地铁管片用玄武岩纤维增强水泥混凝土性能试验研究

徐 源，瞿家宝，陈阳利，顾兴宇

(1.南京地铁建设有限责任公司，江苏南京 210008;2.东南大学 交通学院，江苏南京 210096)

随着城市交通运输需求量的日益增长，我国许多大城市开始兴建地下铁道，越来越多的盾构区间使用钢筋混凝土管片。如北京、上海、广州、南京等地铁部分区间都采用盾构隧道管片。

目前采用的盾构管片以钢筋混凝土管片为主，随着工程应用的增多，混凝土材料的脆性也让其缺陷逐渐暴露出来。钢筋混凝土管片在运输和安装过程中边缘容易破损和产生裂缝，特别是箱型管片，在盾构千斤顶的作用下容易顶裂［1］，发生渗漏和腐蚀现象，对隧道结构的安全性和耐久性产生不利影响。这就要求管片有足够好的韧性、抗冲击性、抗渗性、耐腐蚀性等性能，这些都是盾构法施工中较棘手但又必须解决的问题。

将纤维掺入水泥混凝土，可以改善其力学性能和脆性破坏特性，达到减少原生裂缝，提高混凝土的力学强度、韧性及抗冲击性能的效果［1］。近年来，纤维混凝土管片在地铁管片工程中已经进入实质性的试验研究阶段，如上海M6地铁线建设了50 m的钢纤维混凝土管片试验段，北京地铁10号线已尝试应用混杂纤维混凝土管片技术［2］。玄武岩纤维是一种新型材料，具有天然的与混凝土的相容性、抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、抗裂性能好、性价比高等优点，是其他材料的良好替代品［3］。作为新型高性能混凝土材料，玄武岩纤维水泥混凝土的性能须进行试验验证，探讨材料性能的优势与不足。

1 原材料配比

1.1 原材料

胶凝剂:南京青龙牌P.O42.5R普通硅酸盐水泥，物理力学指标符合规范要求。

细集料:Ⅰ级河沙，细度模数3.2。

粗集料:Ⅰ级石灰岩碎石，5～25 mm连续级配。

减水剂:萘系高效减水剂。

水:饮用自来水。

纤维:为对比研究水泥混凝土复掺玄武岩纤维后的增强性能，选用了18 mm和30 mm两种长度的短切玄武岩纤维，并选取短切聚丙烯纤维作为对比。纤维主要物理参数与性能指标见表1。

表1 纤维的物理参数与性能指标

1.2 水泥混凝土配合比(表2)

由于聚丙烯纤维的常用体积率为0.1%［4］，且玄武岩纤维增强水泥混凝土在该纤维体积率下的增强效果明显，故玄武岩纤维增强水泥混凝土采用相同的体积率(0.1%)。室内试验各组混凝土的实测坍落度分别为40，45，45，30 mm，表观质量满足要求。

表2 水泥混凝土配合比 kg/m3

1.3 试件成型

普通混凝土试件按照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)和《钢纤维混凝土试验方法标准 CECS13:89》进行制作，纤维混凝土试件的制作采用干拌法，如图1所示。

图1 纤维增强水泥混凝土的制作流程

2 玄武岩纤维增强水泥混凝土性能试验研究

2.1 性能试验指标

确定玄武岩纤维增强水泥混凝土材料性能的试验项目包括力学性能试验与耐久性能试验，并选择代表性试验项目［5-7］。

1)力学性能试验

抗压强度试验、抗折强度试验、落锤式冲击试验、动态韧性试验(弯曲疲劳试验)。

2)耐久性能试验

干缩试验、抗冻试验(快冻法)、抗渗性试验。

2.2 试验依据与方法

水泥混凝土落锤式冲击试验采用的是美国混凝土学会ACI-544推荐试验方法［8］;由于低掺量纤维混凝土F－δ曲线并没有明显的初裂点，常规的准静态韧性评价方法，如美国ASTM C1018标准及国内CECS法无法适用。因此，本文水泥混凝土韧性试验采用弯曲疲劳试验，须专门设计:首先确定水泥混凝土静载极限弯拉强度，然后综合考虑分别取0.75和0.85两个应力水平进行疲劳试验，循环荷载的加载模式与抗弯拉强度试验相同，采用跨中三分点加载，循环最高荷载指定为对应应力水平乘以极限荷载，最低荷载为10%极限荷载，荷载波形为正弦波，频率10 Hz，试验采用MTS试验机。其他试验均按照前述两个规范相关标准进行。

3 试验结果及分析

3.1 玄武岩纤维增强水泥混凝土力学性能试验结果

3.1.1 抗压强度试验

普通混凝土与纤维混凝土28 d龄期抗压强度见图2。

图2 水泥混凝土抗压强度试验结果

试验结果表明，BFC-18组与PFC组抗压强度较PC组提高不足5%，BFC-30抗压强度下降6.3%，对于混凝土这一类复杂的混合物，强度值出现上述程度的浮动，可认为各组别水泥混凝土处于同一级强度水平，纤维对水泥混凝土的抗压强度作用并不显著。

