纤维混凝土管片设计研究及工程应用探究

贡怡新， 黄金生

(1.南京广兰建材科技有限公司，江苏 南京 211164；2.江苏龙冠新型材料科技有限公司，江苏 南京 211122)

0 引 言

作为一种新型的复合材料，纤维混凝土具备比普通混凝土更好的力学性能、物理特性与强度质量。所以，将此种材料应用到工程建筑物管片构件的设计与实践中，能达成更高水平的工程建设效果。据此，我们有必要对纤维混凝土管片的设计研究与工程应用展开探索分析。

1 纤维混凝土管片设计的重要价值

结合学界研究与行业经验来看，相较于普通的混凝土材料，纤维混凝土主要表现有以下几点应用优势：

(1)抗疲劳性更强。据相关研究显示，当纤维混凝土中的纤维掺量高于2%时，其抗疲劳应力水平将超过0.9，而普通的混凝土材料仅为0.5至0.6。所以，将纤维混凝土设计、应用到工程建设当中，能达到延长建筑物使用寿命、降低建筑物受力开裂风险的优质效果。

(2)抗腐蚀性更强。经大量学者研究考证，与普通的混凝土材料相比，纤维混凝土在环境模拟试验、现场暴露试验等环境下，均表现出了更高水平的耐热性、抗腐蚀性，且抗腐蚀性具体涵盖有抗气蚀、抗水蚀、抗风蚀、抗化学腐蚀等多个方面。所以，将纤维混凝土管片应用到工程建设中，对建筑物质量具有明显的提升作用。

(3)强度更高。学界研究表明，当混凝土内钢纤维材料的掺入量处在1%～2%时，其抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度与抗压强度相较于普通混凝土分别提高25%～50%、30%～80%、50%～100%、0%～25%。所以，在工程中应用纤维混凝土管片，能使工程建筑物整体的结构强度与承载能力达到较高水平，从而充分满足相关建设要求。

基于以上，纤维混凝土对工程建筑物的提升作用是多方面、大程度的。所以，将纤维混凝土管片(图1)作为设计重点，对工程项目建设质量的保障与强化具有重要现实价值。

图1 纤维混凝土管片

2 纤维混凝土管片设计的主要内容

2.1 纤维混凝土管片的材料配比设计

纤维混凝土管片的性能质量，与其材料成分、配合比参数密切相关。具体来讲，其设计工作应尽量满足以下要求：

(1)在选择掺入的纤维种类时，应以高强度的切断型钢纤维为宜。在此基础上，结合钢纤维的组合成型方式，进行材料掺入量的控制：若钢纤维由成排黏结的钢丝(图2)组合而成，则宜将掺入量维持在60 kg/m3以下；若钢纤维由松散连接的钢丝组合而成，则宜将掺入量维持在50 km/m3以下。这样一来，可在保证钢纤维发挥强化作用的同时，避免钢纤维混凝土发生结团现象。

图2 成排黏结型钢纤维

(2)为了实现纤维混凝土管片性能的进一步提升，还可掺入适量的聚丙烯纤维。在设计中，应将纤维材料高温抗爆水平作为用量控制的关键指标。一般来讲，如使用国产聚丙烯纤维，宜将掺入量控制在0.9～1.2 kg/m3；如使用进口聚丙烯纤维，宜将掺入量控制在0.6～0.9 kg/m3。

(3)在设计纤维混凝土管片的水胶比时，应根据常规混凝土管片的强度标准进行选择。例如，C50混凝土的水胶比宜控制在0.31～0.33。在此基础上，钢纤维混凝土在加入外加剂时，应在标准用量以上适当提高0.05%～0.1%。

(4)在掺入钢纤维、聚丙烯纤维等纤维材料后，混凝土离析现象的发生概率会稍有提高。据此，为了保证混凝土混合结构的整体性与稳定性，避免砂料下沉形成的离析风险，应在设计中适当提高混凝土的含砂量。例如，C50混凝土的含沙量应控制在40%～42%。

