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纖維混凝土在地鐵管片生産中的應用

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纖維混凝土在地鐵管片生産中的應用

發布日期:2019-02-10 作者: 點擊:

摘  要  纖維混凝土是一種新型混凝土防爆裂碳鋼纖維,它将傳統混凝土與纖維相結合,具有獨特的優點及性能。文章介紹了應用在地鐵混凝土管片生産中的複合纖維混凝土配合比及纖維混凝土拌制要點,用複合纖維混凝土制作的管片,取得了較好的效果。 

  關鍵詞  地鐵管片  纖維混凝土  配合比  應用效果 

  1  概述 

  纖維混凝土也稱纖維增強混凝土,是在混凝土基體中均勻分散一定比例短而細的纖維,以提高混凝土的韌性及抗拉、抗彎、抗沖擊等性能的一種新型增強建築材料[1]。纖維混凝土的發展始于20世紀初,其中以鋼纖維混凝土研究的時間最早、應用範圍最為廣泛。直到20世紀60年代,美國混凝土協會成立了纖維混凝土專業委員會(ACI544委員會),繼而國際标準化協會也增設了纖維增強水泥制品技術标準委員會(ISO TC77)。20世紀70年代,在鋼纖維混凝土研究的基礎上,相繼出現了碳纖維、玻璃纖維、尼龍、植物纖維混凝土;應用領域也不斷擴大,主要應用于抗折、抗拉強度要求較高的柱、梁、樁、設備底座及飛機跑道等工程[1,2]。 

  對于混凝土中均勻而任意分布的短纖維對混凝土的增強機理,存在着以下兩種不同的理論解釋,其一,為美國的J.P.Romualdi提出的纖維間距機理,又稱纖維阻裂機理[3]:認為混凝土内部原來就存在着缺陷,當外力作用于材料上時, 缺陷部位的集中應力較大, 于是裂紋就從這些部位發展。在材料中摻入鋼纖維後, 裂紋端部鋼纖維的粘結應力發揮出阻止裂縫的作用, 其結果, 在裂紋尖端的部位就減少了裂紋的擴大力量, 抗裂強度得到增強。其二,為英國的Swamy、Mamgat等人提出的複合材料機理[4]:将纖維增強混凝土看作是纖維強化體系, 應用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度, 于是得出纖維混凝土強度與纖維的摻入量、方向、長徑比及粘結力之間的關系。 

  增強纖維混凝土必須采取各種合理的措施,以達到增強的目的。 

  ⑴ 提高纖維抗拉強度,欲使纖維在混凝土中發揮作用,纖維必須有比較高的抗拉強度,與水泥基體的抗拉強度相比,至少要高出2個數量級; 

  ⑵ 增加纖維變形能力,即其受拉時的極限伸長率與水泥基體的極限伸長率相比,至少要高出1個數量級,這樣的纖維加入混凝土,有利于提高韌性與抗沖擊能力; 

  ⑶ 選用粗細适度的纖維。摻入混凝土中的纖維,其長度與直徑的比值大于臨界值時,才能對水泥基體産生明顯的增強效應,即纖維應有一定的長度,且不能太粗; 

  ⑷ 選用彈性模量高纖維,纖維與水泥基體的彈性模量相比,其比值越高,則受荷時纖維所分擔的應力就越大,纖維的作用也就越明顯,從而對增加纖維混凝土的強度有明顯的效果[5]; 

  ⑸ 使纖維均勻分散在混凝土中。 

  2  纖維混凝土在地鐵鋼筋混凝土管片生産中的應用 

制造工程增強抗裂纖維

  地鐵鋼筋混凝土管片強度及抗滲性能要求比較高,通常為C55、P10,因膠凝材料用量相對較高,表面容易出現收縮裂紋,特别是在上海冬季施工時,在管片蒸養工藝結束後,受溫差變化影響,更易出現收縮裂紋,影響管片的耐久性。而當混凝土的抗拉強度不足以抵抗收縮所産生的拉應力時,也會産生開裂,因表面抗拉強度的發展往往滞後于收縮拉應力的發展,因此,管片表面裂紋形成的基本機理是其表面抗拉強度不足以抵抗收縮所産生的拉應力。 

  由于地鐵鋼筋混凝土管片一般都較為厚重,可達5 t左右,所以在運輸過程中邊緣容易破損;在管片拼裝時,由于端面不平,在擰緊拼裝螺栓時,使管片局部應力集中,造成管片開裂;在盾構施工時,由于軸線控制的偏差,造成盾構千斤頂作用在管片環面上時産生偏心作用力,也容易使管片破損,從而影響管片的耐久性。所以,考慮在管片生産中采用纖維混凝土,以改善其性能。 