水泥混凝土受压破坏特征主要为沿45°角的剪切破坏，随着应力的不断增加，微裂纹逐渐扩展为宽裂缝，水泥浆体与骨料剥离，并最终导致骨架体系的崩塌。掺入纤维后，浆体与骨料的粘结界面处纤维平行分布弱化粘结强度，另一方面也增加了局部孔隙，促使了破坏面的贯通，故纤维反而易削弱混凝土的抗压性能。但从试验结果来看，纤维混凝土抗压强度并没有出现显著的降低，BFC-18组与PFC组还显现了一定的增强效果，可推测混凝土新拌时，纤维改善了和易性，使胶凝颗粒的水化反应更完全，降低离析引起的细观缺陷，并提高了混凝土骨架体系的稳定性。

3.1.2 抗弯拉强度试验

普通混凝土与纤维混凝土抗弯拉强度试验结果见图3。

图3 水泥混凝土抗弯拉强度试验结果

水泥混凝土抗弯拉强度试验结果与抗压强度试验结果相近，各组别水泥混凝土的抗弯拉强度处均在同一级水平上，纤维增强水泥混凝土组的抗弯拉强度相对素混凝土的浮动范围为－3.4% ～4.3%。

由于纤维掺量较低，且模量低于混凝土材料，纤维的增强作用会被混凝土材料的变异性所“掩盖”，无法显现纤维类型、纤维长径比等因素对混凝土静态强度性能的贡献程度。

3.1.3 落锤式冲击试验

普通混凝土与纤维混凝土落锤式冲击试验结果见表3。

表3 落锤式冲击试验结果

从表3可以看出，掺入纤维后水泥混凝土的抵抗冲击破坏能力显著提升，玄武岩纤维水泥混凝土组的全过程破坏冲击能接近素混凝土的2倍，而初裂后破坏冲击能达到素混凝土的4倍以上。其中，0.10%体积率玄武岩纤维混凝土的全过程破坏冲击能均大于聚丙烯纤维，而且试件初裂和终裂的冲击次数也远高于聚丙烯纤维，这说明玄武岩纤维比聚丙烯纤维更适宜提高水泥混凝土的抗冲击破坏性能。

3.1.4 韧性试验

水泥混凝土弯曲疲劳试验结果见表4。

从弯曲疲劳试验结果可以看出，纤维混凝土耐受疲劳循环作用次数(即疲劳寿命)可达素混凝土的2～4倍。其中，18 mm玄武岩纤维增强水泥混凝土的疲劳寿命水平较高且变异性低于PFC组与BFC-30组，抗疲劳性能最优，聚丙烯纤维增强水泥混凝土次之，30 mm玄武岩纤维增强水泥混凝土优于普通水泥混凝土。这表明，纤维能显著提高混凝土的抗疲劳性能。纤维改善了水泥石微观结构，一方面数量庞大的纤维丝空间结构对水泥石骨架起到了固定作用并增加应变能的耗散，另一方面纤维桥接作用限制了混凝土微裂纹的扩展，从而提高了混凝土的疲劳极限强度。

表4 小梁弯曲疲劳试验结果

3.1.5 玄武岩纤维增强水泥混凝土的力学性能特征

三种纤维增强水泥混凝土的增强性能相类似，对水泥混凝土的静态强度性能影响不显著，而对混凝土材料抵抗动荷载破坏能力均有显著提高作用。对于玄武岩纤维增强水泥混凝土，超长纤维会影响分布取向，在一定程度上影响了混凝土的静态强度性能，但其对混凝土动态力学性能的增强效果仍与聚丙烯纤维相当。

水泥混凝土落锤式冲击试验与韧性试验结果表明纤维显著改善了混凝土的动态力学性能。一方面，纤维的掺入改变了混凝土内部应力传递的特征，纤维—基体界面成为混凝土能量耗散的集中区域;另一方面，微裂纹处的纤维桥接作用降低裂缝尖端应力集中程度，控制了微裂纹的衍生与贯通，同时提高了混凝土的自愈能力。根据多个城市地铁的调查，普通钢筋混凝土管片的破损主要原因是冲击力和拉应力过大［9］，玄武岩纤维显著提高混凝土抵抗冲击破坏的能力，改善了混凝土脆性破坏的弱点，这对改善地铁管片性能，提高隧道工程质量具有重要作用与长远经济效益。

