水工隧洞衬砌用改性纤维增强混凝土的性能研究

项小勇

(吉安市螺滩水利水电中心，江西 吉安 343060)

钻爆法是较经济的隧洞开挖方式，选择隧洞施工方法时必须考虑周边环境条件和地面条件的限制。噪声、振动、对现有基础设施的影响和环境问题是隧洞建设的典型问题[1]。盾构掘进隧洞通常使用钢或混凝土分段进行隧洞支撑，最初仅使用钢制管片，随着混凝土性能的提升，与钢衬相比，钢筋混凝土节段衬砌由于其较强的耐腐蚀性和较佳的成本效益而被广泛使用[2-3]。研究表明，钢纤维增强混凝土管片衬砌比典型的钢筋混凝土管片衬砌具有更好的性能[4]。然而，由于钢筋易腐蚀，钢纤维混凝土节段衬砌的耐久性仍待进一步研究。对于钢筋的腐蚀问题，常用两种解决措施：①通过压实混凝土来提高抗渗透性；②使用非腐蚀性增强材料。同月苹[5]研究了非腐蚀性聚烯烃基合成纤维和混合纤维代替混凝土管片衬砌中常用的钢纤维和钢筋，其具有更高的冲击静态强度，在海洋结构、喷射混凝土和隧洞衬砌中进行应用。然而，由于纤维在纤维钢筋混凝土中的分散性较差，导致节段混凝土衬砌性能不佳，随着纤维体积分数的增加，流动性降低。谢天逸[6]研究了乳胶和高炉矿渣对衬砌混凝土的抗透水性能的影响，指出乳胶可使纤维分散更均匀，增强钢筋混凝土的流动性，改善了衬砌混凝土的抗透水性，生成的硅酸钙水合物凝胶改善孔隙系统，进而提高抗硫酸盐和氯离子渗透性。

本文研究了改性管片纤维混凝土的性能，纤维由合成聚烯烃纤维组合而成，分析了隧洞衬砌混凝土的抗压强度、氯离子渗透性、冲击强度和耐磨性，为节段混凝土衬砌的宏观和微观内部裂缝的形成提供理论支撑。

1 工程背景

某水工隧洞长7000余m，外径3.6m。由预制管片制成的衬砌厚度为40cm，隧洞内径为2.7m，如图1所示。衬砌环采用4个不同的管片，节段的平均长度为1800mm，宽度为1200mm。节段的内表面包括2个螺栓开口，用于将螺栓固定在衬圈节段之间。此外，节段的侧面有塑料插座，用于不同环之间的接头，如图2所示。

图1 隧洞横截面示意图(单位：cm)

图2 分段隧洞衬砌示意图(单位：cm)

2 试验

2.1 试验原材料及配合比

本研究采用硅酸盐水泥，其3d抗压强度为19.8MPa，7d抗压强度为29.4MPa，28d抗压强度为37.6MPa。为了提高混凝土的耐久性能，添加了高炉矿渣细颗粒，其化学成分SiO2、Al2O3、CaO、MgO占比分别为32.8%、14.1%、41.8%、6.5%。粗骨料的最大粒径为25mm，比重为2.83，24h吸水率为0.36。细骨料的堆积密度为2.54g/mm3，细度模数为2.68。对于增强纤维，使用成束型钢纤维，长度为25mm，直径为0.5mm。聚烯烃基合成改性纤维为聚丙烯和聚乙烯结合的单丝纤维，长度为25mm，直径为1mm。在本研究中，由于纤维增强导致隧洞衬砌混凝土的初始流动性较低，加入丁二烯-苯乙烯共聚物胶乳用于提高混凝土的耐久性和初始流动性，其固体含量为50%，丁二烯与苯乙烯含量比值为7∶3，pH值为10.8。

本试验设置纤维体积分数为0、0.5%、1.0%、1.5%，矿渣取代率为30%的改性纤维增强混凝土，研究改性纤维增强混凝土在隧洞衬砌应用中的力学性能和耐久性。具体各掺合料掺量和水灰比见表1。

