趙宇石,周予啟,王少敏

(1.中建一局集團(tuán)建設(shè)發(fā)展有限公司,北京 100102; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100102)

現(xiàn)代交通呈現(xiàn)多元化發(fā)展的趨勢(shì)，不再僅僅局限于陸上交通網(wǎng)絡(luò)的搭建，地下空間在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的利用比例也越來越大。以地鐵為代表的地下軌道交通具有大運(yùn)力、無堵車風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)勢(shì)，已逐漸成為大中型城市居民日常出行采用的主要交通工具。而地下軌道交通得以發(fā)展的重要載體是隧道的快速建設(shè)，這與施工技術(shù)的進(jìn)步密不可分[1]。

盾構(gòu)機(jī)械的產(chǎn)生以及施工技術(shù)的日趨成熟極大地推動(dòng)了隧道建設(shè)。盾構(gòu)法施工之所以在隧道建設(shè)中被廣泛使用，是因其具有施工安全性和機(jī)械化程度高、對(duì)地面交通影響小、施工不受天氣影響、產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)環(huán)境影響小等一系列的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2,3]。隧道襯砌管片支撐是保障盾構(gòu)施工和隧道運(yùn)營安全的重要措施，目前使用較多的是鋼筋混凝土管片。但混凝土本身是一種脆性材料，抗拉性能差，鋼筋混凝土預(yù)制管片在運(yùn)輸和安裝等過程中極易發(fā)生破損、開裂等問題[4]。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行相應(yīng)處置，將嚴(yán)重威脅到隧道的結(jié)構(gòu)安全，影響其抗?jié)B性能等，最終表現(xiàn)為隧道的耐久性不足。

纖維這種材料一般都具有較好的韌性和抗拉性能，常應(yīng)用于復(fù)合材料體系中，達(dá)到改善復(fù)合材料力學(xué)性質(zhì)的目的?？紤]到傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制管片存在的一些不足，研究考察了鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響，主要涉及鋼纖維混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等，希望對(duì)未來采用鋼纖維混凝土替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土用于預(yù)制盾構(gòu)管片提供一些參考。

1 原材料

該研究采用的原材料主要有碎石、砂子、膠凝材料、減水劑、水、鋼纖維等幾類。其中碎石和砂子均來自于黃石某碎石場(chǎng)，碎石的表觀密度為2.765 g/cm3，含泥量為0.7%，壓碎值為6.4%；砂子表觀密度為2.640 g/cm3，含泥量為0.8%，細(xì)度模數(shù)為2.8。用到兩種膠凝材料：水泥和粉煤灰。水泥采用中國葛洲壩集團(tuán)水泥有限公司生產(chǎn)的PO 42.5級(jí)水泥；粉煤灰來自于鄖縣某建材公司，其細(xì)度為7.4%，需水量為93%，燒失量為4.3%。減水劑為聚羧酸減水劑，淡黃色液體，減水率約為25%。水為自來水。采用的鋼纖維平均直徑約為2 mm，平均長度約為30 mm，抗拉強(qiáng)度為920 MPa。

2 試驗(yàn)方法

1)鋼纖維微觀特征分析。鋼纖維作為一種有別于混凝土常規(guī)組成的新材料，除了常規(guī)性能指標(biāo)外，認(rèn)識(shí)其微觀特征也非常重要。該研究采用顯微鏡分析了鋼纖維的顯微形態(tài)，從顯微形態(tài)特征方面解釋鋼纖維應(yīng)用于混凝土體系的優(yōu)勢(shì)。

2)鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)及制備。目前還沒有統(tǒng)一的方法指導(dǎo)鋼纖維瀝青混凝土的設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)中常用的方法有二次合成法、組成摻入法等[5,6]。二次合成法的核心是將鋼纖維混凝土分成兩個(gè)部分：基準(zhǔn)混凝土和鋼纖維水泥漿，分別對(duì)兩者進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，再將兩者合拌制備成鋼纖維混凝土。該方法強(qiáng)調(diào)水泥漿對(duì)鋼纖維的包裹作用，避免鋼纖維表面因未被水泥漿充分包裹而導(dǎo)致纖維與混凝土基體粘結(jié)力不足的問題。因而該方法科學(xué)性較好，該研究中同樣采用二次合成法設(shè)計(jì)鋼纖維混凝土。共涉及鋼纖維體積摻量分別為2%、4%和6%的三種混凝土。

