宗兆博（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

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鋼纖維體積率對隧洞混凝土力學(xué)性能影響分析

宗兆博
（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽110003）

［摘要］結(jié)合遼寧省內(nèi)某輸水工程模筑鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)的研究，在試驗(yàn)室內(nèi)采用螺紋型及超細(xì)型兩種不同的鋼纖維及鋼纖維9種不同的體積率分別拌制混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)測了混凝土的抗壓、抗拉及抗折性能，分析得到了不同的鋼纖維及不同鋼纖維體積率與混凝土力學(xué)性能的關(guān)系，通過對比分析得到了經(jīng)濟(jì)合理的鋼纖維體積率來指導(dǎo)施工。

［關(guān)鍵詞］鋼纖維；體積率；力學(xué)性能；隧洞混凝土

鋼纖維混凝土(Steel Fibre Reinforced Concrete，簡稱鋼纖維混凝土)是一種新型的復(fù)合建筑材料，系將散亂的短鋼纖維均勻分布于水泥混凝土中。它的分布是不連續(xù)的和隨機(jī)的，但是有一個(gè)共同的特性規(guī)律，即可以不同程度地強(qiáng)化基體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)，能有效地制約基體內(nèi)微裂縫的擴(kuò)展，是一種有廣闊市場的工程材料。

鋼纖維混凝土最早出現(xiàn)于20世紀(jì)初期，我國于20世紀(jì)70年代后期開始研制鋼纖維，先后在黑龍江大慶、浙江金華、北京、重慶、四川、上海、廣東等地的公路路面、機(jī)場跑道、舊橋加固中進(jìn)行試驗(yàn)性的應(yīng)用，后推廣至土木工程各領(lǐng)域，取得了很大的效果。下文結(jié)合大伙房水庫輸水工程實(shí)例，做了以下試驗(yàn)研究及分析。

1　工程概況

遼寧省內(nèi)某輸水工程系自桓仁縣的渾江桓仁水庫壩下鳳鳴電站庫區(qū)自流無壓引水，經(jīng)過85.33 km的輸水隧洞，至新賓縣渾河支流蘇子河的穆家電站下游，流入渾河上的大伙房水庫，并經(jīng)大伙房水庫反調(diào)節(jié)后向渾河、太子河及大遼河地區(qū)的撫順、沈陽、本溪、遼陽、鞍山、營口6座城市提供工業(yè)和生活用水的一項(xiàng)大型跨流域引水工程。輸水隧洞開挖洞徑8.0 m，成洞洞徑7.16 m，采用TBM施工，設(shè)計(jì)調(diào)水流量為60 m3/s，多年平均調(diào)水量18.43億m3。TBM施工段原設(shè)計(jì)的Ⅳ、Ⅴ類圍巖，二次模筑混凝土為C25鋼筋混凝土襯砌，考慮使用承包商采用全面模板臺(tái)車進(jìn)行機(jī)械化快速襯砌，從而加快施工進(jìn)度，縮短工期，摻加鋼纖維，并將混凝土的強(qiáng)度等級(jí)調(diào)整到CF30。

2　模筑鋼纖維混凝土配合比

2.1原材料的選擇

2.1.1鋼纖維

采用遼寧鞍山昌宏鋼纖維廠生產(chǎn)的螺紋型和超細(xì)型鋼纖維，其物理特性見表1。

表1　鋼纖維特性表

水泥選擇撫順?biāo)喙煞萦邢薰旧a(chǎn)的渾河牌P.O42.5。原材料試驗(yàn)結(jié)果滿足GB175-1999《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)

2.1.3粉煤灰

采用撫順熱電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)灰。試驗(yàn)結(jié)果均符合GB1596-91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》之Ⅰ級(jí)灰的要求。

2.1.4細(xì)骨料

采用堅(jiān)硬耐久的砂料，粒徑0～5 mm，細(xì)度模數(shù)為2.8，表觀密度為2 680 kg/m3，試驗(yàn)結(jié)果符合DL/T5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》

2.1.5粗骨料

采用粒徑為5～10 mm，10～20 mm兩種級(jí)配的粗骨料。粗骨料顆粒中，除針片狀含量為17.6%，略超出標(biāo)準(zhǔn)值外，其余指標(biāo)均滿足DL/T5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》。

利用c-MWNT-MNPs-LC-MS/MS方法對15個(gè)餐廚廢棄油脂中大豆異黃酮類物質(zhì)進(jìn)行定量分析，每個(gè)樣品測定三次，結(jié)果取平均值，并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到餐廚廢棄油脂中大豆異黃酮類含量分布情況，見表4。

