陈杰华
中铁隧道集团二处有限公司 北京 101601
摘要：木寨岭隧道因围岩破碎易变形导致砌衬混凝土脆性开裂破坏，顶板存在掉块的安全隐患，为提高衬砌混凝土的强度、完整性、韧性，保障施工安全，隧道砌衬混凝土施工中添加抗裂纤维，具有良好的抗裂、增韧性能，增大其极限变形能力，提高混凝土的完整性。通过室内纤维混凝土硬化收缩开裂性能测试进行适配，优选抗裂纤维长度12mm，添加纤维用量1.1kg/m3混凝土。将研究成果应用到木寨岭隧道砌衬混凝土施工减裂效果显著，达到了减少混凝土产生裂缝控制开裂的效果。
关键词：开裂；增韧；纤维混凝土；硬化收缩
中图分类号：TU528.31 文献标识码：A
1.引言：
渭武高速木寨岭隧道掘进施工过程中，围岩岩性差，初衬混凝土喷射厚度达到28cm，二衬混凝土浇筑厚度达到55cm，由于混凝土抗拉强度低、抗剪性能差，容易因围岩变形、地应力释放导致混凝土脆性开裂破坏，顶板存在掉块等安全隐患，同时裂缝的产生严重降低了混凝土的耐久性。为提高衬砌混凝土的完整性，提高混凝土韧性，保障施工安全，尤其是保障大变形支护深孔长锚索（锚杆）的施工安装对顶板围岩扰动大的前提下，确保作业安全。抗裂纤维在隧道砌衬混凝土施工过程中，有良好的抗裂、增韧性能，增大其极限变形能力，提高混凝土的完整性。因此在衬砌混凝土添加抗裂纤维进行使用具有重要意义。
对混凝土的开裂问题，主要研究提高混凝土减裂性能的方法，并探索准确的减裂评价方法。添加纤维是解决混凝土开裂的有效手段[1-4]，目前国内外对钢纤维等增强混凝土研究比较深入，而对低弾模和高弹模合成纤维的应用有待进一步加强。低弾模纤维主要用在混凝土早期处于变形受限和失水收缩状态时发挥减裂效应，但在混凝土硬化后受拉弯破坏时，其减裂性能影响不大。研究实验发现，添加高弹模PVA纤维由于具有高抗拉性[5]，在混凝土塑性及硬化阶段，均能起到抑制裂缝的效应，减少混凝土的收缩和开裂，显著增强混凝土的抗裂能力。
评价混凝土的减裂性能，应测试其在自由状态和约束状态下的变形性能，后者更接近于现场实际工程的应用[6]。目前评价混凝土在约束状态下的抗裂方法主要有圆环法、平板法和棱柱体法[7-8]。掺入纤维可对混凝土起到减裂作用，但同时会对混凝土的塌落度和和可泵送性有所影响，纤维的分散性是保证混凝土质量的重要因素，需要适当增大混凝土的减水剂[9-10]。因此，本文根据适配的纤维长度和掺量，选用了快速圆环法评定PVA纤维对限制混凝土硬化干燥收缩裂缝的有效性。
室内纤维混凝土适配实验
2.1纤维砂浆硬化收缩开裂性能测试
（1）实验材料及模具
按水泥：砂：水=1：1：0.5（质量比）的配合比（水泥、砂均是取自现场施工的原料）加入搅拌机中搅拌约5分钟（对比实验的抗裂纤维材料按照每立方米1.1kg的用量加入到相应的砂浆混凝土中），浇注在钢制试模中,所用PVA纤维主要物理力学特性见表1。
耐酸碱性极高
快速圆环法是在短期时间内通过恒温恒湿、加热干燥等手段处理，检测受约束的混凝土圆环试件在规定的养护条件下的开裂趋势，评定纤维混凝土后期（3~28天）硬化收缩两阶段的开裂状况。受检混凝土试件内径为150mm、高为150 mm、厚度为20mm的圆环混凝土试件，以外径为150mm、高为150 mm、厚度为20 mm的钢制圆筒体置其内部作为约束体。试模简图见图1，水泥砂浆试件浇筑到圆环试模见图2。
图1 圆环法试模 图2 水泥砂浆试件浇筑到圆环试模
（2）试件养护过程
