高鐵隧道大直徑盾構(gòu)鋼纖維混凝土管片的設計與關(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合配筋鋼纖維混凝土管片;在此基礎(chǔ)上研制了復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合配筋管片的成本優(yōu)勢較大，節(jié)省達38.9％，淺埋斷面的鋼纖維復合配筋管片成本節(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計中，當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，滿足設計指標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等級均達到P30以上，高于設計要求的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15.9MPa，10h抗壓強度達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的普通標養(yǎng)系列鋼纖維混凝土殘余彎拉強度相當。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計要求。
　　最后，通過對鋼纖維混凝土與復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合配筋混凝土管片取代普通鋼筋混凝土管片用于高鐵