超長深埋鐵路隧道結構材料韌性提升及應用性能驗證

摘 要：針對傳統(tǒng)鐵路隧道韌性不足的問題，提出通過鋼纖維和碳納米管對混凝土進行協(xié)同改性，增加混凝土的韌性。試驗首先分析了鋼纖維碳納米管混凝土的基礎性能，然后對其在鐵路隧道的應用進行研究。試驗結果表明，鋼纖維摻量為2%，碳納米管摻量為0.1%時，對混凝土的增強效果最佳。此時，鋼纖維碳納米管的坍落度為160 mm，抗壓強度約為66.7 MPa，抗折強度約為10.5 MPa，初裂沖擊次數(shù)和終裂沖擊次數(shù)分別為284次和391次，破壞形態(tài)為塑性破壞，綜合性能良好。將其在鐵路深埋隧道中進行應用，各齡期底板側墻和頂板結構的外觀質量完整，未出現(xiàn)貫穿裂縫，表現(xiàn)出良好的應用效果。

關鍵詞：鐵路隧道混凝土；高性能混凝土；增韌效果；抗沖擊性能

中圖分類號：TU528；TQ178 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0117-04

Toughness improvement and application performanceverification of structural materials for ultra-long deepburied railway tunnels

YANG Chaoshuai 1，2 ，GUO Xiaoxiong 3，4 ，ZHONG Juzhu 5 ，WU Chenglong 5

（1. China Railway Tunnel Group Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，China ；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of TunnelStructure，Guangzhou 511458，China；3. China Academy of Railway Sciences Co.，Ltd.，Beijing 100081，China ；4. State Key Laboratory of High Speed Railway Track Technology，Beijing 100081，China；5. College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，Guangdong China）

Abstract：In response to the problem of insufficient toughness in traditional railway tunnels，it was proposed to syn?ergistically modify concrete with steel fibers and carbon nanotubes to increase its toughness. The experiment first analyzed the basic properties of steel fiber carbon nanotube concrete，and then studied its application in railway tun?nels. The experimental results showed that when the steel fiber content was 2% and the carbon nanotube contentwas 0.1%，the reinforcement effect on concrete was the best. At this point，the slump of the steel fiber carbon nano?tube was 160 mm，the compressive strength was about 66.7 MPa，the flexural strength was about 10.5 MPa，and thenumber of initial and final crack impacts was 284 and 391，respectively. The failure mode was plastic failure，andthe overall performance was good. When it was applied in the railway deep buried tunnel，the appearance quality ofeach structure was complete，and there was no through crack，showing good application effect.

Key words：concrete for railway tunnels；high performance concrete；toughening effect；impact resistance

傳統(tǒng)混凝土受其材料特性的影響，在使用過程中存在強度低，韌性差的問題，對深埋鐵路隧道的使用產(chǎn)生影響。對此，部分學者也進行了很多研究，如通過改性聚丙烯纖維對混凝土進行增韌處理，并研究了纖維摻量對混凝土韌性的影響 [1] 。通過鋼纖維與聚丙烯纖維對混凝土進行增韌處理 [2] 。通過粉煤灰對混雜纖維混凝土性能進行研究 [3] 。研究不同形態(tài)的鋼纖維對高性能混凝土的增韌效果 [4] ?；诖?，本試驗以文獻 [5] 論文為參考，制備了一種新型鋼纖維碳納米管混凝土，并對其性能和應用效果進行研究。

1 試驗部分

1. 1 材料與設備

主要材料：水泥（P·O 42.5，嘉耐新材料科技）；礦粉（I級，百納礦產(chǎn)品）；砂（I級，永杰磨料）；碎石（I級，隆通建材廠）；減水劑（AR，晟實新材料）；鋼纖維（標準級，路克復合材料）；碳納米管（標準級，融塑新材料）。

主要設備：JS750型混凝土攪拌機（航建重工機械）；WDW型電子萬能試驗機（悅達實驗儀器）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 混凝土配比設計

根據(jù)前期關于C50混凝土的研究對混凝土配合比進行設計 [4-7] 。設置單摻鋼纖維體積分數(shù)分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%，碳納米管質量分數(shù)分別為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，具體配比見表1。