3.2 玄武岩纤维增强水泥混凝土耐久性能试验结果

3.2.1 干缩性试验

普通混凝土与纤维混凝土干缩性试验结果见图4。

图4 水泥混凝土龄期—干缩率

从图4可以看出，纤维对混凝土的自收缩起到了一定的抑制作用，尤其在混凝土硬化时期及强度发展早期较为显著，7 d龄期聚丙烯纤维干缩率降低19.8%，后期干缩率虽较基准混凝土仍有一定程度的降低，但并不显著;同一掺量情况下，聚丙烯纤维与两种玄武岩纤维(18 mm及30 mm)抑制混凝土收缩的作用相当，聚丙烯纤维在早期稍微突出一些;两种长度的玄武岩纤维对混凝土收缩的抑制作用几乎无差别。

试验结果证明了纤维对水泥基材料收缩的抑制作用，拌合时水泥石结构中交织的空间纤维体系有效阻碍了内部水分的散失，混凝土硬化阶段纤维桥接对混凝土自收缩应力起到了一定的分散作用，使得裂缝扩展受到一定的阻力，较低的自收缩强度可相应减少服役期间因收缩引起的内部缺陷。

3.2.2 抗渗性试验

水泥混凝土抗渗性试验采用锥台型试件，本次抗渗性试验中，水压1.2 MPa稳压8 h后，各组水泥混凝土均未出现渗水情况，则各组水泥混凝土的抗渗等级为S12。水泥混凝土抗渗试验结果表明掺入纤维后混凝土仍可保持其密实性，阻碍有压水介质的侵入。另有研究表明，纤维可阻断水介质的渗透路径，延缓介质的渗入速率。

3.2.3 抗冻性试验(快冻法)

普通混凝土与纤维混凝土快冻试验结果见图5。

图5 水泥混凝土相对动弹性模量变化趋势

从图5可以看出，随冻融循环作用次数增加，各混凝土试件的相对动弹性模量不断下降。冻融循环作用初期，PC组空白混凝土由于表面光滑，孔洞少，相对动弹性模量损失小，而纤维增强混凝土由于表面粗糙，特别是PFC组聚丙烯纤维分散性差，相当一部分积聚在试件表面，气孔数量增加，增加了外界水渗入试件表层的路径，初期冻胀作用较素混凝土明显。随着冻融循环次数的增加，PC组试件相对动弹性模量逐渐下降，冻融循环至50次开始急速下降，未到200次循环已经发生破坏(按规范标准，相对动弹性模量下降到75%以下可认定为冻融破坏)，表面剥落非常严重。PFC组试件情况稍好，冻融循环250次方达到破坏状态，相对动弹性模量下降较为和缓。而BFC-18组、BFC-30组玄武岩纤维混凝土试件表现出优异的抗冻性能，直至规范规定的循环次数完成时仍保持良好的外观特征，相对动弹性模量高达90%，在冻融循环75次时，其相对动弹性模量大于前两组，并将差距进一步拉大，在冻融循环作用下性能稳定可靠。

试件冻融破坏前后对比见图6。

图6 试件冻融破坏前后对比

由图6可见，纤维的掺加可大幅改善水泥混凝土的抗冻性能，尤其玄武岩纤维的改善效果显著，玄武岩纤维对混凝土内部的冻胀压力具有良好的缓释作用。

3.2.4 玄武岩纤维增强水泥混凝土的耐久性能特征

通过典型的耐久性能试验，表明玄武岩纤维水泥混凝土具有较低的自收缩效应，较高的抗渗、抗冻性能，尤其是抗冻性能，远远高于素混凝土与同体积掺量的聚丙烯纤维增强水泥混凝土，这对玄武岩纤维水泥混凝土管片在寒区地铁工程的应用具有极大意义。防水是钢筋混凝土管片重点关注的问题，掺入玄武岩纤维并不影响混凝土抗渗等级。

4 结论

1)水泥混凝土掺入聚丙烯纤维、玄武岩纤维后，静态强度变化不显著，动态强度与耐久性能得到了一定的强化。玄武岩纤维的增强性能比聚丙烯纤维好，长型(30 mm)玄武岩纤维的增强性能不及短型(18 mm)玄武岩纤维，这是纤维分布形态导致的结果。

2)玄武岩纤维显著地提高了水泥混凝土的冲击韧性、疲劳韧性、抗冻性能，水泥混凝土的干缩性能提高不明显，并保持原有水泥混凝土的弯拉强度与抗渗性能。其中，掺入体积率0.1%玄武岩纤维后混凝土疲劳寿命增加了3倍，冲击韧性增加了3倍，玄武岩纤维增强水泥混凝土具有一定韧性，可以减少普通钢筋混凝土管片在运输、安装过程中发生的破损和裂缝，并明显提高了管片的抗冻性能。

3)玄武岩纤维增强水泥混凝土在承受重复动载的条件下可增加管片使用寿命。

4)本文通过力学性能及耐久性能室内试验研究，论证了玄武岩纤维混凝土在地铁管片中的可行性和优越性。玄武岩纤维作为一种新的加强筋，其使用效果还需实际工程应用验证。

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