高鐵隧道大直徑盾構(gòu)鋼纖維混凝土管片的設(shè)計與關(guān)鍵性能研究.pdf

1、本文基于京沈高鐵望京盾構(gòu)隧道10m大直徑管片結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，采用新型4D連續(xù)端鉤形鋼纖維部分或全部取代鋼筋，制備鋼纖維混凝土管片和復(fù)合配筋鋼纖維混凝土管片;在此基礎(chǔ)上研制了復(fù)摻硫鋁酸鹽水泥制備8h最低抗壓強度15MPa的免蒸養(yǎng)早強鋼纖維混凝土管片。并系統(tǒng)研究了鋼纖維混凝土的殘余彎拉強度與韌性，在雜散電流和氯離子侵蝕性介質(zhì)等復(fù)雜服役條件下的關(guān)鍵耐久性，耐火性能以及鋼纖維混凝土足尺寸管片抗彎性能試驗研究。
　　首先，本文通過研究不同體積

2、率的鋼纖維混凝土的殘余彎拉強度與韌性，為鋼纖維混凝土管片的設(shè)計提供數(shù)據(jù)依據(jù)。研究結(jié)果表明，SFRC55P12-40系列的鋼纖維混凝土殘余彎拉強度均大于SFRC55P12-30系列的鋼纖維混凝土殘余彎拉強度，在CMOD=0.5mm、1.5mm、2.5mm、3.5mm時分別提高了20.6％、22.8％、17.6％、47.6％。SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)、等效彎曲強度與彎曲韌性比均大于SFRC55P12-30系列。鋼

3、纖維的加入增強了混凝土基體的增強增韌阻裂效果，而且摻量在一定范圍內(nèi)時，隨著鋼纖維摻量的增加，增強增韌阻裂效果越明顯。
　　與傳統(tǒng)鋼筋混凝土管片相比，本文研究發(fā)現(xiàn)超淺埋段的鋼纖維復(fù)合配筋管片的成本優(yōu)勢較大，節(jié)省達(dá)38.9％，淺埋斷面的鋼纖維復(fù)合配筋管片成本節(jié)省4.7％。同時，從裂縫寬度的驗算結(jié)果得出在增加鋼纖維用量的同時減少鋼筋用量的設(shè)計中，當(dāng)淺埋管片的裂縫寬度由0.3mm降低到0.14mm即寬度減小53％，中深埋管片裂縫寬度由0.

4、24mm降低至0.11mm減小了約50％。由此可見，通過裂縫寬度的減小將顯著提高管片的耐久性。
　　其次，本文測試了鋼纖維混凝土的電阻率、氯離子擴散系數(shù)、抗凍性能、抗?jié)B性能、耐高溫性能以及干燥收縮性能。試驗結(jié)果表明:(1)鋼纖維混凝土電阻率是恒定值，與試件長度無關(guān);而鋼筋混凝土電阻率隨著試件長度增加而減小。在實際足尺寸管片使用過程中，由于鋼纖維混凝土管片電阻值大于鋼筋混凝土管片電阻值，因此，鋼纖維混凝土管片更不易導(dǎo)電，在雜散電流的

5、作用下具有比鋼筋混凝土管片更低的銹蝕風(fēng)險和銹蝕速率。具有更強的抵抗雜散電流腐蝕的能力。(2)SFRC55P12-30系列與SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土的氯離子遷移系數(shù)均處于較小水平，均小于2×10-12m2/s，滿足設(shè)計指標(biāo)4×10-12m2/s的要求，且氯離子遷移系數(shù)隨鋼纖維摻量增加而降低。(3)SFRC55P12-30系列與SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土經(jīng)過600次凍融循環(huán)時相對動彈性模量都保持在80％以上，質(zhì)

6、量損失均小于1％，抗凍等級超過F600，高于設(shè)計要求的F300抗凍等級，抗凍性能較強。(4)SFRC55P12-30系列與SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土抗?jié)B等級均達(dá)到P30以上，高于設(shè)計要求的P12抗?jié)B等級。(5)SFRC55P12-30系列與SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土在600℃高溫受熱時管片耐火極限不小于4h，抗壓強度損失率不高于40％，鋼纖維混凝土在經(jīng)受600℃高溫4h仍可具有足夠的承載力。(6)SFRC55

7、P12-30與 SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土28d的干縮值最大值不超過200με，遠(yuǎn)小于項目要求的400με。由此可見，鋼纖維混凝土具有較強的抗雜散電流腐蝕、抗氯離子侵蝕、耐高溫及耐久性，可以滿足望京隧道管片的設(shè)計要求。
　　此外，為了使鋼纖維混凝土管片在早期不需要蒸養(yǎng)即在室溫下6h-8h就可以達(dá)到脫模15MPa的最低強度要求，本文在普通鋼纖維混凝土的基礎(chǔ)上進一步研制了免蒸養(yǎng)早強鋼纖維混凝土。通過用快硬硫鋁酸鹽水泥取代

8、15％的硅酸鹽水泥，制備了8h抗壓強度可達(dá)15.9MPa，10h抗壓強度達(dá)19.5MPa的免蒸養(yǎng)早強鋼纖維混凝土。并測試了免蒸養(yǎng)早強鋼纖維混凝土的殘余彎拉強度、氯離子擴散系數(shù)、干縮性能。試驗結(jié)果表明，鋼纖維摻量為40kg/m3的免蒸養(yǎng)早強系列鋼纖維混凝土殘余彎拉強度與鋼纖維摻量為30kg/m3的普通標(biāo)養(yǎng)系列鋼纖維混凝土殘余彎拉強度相當(dāng)。SAC-30系列混凝土30d的干縮值為231με，SAC-40系列混凝土30d的干縮值為189肛。SA

9、C-30系列免蒸養(yǎng)鋼纖維混凝土平均的氯離子遷移系數(shù)為2.07×10-12 m2/s，SAC-40系列免蒸養(yǎng)早強鋼纖維混凝土平均的氯離子遷移系數(shù)為2.89×10-12 m2/s。均滿足望京隧道管片的設(shè)計要求。
　　最后，通過對鋼纖維混凝土與復(fù)合配筋鋼纖維混凝土足尺寸管片的抗彎性能研究，得到二者在彎曲荷載下的開裂荷載、破壞荷載與最大裂縫寬度。通過測試結(jié)果表明，SFRC55P12-30系列鋼纖維混凝土管片的開裂荷載、破壞荷載最小，分別為

10、11.3t與17.6t;SFRC55P12-30復(fù)合鋼筋系列管片開裂荷載、破壞荷載最大，分別為17.0t與41.4t;SFRC55P12-40系列管片開裂荷載、破壞荷載分別為14.7t與21.8t。SFRC55P12-30系列和SFRC55P12-40系列鋼纖維混凝土管片的開裂荷載與SFRC55P12-30復(fù)合配筋系列鋼纖維混凝土管片相比，并沒有明顯的下降。從而說明鋼纖維混凝土管片或鋼纖維復(fù)合配筋混凝土管片取代普通鋼筋混凝土管片用于高鐵