，節(jié)理及小褶皺發(fā)育，巖層破碎，巖體滲透系數(shù)大。地下水流經(jīng)灰?guī)r、鹽溶角礫巖地層(局部發(fā)育石膏及硬石膏巖)后會攜帶硫酸鹽腐蝕性介質(zhì)，腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)。同時在排水不暢段，襯砌薄弱處在長期水壓作用下產(chǎn)生開裂、滲漏水等問題。

隧道右線K0+005-K2+814，左線K0+111-K1+677范圍內(nèi)出現(xiàn)了嚴重的襯砌開裂、襯砌腐蝕、滲漏水等病害，為保障隧道運營安全，運營單位決定對隧道內(nèi)病害嚴重段進行二襯拆換等病害整治工作。

該隧道二襯開裂現(xiàn)象十分顯著，環(huán)向裂縫、縱向裂縫以及斜向裂縫均有發(fā)育，如圖1所示。裂縫多產(chǎn)生于洞口段及附近，這些地方的覆蓋巖層往往較為松軟，巖體松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，受風化作用嚴重，穩(wěn)定性差，從而導致巖體坍塌，襯砌開裂[9-11]；隧道各類型裂縫數(shù)量統(tǒng)計與占比如圖2所示，環(huán)向裂縫和縱向裂縫占比較大，部分開裂段存在斜裂縫及網(wǎng)狀裂縫；在地下水豐富和襯砌開裂嚴重處易出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象，具有腐蝕性的地下水長期侵蝕襯砌混凝土，襯砌結(jié)構(gòu)劣化嚴重，力學性能降低，進而推動新裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，如此惡性循環(huán)，使得隧道內(nèi)襯砌開裂情況愈發(fā)嚴重。為盡可能避免此類病害滋生，增強襯砌結(jié)構(gòu)的抗裂性能至關(guān)重要。

圖2 各類型裂縫數(shù)量統(tǒng)計與占比Fig.2 Statistics and proportion of each type of cracks

為提高混凝土材料的抗裂性能，緩解二襯開裂問題，開展多尺度聚丙烯纖維混凝土室內(nèi)試驗，制備出滿足工作性能，抗裂性能和強度要求的二襯混凝土，結(jié)合該隧道拆換二襯的病害整治工作，將多尺度聚丙烯纖維混凝土應用于隧道二襯。

2 室內(nèi)試驗

2.1 原材料及配合比

基體混凝土的水泥采用海螺牌P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥。細骨料為機制砂，細度模數(shù)2.6～3.0。粗骨料1為粒徑5～10 mm碎石，粗骨料2為粒徑10～25 mm碎石，連續(xù)級配。聚丙烯纖維采用北京某工程材料有限公司、南通某科技股份有限公司以及寧波某新材料股份有限公司生產(chǎn)的，性能參數(shù)見表1，纖維形狀如圖3所示。

表1 聚丙烯纖維性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of polypropylene fiber

圖3 聚丙烯纖維形狀Fig.3 Shapes of polypropylene fiber

基于團隊前期關(guān)于多尺度聚丙烯纖維混凝土的研究[12]，根據(jù)現(xiàn)場混凝土抗壓強度和施工要求等設(shè)計配合比。混凝土強度等級為C45，通過調(diào)節(jié)材料配比，滿足纖維混凝土的坍落度在(200±20)mm范圍內(nèi)。聚丙烯纖維在混凝土基體中體積率低于0.1%時，混凝土基體配合比一般不受影響[13-14]，因此為了增加其可比性，兩組混凝土采用相同的基礎(chǔ)配合比。通過大量試驗，優(yōu)選出多尺度聚丙烯纖維混凝土的配合比如表2所示。

表2 C45混凝土配合比(單位：kg·m-3)Tab.2 Mixing ratios of C45 concrete (unit：kg·m-3)

2.2 試驗方法

(1)坍落度

混凝土的和易性主要包括流動性、黏聚性和保水性。和易性的好壞直接影響現(xiàn)場施工操作與效果。本試驗采用坍落度法，依據(jù)普通混凝土拌和物性能試驗方法標準(GB/T 50080—2016)，測得現(xiàn)場所用混凝土的坍落度以及2 h經(jīng)時損失。

(2)抗裂性

根據(jù)普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082—2009)，本次試驗采用平板法檢驗混凝土在約束狀態(tài)下的抗裂性能，該方法的優(yōu)點是比較易于操作，能快速有效地觀察混凝土的塑性干縮性能。平板試模尺寸為560 mm×365 mm×114 mm，用彎起的波浪形鐵板(應力約束條)提供約束(見圖4)。試件澆注完成后用電風扇直接吹表面，連續(xù)吹24 h，期間觀察裂縫開展情況，讀取裂縫數(shù)量，測量裂縫長度與最大裂縫寬度。