(5)在选用外加剂时，应从材料适应性、成本经济性、性能影响性等多方面进行考量。基于此，由于纤维混凝土管片多为预制构件，存在材料尺寸的收缩风险，所以应尽量选择可缓解混凝土前期收缩程度的外加剂，如改性三聚氰胺系减水剂、聚羧酸系减水剂、高效萘系减水剂等。

2.2 纤维混凝土管片的力学性能设计

在设计纤维混凝土管片的力学性能时，相关人员应对混凝土管片的工程应用位置进行具体分析，并制订针对性的控制方案。

(1)若管片为小偏心受压构件，纤维混凝土与普通混凝土的承载力比值约为1.019，所以相关人员在规划此类管片的力学性能设计标准时，应在《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)的基础上，将承载力标准参数乘以1.019。

(2)若管片为轴心受压构件，钢纤维、聚丙烯纤维对混凝土的提升作用并不明显，此时相关人员便可直接按照《混凝土结构设计规范》制定设计标准，无须进行承载力参数的进一步调整。

(3)若管片为大偏心受压构件，纤维混凝土与普通混凝土相比的优势将有明显体现，此时相关人员在设计构件的承载力标准时，不仅要符合《混凝土结构设计规范》的参数要求，还需要将纤维混凝土抗拉强度的提升幅度纳入到工作视野当中。具体来讲，可对大偏心受压管片的受力分布情况进行图像绘制，并通过xt=h-x/β1与fftu=ftβtuλf两个公式进行运算。式中，xt为受力图形的受拉区高度，h为管片构件的截面高度，x为受力图形的受压区高度，β1为《混凝土结构设计规范》中规定的标准系数，ftu为纤维材料的抗拉强度，βtu为纤维材料对混凝土力学性能的影响系数(通常为1.30)。

3 纤维混凝土管片设计的工程应用

以某地铁工程A路段的建设施工为例，对纤维混凝土管片设计的应用效果进行测试分析。该路段为东西走向，其盾构由桥梁的桩柱旁穿过，距离桥桩的最短距离为3.62 m，总长度约为20 m。在方案设计中，管片构件所使用的纤维混凝土材料共有两种类型，一为G56型混凝土，钢纤维掺入量为36 kg/m3，二为G80型混凝土，钢纤维掺入量为30 kg/m3，两者掺入的钢纤维均为φ14 mm的高强度钢筋。

在此案例背景下，主要从管片应力、管片接头螺栓力以及管片环向位移形变三个角度入手，进行纤维混凝土管片的应用效果评估。

在管片应力的应用评估过程中，主要对以下几项数值的变化情况进行测量分析：①管片组装成环状结构后的内部应力变化；②在盾构千斤顶设计工况下的管片内部应力变化；③管片出盾后的内部应力变化。

在管片接头螺栓力的应用评估过程中，主要在每个螺栓的周围均匀布设4个测量点，并测量记录环向、纵向螺栓的应变情况。

在管片环向位移形变的应用评估过程中，主要采取游标卡尺量测的方式，对同一环状结构中相邻管片的接缝变化情况进行测量记录。

在三项评估工作结束后，综合得出以下两点结论：

(1)在千斤顶局部压力的施加下，管片的内部应力、形变情况均处于较低水平。所以，使用纤维混凝土管片开展工程作业，可充分满足工程建设的应力需求，避免建筑物出现开裂、形变等故障问题。

(2)若纤维混凝土管片的连接质量不佳，其在应力作用下可能发生接缝破溃的情况。所以，为了避免盾构管片出现开裂情况，在工程施工中应严格把控管片的组合安装精度。

4 结束语

总而言之，将纤维混凝土作为管片构件的制作材料，可实现管片在韧性、抗疲劳性、抗腐蚀性、承载力等多个性能方面的强化提升。所以，其在工程建设中具备高度的应用价值。但需要注意的是，相关人员在设计、安装等实践过程中，必须要对原料类型、配合比、力学性能、组合精度等进行科学把控，以确保纤维混凝土优势作用的稳定发挥。