  2.1  傳統地鐵鋼筋混凝土管片混凝土配合比 

  傳統地鐵鋼筋混凝土管片混凝土配合比配置原則主要考慮滿足地鐵管片設計的抗壓強度及抗滲性能,即滿足強度達到C55,抗滲達到P10。通過計算、試配、調整及考慮材料質量情況,确定的配合比見表

  R28強度平均可達到設計強度的110%,平均劈裂抗拉強度fts=2.66 MPa。 

  2.2  纖維混凝土配合比 

  上海軌道交通2号線西延伸(虹橋東站~2号風井區間)由于需要穿越機場跑道,為了克服傳統鋼筋混凝土管片抗拉強度低、易開裂、抗沖擊性能差等固有缺陷,提高其耐久性能,在管片生産中, 

決定采用複合纖維混凝土。 

  在保持原地鐵管片水灰比、砂率不變的情況下,考慮到由于加摻纖維,混凝土和易性會變差,而且流動性降低,不利于施工,需增加膠凝材料以保持其和易性的特點,通過計算、試配、調整及考慮材料質量情況,确定的配合比技術參數為:等效水灰比0.40;砂率35%;外加劑摻量1.1%,見表2。 

  注:複合纖維采用高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯纖維,其中鋼纖維采用上海哈瑞克斯制品有限公司生産的切斷纖維(l=50 mm;d=0.9 mm;抗拉強度大于1 000 N/mm2);聚丙烯纖維采用格雷斯公司生産的聚丙烯纖維(l=18 mm,d=18 μm),它具有良好的阻裂性能。 

  該配合比混凝土R28強度平均可達到設計強度的112%,滿足P10的抗滲要求,其平均劈裂抗拉強度為2.93 MPa。在抗壓強度較原管片混凝土提高不多的情況下,其劈裂抗拉強度提高10%,說明該混凝土可以大大改善管片易開裂及抗沖擊力差的缺陷,可有效減少收縮裂紋及運輸和施工時管片的碎裂。 

  2.3  纖維混凝土的拌制 

  ⑴ 先将聚丙烯纖維散入料倉四壁,當骨料下料時可将其均勻帶入攪拌機中。在料倉上搭設平台,台上放置鋼纖維分散機,當骨料從皮帶口下料進入料倉時,分層加入鋼纖維,使鋼纖維在混凝土中分散均勻。 

  ⑵ 因纖維混凝土在拌制過程中容易結團,從而影響混凝土性能,故在攪拌過程中必須采用強制式攪拌機;采用幹拌與濕拌相結合的2次攪拌工藝;同時延長攪拌時間。 

  2.4  應用複合纖維混凝土的效果 

  ⑴ 從2007年9月至2008年12月共計生産複合纖維混凝土管片3 033環,期間經曆了2007年底至2008年初的低溫雨雪天氣,管片蒸養後的出模平均溫度在33℃,與生産環境的溫差在30℃左右,但管片表面無任何收縮裂紋,極大地提高了管片的耐久性能。 

  ⑵ 傳統混凝土管片在蒸養工藝結束後,為了減少因管片與生産環境溫差産生的裂縫,通常會延長管片的出模時間,這就降低了管片的産能,而采用複合纖維混凝土管片,則不會發生這樣的情況。 

  ⑶ 管片從生産出模至施工現場拼裝,一般需經過6次吊運過程,其中任何一次的磕碰都會造成管片的破損及開裂。與傳統混凝土管片相比,複合纖維混凝土管片可有效減少由于磕碰造成的損傷,經統計,大約可減少70%左右。 

  3  結語 

  ⑴ 纖維混凝土作為一種新型混凝土,它具有較好的抗磨損、抗破碎能力及抑制塑性裂縫産生等優點,在地鐵鋼筋混凝土管片的應用中取得了較滿意的效果。 

  ⑵ 纖維混凝土管片的質量控制,在很大程度上取決于混凝土配合比和施工工藝,在混凝土攪拌、運輸、澆築及振搗的全過程中,應使纖維盡可能地均勻分布在混凝土基體中, 盡可能避免纖維在混凝土中集中于局部而形成纖維球團,從而保證纖維與混凝土基體之間有較大的增強作用。 

    ⑶ 纖維混凝土與普通混凝土相比,其優良的抗拉、抗彎性能已經得到認同,在工程上應用逐漸 

增多。相信在不久的将來,纖維混凝土一定會在更多的工程領域内顯示出其潛在的優越性。



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