圖4 平板試驗裝置(單位：mm)Fig.4 Flat panel test device(unit：mm)

(3)拉壓強度

參照普通混凝土力學性能試驗方法標準(GB/T50081—2002)和纖維混凝土試驗方法標準(CECS13—2009)中的相關(guān)規(guī)定，試件成型后送至標準養(yǎng)護室，養(yǎng)護7，14和28 d后，進行纖維混凝土的拉壓試驗。

試驗選用YES-2000型壓力試驗機進行加載，可提供最大試驗力2 000 kN。每個試驗組共3個試件，試件尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm的立方體，普通混凝土和纖維混凝土非標準試件的抗壓強度換算系數(shù)分別為0.95和0.90，劈裂抗拉強度換算系數(shù)分別為0.85和0.80[15]。

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 混凝土坍落度

混凝土坍落度及2 h經(jīng)時損失見表3。與普通混凝土相比，多尺度聚丙烯纖維可以在混凝土中形成細密的空間網(wǎng)格，一定程度上承托了骨料，減少了其由于自重引起的下沉；同時，由于部分水泥漿體包裹了摻入的纖維，導致包裹細集料的水泥漿體減少，混凝土的流動性變差，致使其坍落度降低[15-16]，但仍滿足坍落度在(200±20)mm范圍內(nèi)的要求，即滿足現(xiàn)場泵送要求。

表3 坍落度試驗結(jié)果Tab.3 Test result of slump

2.3.2 混凝土早期抗裂性能

平板試驗分別測試了混凝土主應力處高度、起裂時間、裂縫數(shù)量、24 h裂縫長度和24 h裂縫寬度，混凝土開裂情況見圖5，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土抗裂性能試驗結(jié)果Tab.4 Test result of concrete crack resistance

圖5 早期裂縫分布Fig.5 Distribution of early cracks

根據(jù)混凝土早期抗裂性試驗結(jié)果可知：

(1)纖維組的起裂時間比普通組晚，說明聚丙烯纖維的加入可以延緩混凝土的早期開裂。

(2)從裂縫數(shù)量上看，纖維混凝土少于基準混凝土。裂縫主要分布在主應力條附近，基準混凝土主應力處混凝土高度較小，出現(xiàn)骨料及固體顆粒下沉的凹槽。

(3)纖維的摻入使裂縫長度和寬度明顯減小，纖維組的24 h裂縫長度比普通組減少了53.5%，最大裂縫寬度減少了79.9%，裂縫趨于細化。

聚丙烯纖維在裂縫產(chǎn)生，擴展和失穩(wěn)破壞的全過程均能起到良好的阻裂作用?；炷潦艿酵饬ψ饔脮r，骨料和砂漿的結(jié)合面會產(chǎn)生相對位移，形成最早的微裂縫[17]。細纖維在阻止相對位移時，也改變了應力的傳遞路徑，使應力更加分散，緩解裂縫尖端的應力集中，降低了裂縫出現(xiàn)和發(fā)展的可能性；當細微裂縫向宏觀裂縫擴展時，粗、細纖維起到橋接作用，減小了裂縫的長度和寬度，如圖6所示。當宏觀裂縫在外力作用下失穩(wěn)破壞時，粗纖維可以承擔部分由于外力產(chǎn)生的變形，并且裂縫間纖維的拔出需要消耗更多的能量，從而延緩了混凝土的開裂破壞[18-19]。因此，粗、細聚丙烯纖維的作用形成互補，產(chǎn)生了1+1>2的混雜正效應，使得多尺度聚丙烯纖維在混凝土開裂的全過程均起到良好的阻裂效果，實現(xiàn)階段抗裂、層次抗裂[7，20]。

圖6 纖維與混凝土的黏結(jié)Fig.6 Bonding between fibers and concrete

2.3.3 混凝土強度

混凝土強度試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7可知，聚丙烯纖維摻入后，混凝土各齡期抗壓強度無明顯提高，但均滿足設(shè)計要求。纖維組的7，14和28 d劈裂抗拉強度相較于普通組有較大提高，提高幅度分別為：8.7%，14.4%，10.2%。

