混杂纤维混凝土在盾构管片中应用特性研究

徐笑云 赵继春

摘    要：鉴于钢筋混凝土盾构管片的诸多缺陷，本文设计采用混杂纤维（聚乙烯醇纤维和微筋纤维）混凝土预制地铁盾构管片，探究在不同掺量下对工作性能和抗压强度的影响规律。结果表明：相较于聚乙烯醇纤维，微筋纤维可同步提高混凝土工作性和轴心抗压强度，且无显著泌水离析现象;随着VS纤维掺量的增大，混凝土軸心抗压强度呈先增大后减小的趋势，最佳掺量为3kg/m3。

关键词：混杂纤维混凝土;盾构管片;轴心抗压强度;配合比;工作性

1  引言

盾构施工技术应用于城市地下隧道的施工，具有安全、可靠、对城市地面交通等环境的影响较小等优点，历经半个世纪的发展与实践，预制钢筋混凝土管片衬砌现已成为盾构隧道结构体系的重要选择[1]。目前的地铁盾构管片主要以钢筋混凝土管片为主由于混凝土为脆性材料，抗拉性能较差，使得其在运输和安装中开裂管片的破损和裂缝对隧道的安全性和耐久性会产生不利影响[2-3]，这是盾构法中较棘手但又必须解决的问题。

混杂纤维混凝土（HFRC）是一种新型复合混凝土材料，与普通混凝土相比其抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击等性能可得到提高[5-7]，目前国内纤维混凝土管片在盾构隧道中的应用还没完整规范和技术性文件来指导工程设计。因此，混杂纤维高强混凝土应用于地铁管片还需要进行许多综合研究工作，需解决混杂纤维高强混凝土材料选用及配合比技术，以及混杂纤维高强混凝土管片的力学性能，本文就是以此为出发点，试验研究混杂纤维对管片性能的影响。

2  混杂纤维混凝土配合比设计及试验方案

2.1   配合比设计

按C50混凝土设计配合比，拌和时坍落度控制在180mm±10mm。配合比见表1。

2.2  纤维混杂方案

试验主要选用的纤维材料有聚乙烯醇纤维（PF-2000）和微筋纤维（VS-3000），采取单掺的混杂方式掺入混凝土基体，分别掺入1kg、2kg和3kg，共有6组不同的纤维掺量，

3   结果与讨论

3.1  试件破坏形态

素混凝土破坏后试件表面主要有一条贯穿的斜向主裂缝，裂缝分岔较少;而混杂纤维混凝土试件破坏后表面出现多条斜向裂缝，且裂缝扩展痕迹出现明显的“分岔”现象[10]，这是因为在裂缝扩展过程中，混凝土基体中纤维的存在使得裂缝尖端易发生应力重分布，并产生新的裂缝继续扩展，最终裂缝“分岔”现象明显[11]。从混凝土基体断面上可清晰看到粗骨料，但是肉眼无法观测到PF纤维，可见纤维已被搅拌打散，随机乱向分布于混凝土基体中。

3.2  轴心抗压强度影响

定义纤维混凝土的轴心抗压强度增强系数[α]为：

纤维混凝土轴心抗压强度增强系数可以直接反映纤维对基体混凝土轴心抗压强度的影响。当[α]>1时，纤维对基体混凝土的轴心抗压强度有增大作用;反之，当[α]<1时，纤维对基体混凝土的轴心抗压强度有减小作用[12]。

纤维混凝土轴心抗压强度随着PF纤维质量掺量的增大而减小，PF纤维掺量在1kg/m3～2kg/m3范围内时，混凝土轴心抗压强度减小趋势较为平缓，在PF纤维掺3kg/m3时急剧减小到48.4MPa，与素混凝土相比减小了5.4MPa;VS纤维对混凝土轴心抗压强度有明显的提高，与素混凝土相比，VS纤维混凝土轴心抗压强度随着VS纤维掺量增大而出现先增强后减小的趋势，且整体高于素混凝土和掺PF混凝土，因此可认为在单掺2kg/m3VS纤维范围内，VS纤维对混凝土轴心抗压强度提高最大。

图1显示了不同纤维混凝土增长比例变化图，其中单掺聚乙烯醇纤维（PF-2000）混凝土出现负增长，其28天抗压强度相对于素混凝土都有一定程度的下降，掺量为3kg是下降幅度最大，下降比例为-10.04%;单掺微筋纤维（VS-3000）混凝土均呈现正增长，其中28天抗压强度最大增强比例达到8.92%，可达58.6MPa。由此说明，掺加不同纤维势必会对混凝土抗压强度产生影响，基准配合比相同的情况下，相较于聚乙烯醇纤维，掺微筋纤维的地铁管片力学性能较优，其最佳掺量为3kg/m3。

4   结论

本文针对地下隧道使用的混杂纤维高强混凝土盾构管片，提出了掺纤维增强预制构件的思路，并给基于此目标，设计不同材质和掺量的混杂纤维混凝土的方案，根据轴心抗压强度试验结果对其性能进行了研究，得出以下结论：（1）VS纤维可提高混凝土轴心抗压强度，随着VS纤维掺量的增大，混凝土轴心抗压强度呈先增大后减小的趋势，最佳掺量为3kg/m3;（2）PF纤维会减小混凝土轴心抗压强度，且掺量越多，强度损失越小。

参考文献：

[1] 宁博.混杂纤维混凝土试验研究及其在地铁盾构管片中的应用[D].暨南大学，2012.

[2] 蒲奥.纤维混凝土管片设计研究及工程应用[D].西南交通大学，2007.

[3] 宁博，欧阳东，易宁等.混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用[J].混凝土与水泥制品，2011（1）：50～53.