2.1.6水

采用地表水，試驗(yàn)結(jié)果符合JGJ63-89《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》。

2.2模筑鋼纖維混凝土配合比

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ55-2000計(jì)算混凝土基準(zhǔn)配合比，經(jīng)過試配調(diào)整得出混凝土成型配合比見表2。

表2　模筑鋼纖維混凝土配合比

3　不同鋼纖維體積率對鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響

為了了解不同鋼纖維體積率對鋼纖維混凝土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)室選取鋼纖維體積率分別為 0%，0.25%，0.5%，0.75%，1.0%，1.25%，1.5%，1.75%，2.0%的混凝土抗壓、抗拉及抗折試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，見圖1～3。

圖1　抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積率變化試驗(yàn)結(jié)果（螺紋型）

圖2　抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積率變化試驗(yàn)結(jié)果（超細(xì)型）

圖3　2種鋼纖維抗壓強(qiáng)度隨體積率變化試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

3.1抗壓強(qiáng)度

2種鋼纖維，當(dāng)體積率增加時(shí)，抗壓強(qiáng)度則降低，不摻加鋼纖維的基體混凝土強(qiáng)度最高，為42.4 MPa；當(dāng)鋼纖維體積率為0.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為較大值，其值為螺紋型37.4 MPa，為基體強(qiáng)度的88.2%；超細(xì)型40.8 MPa，為基體強(qiáng)度的96.2%。

3.2抗折強(qiáng)度

2種鋼纖維，當(dāng)體積率增加時(shí)，抗折強(qiáng)度平緩均勻的提高；當(dāng)鋼纖維體積率達(dá)到1.50%時(shí)，2種鋼纖維混凝土的抗折強(qiáng)度均出現(xiàn)峰值，即螺紋型鋼纖維混凝土為4.62 MPa，超細(xì)型鋼纖維混凝土為5.05 MPa，之后又緩慢降低，最低值出現(xiàn)在鋼纖維體積率為0.25%之時(shí)，其值為螺紋型鋼纖維混凝土為3.94 MPa，超細(xì)型鋼纖維混凝土為4.19 MPa。

3.3劈裂抗拉強(qiáng)度

2種鋼纖維，當(dāng)體積率增加時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度先后出現(xiàn)2個(gè)峰值。其中最大值均出現(xiàn)在鋼纖維體積率為1.75%時(shí)，而另一個(gè)較大值分別出現(xiàn)在0.50%（螺紋型）和0.25%（超細(xì)型）時(shí)。

綜觀上述結(jié)果，摻加鋼纖維對混凝土的抗壓、抗折及抗拉強(qiáng)度均有影響，摻加鋼纖維可以降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，可以不同程度地增加混凝土的抗拉及抗折強(qiáng)度。

4　鋼纖維混凝土的影響機(jī)理

鋼纖維混凝土中亂向分布的纖維主要作用在于阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展和阻滯宏觀裂縫的發(fā)展。因此，對抗拉強(qiáng)度和主要由拉應(yīng)力控制的抗剪、抗扭強(qiáng)度等有明顯的改善作用。根據(jù)纖維增強(qiáng)機(jī)理的各種理論，諸如纖維間距理論、復(fù)合材料理論和微觀斷裂力學(xué)理論以及大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，纖維的增效果主要取決于混凝土基體強(qiáng)度、鋼纖維體積率、鋼纖維強(qiáng)度、鋼纖維長徑比、鋼纖維品種和外形等。通?；炷粱w強(qiáng)度高，鋼纖維體積率大，鋼纖維強(qiáng)度高，纖維長徑比大，則鋼纖維混凝土的性能更好。但是鋼纖維體積率和長徑比，不是愈大愈好，而是在一定范圍內(nèi)才更有效。

5　結(jié)論

工程選擇鋼纖維體積率為0.50%的螺紋型鋼纖維是比較適宜的。其鋼纖維摻量較低，經(jīng)濟(jì)性較好，同時(shí)便于攪拌，鋼纖維的分散性好，又能使鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度都可以達(dá)到較大值，而抗折強(qiáng)度雖然達(dá)不到較大值，但也超過4.0 MPa，滿足工程設(shè)計(jì)要求。因而，選擇鋼纖維為0.50%是經(jīng)濟(jì)合理的。

［參考文獻(xiàn)］

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［2］熊學(xué)忠，徐銀芳.鋼纖維體積率對中強(qiáng)混凝土性能的影響試驗(yàn)［J］.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).2005，（5）：P71～P74．

［3］王偉.鋼纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及其性能研究［J］.山西交通科技.2010，（5）：P41～P43．

［中圖分類號(hào)］TV135

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）03－0045－03

[收稿日期]2015-10-26