地铁盾构管片用钢纤维混凝土性能特征研究

赵宇石,周予启,王少敏

(1.中建一局集团建设发展有限公司,北京 100102; 2.中国建筑股份有限公司,北京 100102)

现代交通呈现多元化发展的趋势，不再仅仅局限于陆上交通网络的搭建，地下空间在交通运输领域的利用比例也越来越大。以地铁为代表的地下轨道交通具有大运力、无堵车风险等优势，已逐渐成为大中型城市居民日常出行采用的主要交通工具。而地下轨道交通得以发展的重要载体是隧道的快速建设，这与施工技术的进步密不可分[1]。

盾构机械的产生以及施工技术的日趋成熟极大地推动了隧道建设。盾构法施工之所以在隧道建设中被广泛使用，是因其具有施工安全性和机械化程度高、对地面交通影响小、施工不受天气影响、产生振动对环境影响小等一系列的独特优势[2,3]。隧道衬砌管片支撑是保障盾构施工和隧道运营安全的重要措施，目前使用较多的是钢筋混凝土管片。但混凝土本身是一种脆性材料，抗拉性能差，钢筋混凝土预制管片在运输和安装等过程中极易发生破损、开裂等问题[4]。如果不能及时发现并进行相应处置，将严重威胁到隧道的结构安全，影响其抗渗性能等，最终表现为隧道的耐久性不足。

纤维这种材料一般都具有较好的韧性和抗拉性能，常应用于复合材料体系中，达到改善复合材料力学性质的目的。考虑到传统钢筋混凝土预制管片存在的一些不足，研究考察了钢纤维对混凝土性能的影响，主要涉及钢纤维混凝土的流动性、抗压强度和抗拉强度等，希望对未来采用钢纤维混凝土替代传统钢筋混凝土用于预制盾构管片提供一些参考。

1 原材料

该研究采用的原材料主要有碎石、砂子、胶凝材料、减水剂、水、钢纤维等几类。其中碎石和砂子均来自于黄石某碎石场，碎石的表观密度为2.765 g/cm3，含泥量为0.7%，压碎值为6.4%；砂子表观密度为2.640 g/cm3，含泥量为0.8%，细度模数为2.8。用到两种胶凝材料：水泥和粉煤灰。水泥采用中国葛洲坝集团水泥有限公司生产的PO 42.5级水泥；粉煤灰来自于郧县某建材公司，其细度为7.4%，需水量为93%，烧失量为4.3%。减水剂为聚羧酸减水剂，淡黄色液体，减水率约为25%。水为自来水。采用的钢纤维平均直径约为2 mm，平均长度约为30 mm，抗拉强度为920 MPa。

2 试验方法

1)钢纤维微观特征分析。钢纤维作为一种有别于混凝土常规组成的新材料，除了常规性能指标外，认识其微观特征也非常重要。该研究采用显微镜分析了钢纤维的显微形态，从显微形态特征方面解释钢纤维应用于混凝土体系的优势。

2)钢纤维混凝土的设计及制备。目前还没有统一的方法指导钢纤维沥青混凝土的设计，文献中常用的方法有二次合成法、组成掺入法等[5,6]。二次合成法的核心是将钢纤维混凝土分成两个部分：基准混凝土和钢纤维水泥浆，分别对两者进行配合比设计，再将两者合拌制备成钢纤维混凝土。该方法强调水泥浆对钢纤维的包裹作用，避免钢纤维表面因未被水泥浆充分包裹而导致纤维与混凝土基体粘结力不足的问题。因而该方法科学性较好，该研究中同样采用二次合成法设计钢纤维混凝土。共涉及钢纤维体积掺量分别为2%、4%和6%的三种混凝土。

按照标准试验方法研究钢纤维掺量对混凝土的流动性、抗压强度和抗拉强度的影响。钢纤维混凝土的3 d、7 d和28 d抗压强度和抗拉强度测试，采用的试件尺寸分别为100 mm×100 mm×100 mm和150 mm×150 mm×150 mm。

3 结果与讨论

钢纤维显微形貌如图1(a)所示，可见对于不同的纤维段，其显微形态并非完全一致，部分纤维段直径明显大于2 mm；即便是同一纤维段，不同区域的直径也有区别。且部分纤维段外观并非圆柱状，而是呈现扁平状。这说明钢纤维在实际生产过程中，形态难以完全控制成一样。但钢纤维显微形貌分析结果同样表明，钢纤维的表面呈现褶皱纹理，这有利于纤维与混凝土基体的粘结；此外，钢纤维平均长度达到30 mm，且抗拉性能优越，因而理论上无论其在混凝土体系中是呈现交联还是分散状态，均可有效改善混凝土的抗拉、抗裂性能，如图1(b)所示。

四种不同钢纤维体积掺量的混凝土黏聚性和保水性均优良，对其进行坍落度试验，四种钢纤维混凝土的坍落度试验结果如图2所示，结果显示钢纤维对混凝土的流动性能影响显著。具体来看，对于基准混凝土(钢纤维体积掺量为0)，其坍落度约为110 mm，而钢纤维的掺入则使混凝土坍落度变小，且混凝土坍落度的下降幅度随着钢纤维掺量的增加逐渐被放大。尤其当钢纤维体积掺量超过2%时，相比基准混凝土，钢纤维混凝土的坍落度下降了18%以上，钢纤维混凝土的流动性变差。因此，为尽可能减小钢纤维对混凝土流动性造成的不利影响，研究将钢纤维的体积掺量控制在2%。

钢纤维体积掺量为2%的混凝土强度试验结果如图3所示，总体来看，钢纤维不同程度提高了混凝土的抗压强度和抗拉强度。具体来看，钢纤维的掺入使混凝土3 d、7 d和28 d抗压强度分别提高了22%、24%和27%；使混凝土3 d、7 d和28 d抗拉强度分别提高了31%、36%和38%。可见钢纤维对混凝土抗拉强度的提高效果更显著，由此也说明采用钢纤维改性混凝土可有效改善混凝土的抗拉性能。而传统的钢筋混凝土盾构管片易发生破损、开裂等问题，从试验结果来看，采用钢纤维混凝土预制盾构管片可弥补传统钢筋混凝土管片存在的不足。

4 结 论

针对传统的钢筋混凝土盾构管片易发生破损、开裂等问题，该研究探讨了钢纤维混凝土的流动性及力学性能特征。结果表明，钢纤维对混凝土的流动性产生不利影响，为保证钢纤维混凝土的流动性能，应控制钢纤维的用量，该研究选用2%的钢纤维掺量(在混凝土中的体积占比)；钢纤维可有效提高混凝土的抗压强度和抗拉强度，对混凝土抗拉强度的改善效果更显著。受试验条件的限制，以及考虑到足尺试验成本大，该研究并未从管片角度对比研究钢筋混凝土盾构管片和钢纤维混凝土盾构管片的性能，这是今后试验条件成熟后将进一步开展的工作。