表1 隧洞衬砌用改性纤维增强混凝土试件配合比 单位：kg/m3

2.2 试验方法

根据混凝土物理力学性能试验方法标准(GBT 50081—2019)测试了改性纤维增强管片混凝土的抗压强度、抗折强度和氯离子渗透性，进行了抗冲击性和耐磨性试验，以评估改性纤维增强混凝土用于隧洞衬砌中的的耐久性能。抗压试件尺寸为150mm×150mm×150mm，在万能试验机中以恒定速度加载，直到失效。抗折试验采用150mm×150mm×550mm的标准棱柱体试件。氯离子渗透试验试件尺寸为圆柱形试样，直径为100mm，长度为200mm。抗冲击性能试验尺寸直径为150mm，长度为60mm。耐磨性能试验试件直径为150mm，长度为300mm的圆柱形试样，养护至28d。

3 结果和讨论

3.1 力学性能

图3为不同掺量改性纤维混凝土的抗压强度结果。在不同纤维类型和掺量的情况下，各组混凝土的抗压强度均在35MPa以上。通过研究纤维掺量对改性纤维增强衬砌混凝土的抗压强度的影响，对比使用聚烯烃合成纤维代替钢纤维在隧洞衬砌混凝土的应用。由图3可以看出，含有钢纤维和合成纤维的混凝土试件显示出相似的抗压强度，纤维类型及纤维掺量对抗压强度的影响很小。未掺任何纤维的对照组混凝土的抗压强度为35.6MPa，在钢纤维掺量为25k、50、75kg/m3时，钢纤维增强混凝土分别为未掺纤维混凝土抗压强度的1.01、1.04、1.06倍。在聚烯烃合成纤维掺量为2.5、5.0、7.5kg/m3时，聚烯烃合成纤维增强混凝土分别为未掺纤维混凝土抗压强度的1.00、1.02、1.05倍，表明聚烯烃合成纤维可以取代钢纤维，避免隧洞衬砌钢筋混凝土结构中钢纤维腐蚀的情况。改性纤维增强隧洞衬砌混凝土的抗压强度随着纤维掺量的增加而增加。通常，由于纤维的分散性较差，混凝土的流动性随着纤维掺量的增加而降低，使抗压强度降低。本文试验中向混凝土拌合物中加入胶乳，提供了足够的流动性，增加其分散性。由图3中可知，随着高炉矿渣的掺入，改性纤维增强混凝土的抗压强度随之减低，但降低幅度较小。

图3 抗压强度

在隧洞衬砌应用中，混凝土在荷载作用下的抗折强度和抗压强度均为衡量其力学性能的重要指标。图4显示了不同掺量改性纤维混凝土的抗折强度结果。抗折强度随着纤维掺量的增加而增加，在钢纤维掺量从25kg/m3增加至50kg/m3和75kg/m3时，钢纤维增强混凝土的抗折强度增加了6.3%和14.6%。在聚烯烃合成纤维掺量从2.5kg/m3增加至5.0kg/m3和7.5kg/m3时，聚烯烃合成纤维增强混凝土的抗折强度增加了5.9%和11.8%。未掺任何纤维的对照组混凝土的抗折强度为4.7MPa，聚烯烃合成纤维增强隧洞衬砌混凝土抗折强度的效应大于钢纤维，在相同的掺量下，聚烯烃合成纤维增强隧洞衬砌混凝土的抗折强度更高。分析其原因，聚烯烃合成纤维密度相对较低，单位体积的纤维数量高。抗折强度试验结果表明，聚烯烃合成纤维可以替代钢纤维。隧洞衬砌混凝土中高炉矿渣含量的增加降低了混凝土的抗折强度。掺入140kg/m3高炉矿渣较未掺高炉矿渣的的钢纤维混凝土的抗折强度低3.2%～7.3%。掺入140kg/m3高炉矿渣较未掺高炉矿渣的的聚烯烃合成纤维增强隧洞衬砌混凝土的抗折强度低3.5%～6.2%。高炉矿渣是一种火山灰材料，细颗粒延缓了混凝土强度的发展，因此，抗折强度降低。

