钢纤维自密实混凝土管片力学性能的试验分析

贡怡新 黄金生

（1.南京广兰建材科技有限公司，江苏南京 210000；2.江苏龙冠新型材料科技有限公司，江苏南京 210000）

在铁路隧道施工中，混凝土管片的配筋率会影响其力学性能，进而影响结构稳定性及结构强度。在跨国铁路工程中，依据欧洲标准设计生产的隧道管片以普通混凝土为原料，表现出配筋率较高现象，难以控制钢筋间的距离，导致结构应力集中，引发离析问题，影响工程质量。因此，有必要引进新型混凝土原料。

1 钢纤维自密实混凝土管片力学性能的试验

为评估钢纤维自密实混凝土管片的力学性能，分析钢纤维在混凝土中替代钢筋的可行性，本文以某跨国铁路工程为例，选择对称倾角梁构件为试验对象，选出最佳材料，实现隧道管片的优化，使其满足跨国铁路施工要求。

1.1 试验材料

试验材料及来源如下：（1）水泥，大连某水泥企业生产的P·Ⅱ52.5R普通硅酸盐水泥；（2）钢纤维，长度为35 mm，等效直径为0.55 mm，型号为Dramix RC65/35BN端部弯钩钢纤维；（3）钢筋，型号为HRB400，横筋直径为14 mm，纵筋直径为10 mm；（4）骨料，细骨料选择河砂及中砂，粒径控制在0～5 mm之间，粗骨料选择石灰石碎石，粒径控制在5～10 mm之间；（5）减水剂选择聚羧酸高效减水剂[1]。

1.2 试验方法

应用上述原料，按照欧洲自密实混凝土标准进行混凝土的配置，配比如下：水泥390 kg/m³、粉煤灰150 kg/m³、砂石808 kg/m³、水178 kg/m³、高效减水剂9.72 kg/m³。在混凝土配置中，钢纤维的添加量分别为0、25 kg/m³和50 kg/m³；箍筋配箍率分别为0、0.295%、0.593%；纵筋配筋率分别为2.6%和2.2%，共六个试验方案，如表1所示。

表1 试验方案统计表

在上述方案中，方案一为普通钢筋混凝土，其余均为钢纤维自密实混凝土。所有钢筋构件规格一致，对称倾角梁的结构与参数如图1所示。

图1 对称倾角梁检测结构示意图（单位：mm）

在对称倾角梁的跨中和加载点设置3个位移传感器，用于检测位移参数；在对称倾角梁的纵筋中安装钢筋应变片，通过1 000 kN液压伺服试验机检测分析构件荷载与挠度的关系。设备的加载速度设定为0.5 mm/min，以等速位移方式进行控制。

2 钢纤维自密实混凝土管片力学性能试验结果分析

2.1 抗压强度

试验结果显示，方案一的构件抗压强度为60.5 MPa，方案二和方案三的构件抗压强度平均值为61 MPa；其余方案的构件抗压强度平均值为60.3 MPa。对比试验结果可知，普通钢筋混凝土的抗压强度略高于钢纤维自密实混凝土，钢纤维添加量越大，混凝土的抗压强度越低。但所有方案的抗压强度均满足铁路隧道施工要求，可在工程实践中应用。钢纤维自密实混凝土抗压强度偏低的原因在于钢纤维的加入，使混凝土的脆性降低。

2.2 管片承载力

在荷载试验中，各个方案的构件均出现剪切破坏现象，对比各个方案的荷载-挠度曲线发现，钢纤维的添加可有效增强混凝土构件的力学性能。和普通钢筋混凝土相比，钢纤维混凝土的极限承载力更高，能力吸收能力更强。例如，方案五和方案三的极限承载力相差无几。在极限荷载后，各个方案的构件承载力降低约15%～30%，并保持稳定状态。在该过程中，方案三和方案四的构件承载力降低程度最低，其剩余承载力显著高于方案一和方案五。出现该现象的原因在于方案一未添加钢纤维，方案五未配置箍筋。方案六和方案一的构件在荷载前的刚度相差无几，但荷载后，方案六构件的各项力学性能均优于方案一。