按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法研究鋼纖維摻量對(duì)混凝土的流動(dòng)性、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。鋼纖維混凝土的3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度測(cè)試，采用的試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm。

3 結(jié)果與討論

鋼纖維顯微形貌如圖1(a)所示，可見對(duì)于不同的纖維段，其顯微形態(tài)并非完全一致，部分纖維段直徑明顯大于2 mm；即便是同一纖維段，不同區(qū)域的直徑也有區(qū)別。且部分纖維段外觀并非圓柱狀，而是呈現(xiàn)扁平狀。這說明鋼纖維在實(shí)際生產(chǎn)過程中，形態(tài)難以完全控制成一樣。但鋼纖維顯微形貌分析結(jié)果同樣表明，鋼纖維的表面呈現(xiàn)褶皺紋理，這有利于纖維與混凝土基體的粘結(jié)；此外，鋼纖維平均長度達(dá)到30 mm，且抗拉性能優(yōu)越，因而理論上無論其在混凝土體系中是呈現(xiàn)交聯(lián)還是分散狀態(tài)，均可有效改善混凝土的抗拉、抗裂性能，如圖1(b)所示。

四種不同鋼纖維體積摻量的混凝土黏聚性和保水性均優(yōu)良，對(duì)其進(jìn)行坍落度試驗(yàn)，四種鋼纖維混凝土的坍落度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，結(jié)果顯示鋼纖維對(duì)混凝土的流動(dòng)性能影響顯著。具體來看，對(duì)于基準(zhǔn)混凝土(鋼纖維體積摻量為0)，其坍落度約為110 mm，而鋼纖維的摻入則使混凝土坍落度變小，且混凝土坍落度的下降幅度隨著鋼纖維摻量的增加逐漸被放大。尤其當(dāng)鋼纖維體積摻量超過2%時(shí)，相比基準(zhǔn)混凝土，鋼纖維混凝土的坍落度下降了18%以上，鋼纖維混凝土的流動(dòng)性變差。因此，為盡可能減小鋼纖維對(duì)混凝土流動(dòng)性造成的不利影響，研究將鋼纖維的體積摻量控制在2%。

鋼纖維體積摻量為2%的混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，總體來看，鋼纖維不同程度提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。具體來看，鋼纖維的摻入使混凝土3 d、7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別提高了22%、24%和27%；使混凝土3 d、7 d和28 d抗拉強(qiáng)度分別提高了31%、36%和38%?？梢婁摾w維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的提高效果更顯著，由此也說明采用鋼纖維改性混凝土可有效改善混凝土的抗拉性能。而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片易發(fā)生破損、開裂等問題，從試驗(yàn)結(jié)果來看，采用鋼纖維混凝土預(yù)制盾構(gòu)管片可彌補(bǔ)傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片存在的不足。

4 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土盾構(gòu)管片易發(fā)生破損、開裂等問題，該研究探討了鋼纖維混凝土的流動(dòng)性及力學(xué)性能特征。結(jié)果表明，鋼纖維對(duì)混凝土的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響，為保證鋼纖維混凝土的流動(dòng)性能，應(yīng)控制鋼纖維的用量，該研究選用2%的鋼纖維摻量(在混凝土中的體積占比)；鋼纖維可有效提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的改善效果更顯著。受試驗(yàn)條件的限制，以及考慮到足尺試驗(yàn)成本大，該研究并未從管片角度對(duì)比研究鋼筋混凝土盾構(gòu)管片和鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片的性能，這是今后試驗(yàn)條件成熟后將進(jìn)一步開展的工作。