图4 抗折强度

3.2 耐久性能

图5显示了含有钢纤维和聚烯烃合成纤维的混凝土的氯离子渗透试验结果。在掺入高炉矿渣细颗粒的隧洞衬砌混凝土试件中，由于细颗粒填充了混凝土基质的微孔，使混凝土的平均氯离子渗透率降低。高炉矿渣颗粒提高了隧洞衬砌混凝土的抗氯离子渗透性，但降低了初始抗压强度。在掺有钢纤维和聚烯烃合成纤维的混凝土中，抗氯离子渗透性能随着钢纤维和聚烯烃合成纤维掺量的增加而提高。聚烯烃合成纤维在增强混凝土抗渗性能方面优于钢纤维。

图5 平均氯离子渗透率

图5为含有钢纤维和聚烯烃合成纤维混凝土的抗冲击性能试验和耐磨性试验结果。由图中可以看出，掺入纤维有助于吸收冲击能量，隧洞衬砌混凝土试件在受到冲击破坏过程中，钢纤维通过一系列复杂的拔出、脱粘、桥接和断裂等行为提高混凝土的抗冲击能力[7]。同时，掺入聚烯烃合成纤维的混凝土试件比没有掺入增强纤维的对照组混凝土具有更好的抗冲击性。聚烯烃合成纤维的掺入抑制了隧洞衬砌混凝土内部裂纹的形成，从而提高了能量吸收能力和抗冲击性。观察抗冲击试验后混凝土试件的表观形态，含增强纤维的改性纤维隧洞衬砌混凝土只出现少量微裂纹，而不含增强纤维的对照组混凝土在30MPa的设计强度情况下出现较多显著的微裂纹。钢纤维混凝土和聚烯烃合成纤维混凝土较无纤维混凝土的平均抗冲击次数高出47.6%和128.6%。

隧洞衬砌混凝土的耐磨性为聚烯烃合成纤维混凝土>钢纤维混凝土>无纤维混凝土。纤维在隧洞衬砌混凝土磨损过程中可有效抵抗混凝土粉末和碎片的分离，抑制了混凝土表面因磨损而产生的宏观裂纹，从而提高了耐磨性[8]。由图6可知，钢纤维混凝土和聚烯烃合成纤维混凝土较无纤维混凝土的平均磨损量低17.1%和25.7%。观察耐磨试验后混凝土试件的表观形态，含有聚烯烃合成纤维和钢纤维的混凝土试件的表面磨损比对照组混凝土小。

图6 平均抗冲击性能和平均磨损量

对比不同的纤维类型，评估隧洞衬砌混凝土的力学性能和耐久性，聚烯烃合成纤维的应用表现出最佳的性能。聚烯烃合成纤维可有效地同时抑制混凝土中的微裂纹和宏观裂纹，从而提高混凝土的力学性能和耐久性。在本研究中，与无纤维的普通隧洞衬砌混凝土和无聚烯烃合成纤维的混凝土相比，混凝土的抗压强度、抗折强度、渗透性、抗冲击性和耐磨性都有所提高。综上，在隧洞衬砌混凝土中加入聚烯烃合成纤维来抑制微裂纹的产生和生长，可提高隧洞衬砌混凝土的综合性能。

4 结语

本文通过实验研究隧洞衬砌用乳胶改性聚烯烃合成纤维混凝土的力学性能和耐久性。得到结论如下：

(1)含有钢纤维和聚烯烃合成纤维的混凝土试件显示出相似的抗压强度，纤维类型及纤维掺量对抗压强度的影响很小。

(2)纤维混凝土的抗折强度随着纤维掺量的增加而增加，在相同的掺量下，聚烯烃合成纤维隧洞衬砌混凝土的抗折强度更高。

(3)在掺有钢纤维和聚烯烃合成纤维的混凝土中，抗氯离子渗透性能随着纤维增加而提高。聚烯烃合成纤维在增强混凝土抗渗性能方面优于钢纤维。

(4)聚烯烃合成纤维的掺入有效地控制了隧洞衬砌混凝土的宏观和微观裂纹的形成，是一种可行的替代钢纤维的材料，可尝试用于隧洞衬砌混凝土。