纤维混凝土在高速铁路隧道中的应用课件

纤维混凝土在高速铁路隧道二次衬砌中的应用研究2011.9混凝土配合比及试验方法二四3一工作性能研究3三3五研究背景主要汇报内容CT及ESEM扫描图像分析六耐久性的影响分析力学性能研究3七研究结论一、研究背景世界上早期修建的高速铁路隧道，其二次衬砌一般采用素混凝土结构，但随着时间的推移，隧道衬砌非结构性裂缝不断出现并发展，维修养护工作量不断加大，甚至影响高速铁路运营安全。为解决高速铁路隧道混凝土开裂掉块问题，德国采用衬砌混凝土加钢筋的方式，日本仍采用素混凝土结构，韩国则在洞口附近采用钢筋混凝土结构，在其余地段采用素混凝土结构，但在交付运营前对高铁隧道逐座进行检查，对发现的裂缝逐条进行处理。一、研究背景我国高速铁路隧道一般采用复合式衬砌，从技术经济综合考虑，II、III、IV级围岩隧道二次衬砌一般可采用素混凝土结构，但二次衬砌开裂问题值得深入研究。2006年，铁道部有关部门根据武广、郑西客专咨询单位德国欧博迈亚公司的意见，召开了高速铁路隧道二衬配筋问题研讨会。2009年4月，铁四院完成了《纤维混凝土在高速铁路隧道中的应用研究》。2010年，铁道部科技司立项《高速铁路隧道技术深化研究——隧道高性能喷射混凝土与纤维混凝土应用技术研究》，并提出了阶段性研究成果。2011年，铁道部科技司立项《高速铁路隧道纤维素技术条件》编制。一、研究背景隧道拱顶开裂修补（1）隧道拱顶开裂修补（2）一、研究背景对比研究的纤维材料种类一、研究背景武广、郑西、贵广铁路隧道的应用混凝土工作性能混凝土力学性能混凝土耐久性主要结论：经过对不同加强方式的研究比较，表明纤维素纤维混凝土在早期收缩性能、综合抗裂性能、工作性能、增韧效果、性价比等方面均优于基准混凝土和其他类型加强混凝土，对延长隧道二衬服务寿命有重要意义。以下仅对纤维素纤维混凝土的研究情况进行介绍。二、混凝土配合比及试验方法

坍落度、扩展度《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》混凝土离析率《欧洲自密实混凝土指南》混凝土抗压强度《普通混凝土力学性能试验方法标准》混凝土抗裂性能《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》

美国材料实验协会标准ASTM1579，ASTMC1581-04《混凝土结构耐久性设计规范》混凝土抗疲劳性能自行研制试验方法，进行静力学、动力学模拟疲劳试验混凝土抗渗性能《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》检验项目试验方法基准混凝土与纤维素纤维混凝土工作性能对比表三、工作性能研究项目名称编号坍落度（mm）扩展度（mm）离析率（%）贵广线基准1903904.72纤维2053500.03武广线基准160450-纤维150400-郑西线基准1804803.75纤维1704600.04上表表明，纤维素纤维混凝土的离析率远低于基准混凝土，这使得混凝土基体更加均匀，减少了收缩引起的裂缝。三、工作性能研究015010020040045050300250350初始扩展度坍落度纤维素纤维混凝土的坍落度经时损失符合工程具体要求50021051060min30min200190505480贵广线纤维素纤维混凝土坍落度、扩展度经时损失单位：mm纤维素纤维对混凝土各龄期抗压强度总体影响不大，部分混凝土强度略有提高基准混凝土与纤维混凝土各龄期抗压强度对比表四、力学性能研究项目名称编号7d抗压强度（MPa）28d抗压强度（MPa）56d抗压强度（MPa）贵广线基准-42.453.2纤维-42.452.4武广线基准35.047.556.2纤维35.348.756.0郑西线基准23.438.744.6纤维27.338.945.2四、力学性能研究（1）纤维内部有独特的空腔，可以吸收一部分自由水，在混凝土硬化阶段又可以释放水分，促进未水化水泥颗粒的水化（2）纤维素纤维的亲水性使水泥水化物沿着纤维表面生长，从而使纤维表面粘着大量的水泥浆体颗粒，增强混凝土与纤维间的握裹力五、耐久性的影响分析要延长隧道主体结构的使用寿命，在提高结构承载能力的同时，也应提高衬砌结构的耐久性，体现在减少二次衬砌的裂缝，降低结构的孔隙率，提高结构的抗渗性，提高结构抗侵蚀能力。纤维素纤维的突出性能优势是能大幅度减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，从而提高结构的耐久性。五、耐久性的影响分析1）塑性期抗裂性能：减少新拌混凝土在塑性阶段的各种收缩引起的裂缝改善率100%改善率90.4%改善率100%0