1. 2. 2 鋼纖維混凝土的制備

（1）依次將砂、石和鋼纖維依次放入經(jīng)過清洗和涮鍋處理的混凝土攪拌機內(nèi)進行混合，攪拌時間為3 min。將膠凝材料放入攪拌機后，繼續(xù)攪拌2 min；

（2）將減水劑與所需用水混合均勻后，在5 min內(nèi)分2次放入攪拌機內(nèi)，得到鋼纖維混凝土。

1. 2. 3 碳納米管混凝土的制備

（1）依次在混凝土攪拌機內(nèi)放入砂、石，充分攪拌使其混合均勻，攪拌時間為2 min，然后依次放入水泥和礦粉，繼續(xù)攪拌2 min。

（2）將碳納米管、減水劑與水混合均勻，然后在5 min內(nèi)將混合液體放入攪拌機內(nèi)，得到碳納米管混凝土。制作鋼纖維碳納米管混凝土。

（3）將混凝土拌合物倒入模具，常溫養(yǎng)護1 d后拆模，然后標準養(yǎng)護至指定齡期。

1. 3 性能測試

1. 3. 1 坍落度測試

參照GB/T 50080—2016 和JTG E30—2005 測試混凝土的坍落度，進而表征混凝土的工作性能 [8-9] 。

1. 3. 2 力學性能測試參照GB/T 50081—2019 ，通過電子萬能試驗機對混凝土抗壓強度和抗折強度進行測試 [10-11] 。

1. 3. 3 沖擊強度測試將試件取出擦凈后，置于電子萬能試驗機上，確保試件底部與試驗機充分接觸，以10 kN/s的加載速度對試件進行沖擊試驗，對試件初裂和終裂沖擊次數(shù)進行記錄。

2 結果與討論

2. 1 坍落度試驗結果

圖1為坍落度試驗結果。

由圖1可觀察到，對于單摻鋼纖維和碳納米管的混凝土，其坍落度與鋼纖維和碳納米管摻量成反比，且鋼纖維對混凝土坍落度的影響明顯高于碳納米管。且鋼纖維用量越多，這種阻礙作用越明顯，坍落度也越低 [12-13] 。而碳納米管結構為單向彎曲的中空圓柱體，對鈣離子、水和減水劑有一定吸附作用，這就影響了膠凝材料的水化，再加上過量的碳納米管會在混凝土內(nèi)部團聚，降低了混凝土拌合物流動性，進而降低了拌合物坍落 [14-15] 。而復摻鋼纖維和碳納米管可以使混凝土拌合物坍落度維持在160 mm左右，工作性能良好。這是因為適量摻量的碳納米管吸附的鈣離子、減水劑和水對水泥水化影響較小，對水泥的水化有促進作用，再加上適量鋼纖維棚架結構的影響，使混凝土拌合物坍落度維持在一個合適的水平，表現(xiàn)出良好的工作性能 [16] 。

2. 2 抗壓強度測試結果

圖2為混凝土抗壓強度。

由圖2可觀察到，單摻鋼纖維的混凝土試件，鋼纖維進入混凝土內(nèi)部后，形成了穩(wěn)定的骨架結構，對混凝土內(nèi)部原生裂紋的產(chǎn)生和擴展有抑制作用，使混凝土抗壓強度明顯增加。但鋼纖維摻量過多時，會在混凝土內(nèi)部團聚，對增強效果產(chǎn)生影響。對于單摻碳納米管的試件，隨碳納米管用量大的增加，混凝土試件抗壓強度先小幅度上升，再大幅度下降。這是因為適量碳納米管在一定程度上改善了混凝土孔隙的微觀結構，因此混凝土抗壓強度有一定增加。而過量的碳納米管會在混凝土內(nèi)部團聚，反而會導致混凝土內(nèi)部孔隙增加，形成混凝土內(nèi)部薄弱部分，進而導致混凝土抗壓強度下降[17-18] 。混摻鋼纖維和碳納米管的混凝土試件抗壓強度最高達到了 66.7 MPa，明顯高于單摻鋼纖維和碳納米管的試件。這是受鋼纖維和碳納米管混雜效應的影響，使得混凝土抗壓強度進一步增加 [19-20] 。