在荷载试验中，结合荷载与挠度、纵筋的应变曲线，可计算各个方案的正截面开裂荷载、极限荷载、极限荷载增幅及开裂荷载下的构件挠度[2]。对比各个方案的荷载数据，发现各个方案间的正截面开裂荷载相差无几，对应的挠度变化不大，但极限荷载相差较大。方案一极限荷载为157.4 kN，方案二为174.1 kN，方案三为165.2 kN，方案四为180.3 kN，方案五为166.9 kN，方案六为192.1 kN。

2.3 管片韧性

目前的技术水平，隧道管片韧性检测主要根据梁抗弯试验结果绘制荷载-跨中挠度全曲线，计算其与坐标轴组成图形的面积，了解构件开裂后的能量吸收能力，进而明确钢纤维对构件开裂的影响，分析指标选为等效抗弯强度。在本试验分析中，分析参数包括D8f、D12f、ffeq,8和ffeq,12。D8f是指跨中挠度为（δer+8 mm）情况下混凝土的能量吸收能力；D12f是指跨中挠度为（δer+12 mm）情况下混凝土的能量吸收能力；ffeq,8是指跨中挠度为（δer+8 mm）情况下混凝土的等效抗弯强度；ffeq,12是跨中挠度为（δer+12 mm）情况下混凝土的等效抗弯强度。计算结果如表2所示。

表2 管片韧性计算结果表

结合上表数据可知，钢纤维的添加量越高，混凝土管片的韧性参数越强。和方案一的普通混凝土构件相比，方案二的能量吸收能力提升程度约28%；在钢纤维自密实混凝土构件中，和方案二相比，方案三和方案四的能量吸收能力提升约24%与31%。

2.4 钢纤维应用的可行性分析

综合上述试验结果可知，和普通钢筋混凝土相比，钢纤维自密实混凝土的各项性能更为优异。具体可从以下几方面分析：

（1）对比方案一与方案六，方案六的混凝土构件极限承载力更高。在挠度为（δer+8 mm）情况下，对比方案一和方案五，方案五的能量吸收能力更高。随着位移的提升，方案五的承载力下降速度高于其他钢纤维混凝土构件方案，说明箍筋的配置会影响混凝土构件的韧性。综合对比方案一与其他方案，发现钢纤维混凝土的各项性能更高，说明钢纤维可替代钢筋。

（2）对比方案一与二、三，在钢纤维替代部分钢筋后，极限承载力分别提升约5%和14.4%；挠度为（δer+8 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约22%和24%；在挠度为（δer+12 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约24%和31%。对比方案二、三和方案四、六，在钢纤维添加量增多后，极限承载力分别提升约22%和18%；在挠度为（δer+8 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约17%和19%；在挠度为（δer+12 mm）情况下，能量吸收能力分别提升约21%和25%。

综合上述对比结果，施工单位可在传统混凝土配置中添加适量钢纤维，通过钢纤维与钢筋的配合使用，混凝土构件的力学性能有较大改善，极限承载力更高，能量吸收能力更强，韧性更为优异，可满足铁路工程隧道管片施工要求，解决传统管片存在的结构应力集中或混凝土离析问题，值得推广普及。在钢纤维自密实混凝土管片应用中，根据不同工程特点，钢纤维的添加量不同。对于岩层相对稳定、隧道管片受力偏小的区域，可选择方案五配置混凝土；对于受力复杂、结构易变形的区域，可选择方案三，由钢纤维替代部分钢筋，并适当提高钢筋间距，避免管片构件出现变形，尽最大限度发挥原材料优势，提高结构性能，保障结构施工质量，使工程效益更高[3]。

3 结语

综上所述，在钢纤维自密实混凝土管片力学性能分析中，和普通钢筋混凝土相比，抗压强度略低，但满足铁路隧道施工要求；极限荷载更高，承载力更强；混凝土管片的韧性更强。可将钢纤维替代传统钢筋，作为铁路工程隧道管片的混凝土原料，提高混凝土构件的力学性能，提高隧道施工质量。