钢纤维体积率对隧洞混凝土力学性能影响分析

宗兆博（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）



钢纤维体积率对隧洞混凝土力学性能影响分析

宗兆博
（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

［摘要］结合辽宁省内某输水工程模筑钢纤维混凝土配合比设计的研究，在试验室内采用螺纹型及超细型两种不同的钢纤维及钢纤维9种不同的体积率分别拌制混凝土进行试验，实测了混凝土的抗压、抗拉及抗折性能，分析得到了不同的钢纤维及不同钢纤维体积率与混凝土力学性能的关系，通过对比分析得到了经济合理的钢纤维体积率来指导施工。

［关键词］钢纤维；体积率；力学性能；隧洞混凝土

钢纤维混凝土(Steel Fibre Reinforced Concrete，简称钢纤维混凝土)是一种新型的复合建筑材料，系将散乱的短钢纤维均匀分布于水泥混凝土中。它的分布是不连续的和随机的，但是有一个共同的特性规律，即可以不同程度地强化基体力学强度指标，能有效地制约基体内微裂缝的扩展，是一种有广阔市场的工程材料。

钢纤维混凝土最早出现于20世纪初期，我国于20世纪70年代后期开始研制钢纤维，先后在黑龙江大庆、浙江金华、北京、重庆、四川、上海、广东等地的公路路面、机场跑道、旧桥加固中进行试验性的应用，后推广至土木工程各领域，取得了很大的效果。下文结合大伙房水库输水工程实例，做了以下试验研究及分析。

1　工程概况

辽宁省内某输水工程系自桓仁县的浑江桓仁水库坝下凤鸣电站库区自流无压引水，经过85.33 km的输水隧洞，至新宾县浑河支流苏子河的穆家电站下游，流入浑河上的大伙房水库，并经大伙房水库反调节后向浑河、太子河及大辽河地区的抚顺、沈阳、本溪、辽阳、鞍山、营口6座城市提供工业和生活用水的一项大型跨流域引水工程。输水隧洞开挖洞径8.0 m，成洞洞径7.16 m，采用TBM施工，设计调水流量为60 m3/s，多年平均调水量18.43亿m3。TBM施工段原设计的Ⅳ、Ⅴ类围岩，二次模筑混凝土为C25钢筋混凝土衬砌，考虑使用承包商采用全面模板台车进行机械化快速衬砌，从而加快施工进度，缩短工期，掺加钢纤维，并将混凝土的强度等级调整到CF30。

2　模筑钢纤维混凝土配合比

2.1原材料的选择

2.1.1钢纤维

采用辽宁鞍山昌宏钢纤维厂生产的螺纹型和超细型钢纤维，其物理特性见表1。

表1　钢纤维特性表

水泥选择抚顺水泥股份有限公司生产的浑河牌P.O42.5。原材料试验结果满足GB175-1999《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》标准

2.1.3粉煤灰

采用抚顺热电厂生产的Ⅰ级灰。试验结果均符合GB1596-91《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》之Ⅰ级灰的要求。

2.1.4细骨料

采用坚硬耐久的砂料，粒径0～5 mm，细度模数为2.8，表观密度为2 680 kg/m3，试验结果符合DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》

2.1.5粗骨料

采用粒径为5～10 mm，10～20 mm两种级配的粗骨料。粗骨料颗粒中，除针片状含量为17.6%，略超出标准值外，其余指标均满足DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》。

利用c-MWNT-MNPs-LC-MS/MS方法对15个餐厨废弃油脂中大豆异黄酮类物质进行定量分析，每个样品测定三次，结果取平均值，并计算标准偏差，得到餐厨废弃油脂中大豆异黄酮类含量分布情况，见表4。

2.1.6水

采用地表水，试验结果符合JGJ63-89《混凝土拌合用水标准》。

2.2模筑钢纤维混凝土配合比

根据《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000计算混凝土基准配合比，经过试配调整得出混凝土成型配合比见表2。