圖7 混凝土強度Fig.7 Concrete strengths

在前期纖維混凝土立方體抗壓強度高于普通混凝土可以解釋為，均勻亂向分布在混凝土基體中的纖維有效限制了混凝土的側(cè)向變形，從而使抗壓強度得到提高。而粗纖維直徑較大，導致纖維與水泥漿體的界面孔洞增多，并且在后期混凝土本身強度較高，而低彈性模量的聚丙烯纖維會對立方體抗壓強度起到負作用。

混凝土試件劈裂受拉時，其內(nèi)部微裂縫就會進一步發(fā)展。當荷載達到基體薄弱區(qū)域的抗拉強度時，裂縫就會急劇擴展、失穩(wěn)，最終導致試件被拉壞。而聚丙烯纖維在裂縫擴展過程中能起到橋接作用，同時聚丙烯纖維強度高，與基體界面的黏結(jié)好，因此能有效提高混凝土的劈裂抗拉強度。通過對破壞后的試件研究發(fā)現(xiàn)，纖維混凝土的整體性比基準混凝土要好，沒有出現(xiàn)普通混凝土破壞時的脆裂現(xiàn)象，表現(xiàn)出一定的延性，如圖8所示。

圖8 試件劈拉破壞后斷面形態(tài)Fig.8 Section forms of specimen after splitting tensile failure

基于以上試驗現(xiàn)象及結(jié)論，可以發(fā)現(xiàn)，多尺度聚丙烯纖維的摻入能夠有效提高混凝土抗裂性能，在滿足抗壓強度要求的同時提高混凝土劈裂抗拉強度，混凝土中摻入纖維后依然滿足現(xiàn)場施工的泵送要求。因此，多尺度聚丙烯纖維混凝土用于隧道二次襯砌中是可行的，并能夠較好地抑制裂縫的形成與發(fā)展。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 試驗段澆注

結(jié)合地質(zhì)勘探和病害調(diào)研成果，選定兩個6 m段作為現(xiàn)場試驗段和對比段。為能夠較明顯地凸顯纖維抗裂效果，在能夠保證安全的前提下，選取地質(zhì)條件較差的Ⅴ級圍巖段，為控制變量，試驗段與對比段的地質(zhì)條件盡可能相近。所選段初支表面凹凸不平，但都按設(shè)計要求采用C25噴射混凝土處理，且初支鋼支撐基本較完整，間距滿足設(shè)計要求。原有二襯開裂較為嚴重，無明顯滲漏水情況，局部存在輕微腐蝕，二襯混凝土設(shè)計厚度為45 cm。泵送多尺度聚丙烯纖維混凝土過程中未出現(xiàn)泌水、離析和堵管等不良現(xiàn)象，纖維分散性良好?，F(xiàn)場試驗段澆注流程如圖9所示。

圖9 試驗段澆注流程Fig.9 Pouring process of test section

3.2 二襯后期監(jiān)測

在二襯澆注成型180 d后對混凝土表面狀況和強度指標進行檢測。普通混凝土和纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)表面平整、光滑，均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫；纖維混凝土二襯未出現(xiàn)纖維露頭、結(jié)團現(xiàn)象。用回彈儀對二襯拱腳和拱腰部位進行混凝土強度測試，結(jié)果見表5。由測試結(jié)果可知，普通混凝土與纖維混凝土強度值均滿足C45混凝土強度要求，即180 d后二襯滿足設(shè)計要求，進一步表明多尺度聚丙烯纖維混凝土可應用于隧道二襯，更多后期二襯情況有待進一步監(jiān)測。

表5 二襯混凝土回彈強度(單位：MPa)Tab.5 Rebound strengths of secondary lining concrete(unit：MPa)

4 結(jié)論

(1)纖維的摻入降低了混凝土的坍落度，但仍滿足現(xiàn)場泵送要求。混凝土早期抗裂性試驗表明粗、細纖維的橋接作用能有效抑制裂縫的形成與發(fā)展，在混凝土開裂的全過程均起到良好的阻裂效果，使得裂縫長度和最大裂縫寬度分別減少了53.5%和79.9%。

(2)相對于基準混凝土，多尺度聚丙烯纖維混凝土的28 d抗壓強度略有降低，但是其7，14和28 d劈裂抗拉強度有了較大幅度的提高，分別為8.7%，14.4%，10.2%，實現(xiàn)了混凝土工作性、抗裂性和強度的均衡。

(3)在保證安全的前提下，選取兩段6 m長的Ⅴ級圍巖隧道二襯段分別作為試驗段和對比段。襯砌結(jié)構(gòu)成型180 d后，纖維混凝土強度滿足設(shè)計要求；兩段襯砌結(jié)構(gòu)表面平整、光滑，均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫，由于使用時間還不夠長，更多后期二襯情況有待進一步監(jiān)測。