裂缝面积整体减小，改善率超过90%168.99.094.00152.0贵广线武广线郑西线050100200150250裂缝面积/(mm2)五、耐久性的影响分析塑性抗裂性能试件五、耐久性的影响分析00.050.100.300.200.150.25基准纤维0.9kg/m3纤维1.1kg/m3纤维1.65kg/m3平均内应力速率V/(MPa/day)0.210.0240.0330.010ASTMC1581-04▪V＜0.10MPa/day，则混凝土开裂倾向非常小；▪0.10≤V≤0.17MPa/day，则混凝土开裂倾向较小；▪0.17≤V≤0.34MPa/day，则混凝土开裂倾向较大；▪0.34MPa/day＜V，则混凝土开裂倾向非常大；纤维素纤维对混凝土主要强度增长过程中的裂缝扩展有显著的抑制作用1）综合抗裂性能：减少在强度增长过程中因自收缩和干燥收缩的自应力产生的裂缝五、耐久性的影响分析干燥收缩性能试验五、耐久性的影响分析2）抗疲劳性能3、卸荷1、换算2、加载4、气渗试验由极限抗压强度换算出试件的极限抗拉强度加循环荷载，其频率为5Hz试件经50万次疲劳循环后卸荷对试件取样进行气渗试验，评价其损伤程度荷载等级15％30％气体压力等级(MPa)0.20.30.20.3基准3.0E-162.2E-165.9E-163.8E-16纤维2.8E-161.9E-163.8E-162.3E-16改善率(%)7.712.236.440.3纤维素纤维混凝土在不同荷载等级及压力等级条件下，气渗系数都有降低，尤其在30%荷载等级下，降低的幅度更显著，达到40%左右。可见在疲劳荷载等级较高时，纤维素纤维对混凝土抗疲劳性能的改善作用更显著五、耐久性的影响分析3）抗渗性能贵广线混凝土抗渗试验五、耐久性的影响分析3）抗渗性能23.249.8基准纤维纤维素纤维改善了混凝土的抗渗性能，改善率达53.4%01020403050渗水高度/(mm)贵广线抗渗等级为P12混凝土抗渗试验结果五、耐久性的影响分析3）抗渗性能0.010.070.100.000.050.020.060.030.040.090.080.0水泥浆体孔隙率和平均孔径平均孔径孔隙率单位：mm2811163745109单位：%0.6实线代表掺聚丙烯纤维，虚线代表掺纤维素纤维0.30.91.2纤维素纤维能够有效降低水泥基体的孔隙率和孔隙平均孔径，降幅分别达45%和23%以上，其中以掺量0.9kg/m3（纤维当量掺量）为最佳六、CT及ESEM扫描图像分析1）CT三维图像分析贵广线现场素混凝土芯样（直径100mm，高度180mm）六、CT及ESEM扫描图像分析1）CT三维图像分析贵广线现场纤维混凝土芯样（直径100mm，高度185mm）六、CT及ESEM扫描图像分析1）CT三维图像分析

素混凝土芯样

纤维混凝土芯样六、现场CT及ESEM扫描图像分析1）CT三维图像分析ASTMC457标准中的413mm横贯线法六、CT及ESEM试验扫描图像分析基准混凝土：气泡含量8.7%、气泡间距系数111μm、气泡平均弦长108μm；纤维素纤维混凝土：气泡含量5.2%、气泡间距系数58μm、气泡平均弦长57μm。二者在0.01mm-0.2mm尺度范围内均未存在裂纹；纤维素纤维混凝土的气泡含量仅为基准混凝土的60%；纤维素纤维混凝土内部多为直径0.1mm-0.01mm的小气泡，而基准混凝土内部存在较多直径大于0.1mm的气泡，这表明纤维混凝土微细观结构均匀性优于基准混凝土。1）CT三维图像分析六、CT及ESEM试验扫描图像分析现场试验段纤维混凝土中纤维素纤维分布均匀，无结团现象；纤维表面与水泥石界面区粘结良好，纤维耐碱性好。2）ESEM扫描图像分析六、CT及ESEM试验扫描图像分析2）ESEM扫描图像分析由ESEM图像得到每平方毫米混凝土中分布的纤维根数统计值为1.0-1.7根（纤维掺量0.9kg/m3），计算得到每立方米混凝土中分布的纤维根数约为14亿根，呈三维乱向分布的纤维平均中心间距为0.78mm（<7.6mm时，水泥石的抗拉和抗弯初裂强度均明显提高）。七、研究结论纤维素纤维对混凝土工作性能没有负面影响，纤维混凝土和易性良好，坍落度损失速率正常，且离析泌水现象大大减少纤维素纤维总体上略提高了混凝土的抗压强度，增强了二次衬砌混凝土的承载功能纤维素纤维对混凝土的耐久性有显著的改善作用：对混凝土早期塑性收缩裂缝以及自收缩、干缩引起的裂缝具有明显的抑制作用；改善了隧道二次衬砌在频繁气动荷载和振动荷载作用下的抗疲劳