表2　模筑钢纤维混凝土配合比

3　不同钢纤维体积率对钢纤维混凝土力学性能的影响

为了了解不同钢纤维体积率对钢纤维混凝土力学性能的影响，试验室选取钢纤维体积率分别为 0%，0.25%，0.5%，0.75%，1.0%，1.25%，1.5%，1.75%，2.0%的混凝土抗压、抗拉及抗折试验。试验结果，见图1～3。

图1　抗折强度、抗拉强度随钢纤维体积率变化试验结果（螺纹型）

图2　抗折强度、抗拉强度随钢纤维体积率变化试验结果（超细型）

图3　2种钢纤维抗压强度随体积率变化试验结果

通过试验结果可以看出：

3.1抗压强度

2种钢纤维，当体积率增加时，抗压强度则降低，不掺加钢纤维的基体混凝土强度最高，为42.4 MPa；当钢纤维体积率为0.5%时，抗压强度为较大值，其值为螺纹型37.4 MPa，为基体强度的88.2%；超细型40.8 MPa，为基体强度的96.2%。

3.2抗折强度

2种钢纤维，当体积率增加时，抗折强度平缓均匀的提高；当钢纤维体积率达到1.50%时，2种钢纤维混凝土的抗折强度均出现峰值，即螺纹型钢纤维混凝土为4.62 MPa，超细型钢纤维混凝土为5.05 MPa，之后又缓慢降低，最低值出现在钢纤维体积率为0.25%之时，其值为螺纹型钢纤维混凝土为3.94 MPa，超细型钢纤维混凝土为4.19 MPa。

3.3劈裂抗拉强度

2种钢纤维，当体积率增加时，劈裂抗拉强度先后出现2个峰值。其中最大值均出现在钢纤维体积率为1.75%时，而另一个较大值分别出现在0.50%（螺纹型）和0.25%（超细型）时。

综观上述结果，掺加钢纤维对混凝土的抗压、抗折及抗拉强度均有影响，掺加钢纤维可以降低混凝土的抗压强度，可以不同程度地增加混凝土的抗拉及抗折强度。

4　钢纤维混凝土的影响机理

钢纤维混凝土中乱向分布的纤维主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发展。因此，对抗拉强度和主要由拉应力控制的抗剪、抗扭强度等有明显的改善作用。根据纤维增强机理的各种理论，诸如纤维间距理论、复合材料理论和微观断裂力学理论以及大量试验数据分析，纤维的增效果主要取决于混凝土基体强度、钢纤维体积率、钢纤维强度、钢纤维长径比、钢纤维品种和外形等。通常混凝土基体强度高，钢纤维体积率大，钢纤维强度高，纤维长径比大，则钢纤维混凝土的性能更好。但是钢纤维体积率和长径比，不是愈大愈好，而是在一定范围内才更有效。

5　结论

工程选择钢纤维体积率为0.50%的螺纹型钢纤维是比较适宜的。其钢纤维掺量较低，经济性较好，同时便于搅拌，钢纤维的分散性好，又能使钢纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度都可以达到较大值，而抗折强度虽然达不到较大值，但也超过4.0 MPa，满足工程设计要求。因而，选择钢纤维为0.50%是经济合理的。

［参考文献］

［1］宗兆博，汪魁峰，刘大为.大伙房输水工程泵送钢纤维混凝土配合比设计［J］.东北水利水电，2008，（6）：P1～P3．

［2］熊学忠，徐银芳.钢纤维体积率对中强混凝土性能的影响试验［J］.武汉职业技术学院学报.2005，（5）：P71～P74．

［3］王伟.钢纤维混凝土配合比设计及其性能研究［J］.山西交通科技.2010，（5）：P41～P43．

［中图分类号］TV135

［文献标识码］A

［文章编号］1002－0624（2016）03－0045－03

[收稿日期]2015-10-26