2. 3 抗折強度測試結果

混凝土試件抗折強度測試結果見圖3。

由圖3可知，鋼纖維和碳納米管對混凝土抗折強度的影響與其對抗壓強度的影響一致，鋼纖維碳納米管混凝土抗折強度最高為0.5 MPa。

2. 4 沖擊韌性分析

以基礎混凝土（a組）、鋼纖維混凝土（d組）、碳納米管混凝土（h組）和鋼纖維碳納米管混凝土（k組）為研究對象，對混凝土的沖擊韌性進行分析。

2. 4. 1 沖擊破壞形態(tài)分析

圖4為沖擊破壞形態(tài)。

由圖4可知，a組試件在沖擊載荷的作用下出現(xiàn)貫穿裂紋，試件快速分離，破壞形態(tài)為明顯的脆性破壞。

d組試件在沖擊載荷的作用下，試件表面出現(xiàn)較多的微裂縫，在裂縫出現(xiàn)時，還可以繼續(xù)承受載荷。

隨沖擊次數(shù)的增加，裂縫逐漸加大，試件破壞時存在5～6條主裂縫，試件破壞形態(tài)從脆性破壞轉變?yōu)樗苄云茐摹?/p>

h組試件的破壞形態(tài)與 a 組試件較為類似，均為脆性破壞，但 h 組的斷面較 a 組斷面更加均勻致密，說明碳納米管對混凝土孔隙有填充作用。

k組試件的破壞形態(tài)與d組試件一致，為塑性破壞，試件破壞時存在5～6條主裂縫。

2. 4. 2 沖擊次數(shù)

對混凝土的初裂和終裂沖擊次數(shù)進行統(tǒng)計，進一步表征混凝土的抗沖擊韌性，結果見圖5。

由圖5可觀察到，a組和h組混凝土的初裂和終裂沖擊次數(shù)基本一致，即一裂就壞，為脆性破壞。但a組混凝土的沖擊次數(shù)（66次）明顯低于h組（90次），也就是說，加入碳納米管后，混凝土耐沖擊性能得到改善，但混凝土性質并未發(fā)生改變。而d組試件和k組試件在出現(xiàn)初裂后，仍可繼續(xù)承受載荷，混凝土性質從脆性斷裂變?yōu)樗苄詳嗔?。同時，k組試件的初裂和終裂沖擊次數(shù)分別為284次和391次，均明顯高于d組試件。也就是說，經(jīng)過鋼纖維和碳納米管協(xié)同改性后，混凝土的抗沖擊性能得到明顯提升，即混凝土的韌性得到有效提升。

2. 5 實際應用性能

2. 5. 1 工程概況

選擇某鐵路暗埋隧道暗埋段箱體結構作為試驗段，澆筑節(jié)段現(xiàn)場施工性能良好，沒有泌水和離析現(xiàn)象出現(xiàn)，施工情況見圖6。

2. 5. 2 應用情況

通過對混凝土結構表面、側面及頂面裂縫情況進行統(tǒng)計，確定鋼纖維碳納米管混凝土的實際應用性能。

經(jīng)過3個月養(yǎng)護后，底板和側板沒有明顯裂縫出現(xiàn)，頂部出現(xiàn)2條裂縫，但并未出現(xiàn)貫穿裂縫，應用效果良好。

3 結語

（1）適量摻量的碳納米管可促進水泥的水化，與適量鋼纖維棚架結構的協(xié)同作用下，使混凝土拌合物坍落度維持在一個合適的水平，表現(xiàn)出良好的工作性能；

（2）鋼纖維和碳納米管在混凝土內(nèi)部存在一定的混雜效應，既能形成穩(wěn)定的骨架，又能對體系內(nèi)部孔隙進行填充，增強了混凝土力學性能；

（3）混凝土的破壞形態(tài)從脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，終裂沖擊次數(shù)從66次提升至381次，混凝土韌性得到有效提升；

（4）將鋼纖維碳納米管用于暗埋隧道項目工程，養(yǎng)護3個月后，不出現(xiàn)貫穿裂縫，應用效果良好。

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