成型好的试件放置到混凝土标准养护室，标养3d取出后，分别依次在在温度为30℃的烘箱内恒温干燥1小时，温度为40℃的烘箱内恒温干燥1小时，温度为50℃的烘箱内恒温干燥1小时，温度为60℃的烘箱内恒温干燥1小时，最后在温度为70℃的烘箱内恒温干燥24小时后，采用裂缝宽度测试仪按裂缝宽度d分段测量测得试件的裂缝长度Li，以列出的裂缝宽度权值Ai，采用硬化收缩开裂权重值，用硬化收缩开裂权重值来反映水泥混凝土材料硬化收缩开裂的严重程度。
（3）实验过程：
本次实验分三组进行，每组试件3个，共计浇筑9个圆环试模。不添加纤维材料的砂浆混凝土标记为试件1，添加长度6mm的砂浆混凝土标记为试件2，添加长度12mm的砂浆混凝土标记为试件3。
（4）实验结果：
不添加纤维的水泥圆环试件a，发生开裂，长度方向上裂隙贯穿整个试件，裂隙宽度达到2~3mm。添加9mm纤维的水泥圆环试件b，本组三个试件有两个发生少许开裂，裂隙宽度最大仅为0.2mm。添加12mm纤维的水泥圆环试件c，本组三个试件只有一个发生少许开裂，但裂隙宽度最大仅为0.15mm。通过本次实验明显开出，添加12mm抗裂纤维的水泥试件抗开裂能力明显得到提升，试件养护脱模后开裂情况见图3。
试件a（不添加纤维） 试件b（添加9mm纤维） 试件c（添加12mm纤维）
图3 试件养护脱模后开裂情况
应按下列公式计算硬化混凝土试件干缩开裂的裂缝总面积：
×100% （1）
式中：Ah——硬化混凝土试件干缩开裂的裂缝总面积。对受检混凝土试件记作Ah，fcr，对基准混凝土试件记作Ah，mcr，mm2；
——第i根裂缝的平均宽度，mm；
Li ——第i根裂缝的长度，mm；
N ——总裂缝数目，条。
应按下列公式计算裂缝降低系数η：
×100% （2）
式中：η——裂缝降低系数，%；
Ah，mcr——基准混凝土试件裂缝总面积，mm2；
Ah，fcr——受检混凝土试件裂缝总面积，mm2。
根据试验结果计算，基准混凝土开裂权重值4.962，纤维混凝土开裂权重值1.437，减裂率71%。
2.2纤维混凝土平板开裂试验
试验宜在温度为（20±2）℃相对湿度为（60±5）%的恒温恒湿室内进行，在试件成型30min后调节风扇位置和风速，使试件表面中心上方100mm处的风速为（5±0.5）m/s，并使风向平行于试件平面和裂缝诱导器，试验时间从混凝土加水搅拌开始算起，当达到（24±0.5）h测量数据。根据监测纤维混凝土的平板开裂试验均无裂缝出现。
纤维混凝土的平板开裂试验初始至3d成型状态如图4所示，完整性较好，无明显开裂。
初始 1d 3d
图4 纤维混凝土平板成型状态
3. 现场实验
木寨岭公路隧道是渭（源）武（都）高速公路上的控制性工程，全长15.2km，最大埋深629.1m；隧址区岩性以碳质板岩为主，其强度低，性状松散软弱，隧道开挖过程中软岩呈现的挤压型（squeezing）大变形问题（变形位移值多数达800~1000mm或以上）将是工程施工面临的重要难题，其变形安全的管控难度极大。砌衬混凝土易脆性开裂破坏，顶板存在掉块的安全隐患，为提高衬砌混凝土的强度、完整性、韧性，保障施工安全，隧道砌衬混凝土施工中添加抗裂纤维.试件原料选用木寨岭2号斜井混凝土施工所用原料，在不改变施工工艺和混凝土配比的前提下，每方混凝土添加1.1kg抗裂纤维进行强度指标等力学参数的测定。试件的制作和测试均按照混凝土标准试件的制作和测试方法进行。
现场施工塌落度要求为160mm, 考虑到减水剂的种类和掺量对纤维混凝土塌落度的影响较大，减水剂掺量在原有基础上需要增加15%，实际所用苏博特减水剂优化实际掺量为2.4%时，混凝土拌合物具有良好的工作性能。通过图5所示的隧道砌衬现场施工所用的混凝土浇筑原料所示，对比纤维混凝土试验段对比相邻未添加纤维的基准混凝土试验段发现，纤维混凝土7d龄期的抗压强度较基准混凝土试验段强度有较大提高。根据实测值，强度指标测定为混凝土在7天龄期时所测得的抗压强度指标，每种试件做三组取平均值。未添加纤维的基准混凝土7天强度约在35MPa。
图5 砌衬浇筑混凝土取料试件 图6 隧道砌衬纤维混凝土施工现场
由于抗裂纤维的减裂作用以及加强养护，通过监测未在衬砌表面发现明显的开裂掉块现象；确保衬砌具有很好的完整性效果，图6所示为隧道砌衬纤维混凝土施工表面完整，无明显损伤裂缝。
4结论
（1）抗裂纤维在混凝土塑性及硬化阶段，均能起到抑制裂缝的效应，减少混凝土的收缩和开裂，掺入一定量的PVA纤维后，混凝土的强度、抗裂性能有所改善，大幅提高混凝土完整性。
（2）混凝土中添加抗裂纤维在不改变原料配合比的前提下，需要适当增加减水剂用量，考虑到减水剂的种类和掺量对纤维混凝土塌落度的影响较大，减水剂掺量在原有基础上需要增加15%，实际所用苏博特减水剂优化实际掺量为2.4%时，混凝土拌合物具有良好的工作性能。
参考文献：
[1]陈肇元.土建结构工程的安全性与耐久性[M].北京:中国建筑工业出版社，2003:2-3.
[2]徐志均.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2003:2.
[3]朱宏军，程海丽，姜德民.特种混凝土和新型混凝土[M].北京:化学工业出版社，2004:77-79.
[4]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:8-9.
[5]郭磊磊.应变硬化水泥基复合材料（SHCC）的力学性能试验与数值模拟[D].青岛：青岛理工大学，2010:2.
[6]Li V.C.＆ Krenchel H. Micromechanics of crack bridging in Fiber Reinforced Concrete [J].Materials and Structures ,1993(26):48-49.
[7]Wittmann F.H. Durability of Strain-Hardening Fibre-Reinforced Cement-Based Composites (SHCC) [J]. Rilem State of the Art Reports, 2011(4):6-8.
[8]Fischer G ＆Li V.C. Influence of Matrix Ductility on the Tension- Stiffening Behavior of Steel-Reinforced Engineered Cementitious Composites (ECC) [J]. ACI Structural Journa1.2002, 99 (1):104-111.
[9]王志,胡晓波,鲍光玉.纤维水泥基体界曲粘结性能研究述评[J].混凝土.2003(11):7-10 .
[10] 徐世烺,李贺东．超高韧性水泥基复合材料直接拉伸试验研究[J].土木工程学报,2009,42(9):32-41．
作者简介：陈杰华， 男，1981年出生，中铁隧道集团二处有限公司技术专家，长期从事软岩大变形隧道的变形机理及支护措施施工与研究，
论文作者:陈杰华
论文发表刊物:《防护工程》2018年第30期
论文发表时间:2019/1/16
标签：混凝土论文; 纤维论文; 裂缝论文; 圆环论文; 隧道论文; 水泥论文; 砂浆论文; 《防护工程》2018年第30期论文;