纖維泡沫混凝土在隧道抗震過程中的應用

摘要：在泡沫混凝土中摻加4種纖維，進行力學指標試驗。結果表明：纖維泡沫混凝土最大抗壓強度較普通泡沫混凝土提高36.1%。隨纖維摻量的增加，泡沫混凝土強度呈先增大后減小的規律。摻入纖維可使泡沫混凝土的彈性模量最大提升310%。方差分析顯示，纖維長度是泡沫混凝土抗壓強度的主要影響因素，而泡沫混凝土的彈性模量主要受纖維摻量和纖維種類的影響。有限元建模分析結果顯示：使用玄武巖纖維泡沫混凝土作為減震層，可以使襯砌應力減小8.7%～15.9%。

關鍵詞：隧道工程； 玄武巖纖維； 聚丙烯纖維； 泡沫混凝土； 抗震； 室內試驗

中國分類號：U455.91A

［定稿日期］2022-04-15

［作者簡介］陳斌（2001—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；王一帆（2001—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；郭禮昱（2001—），女，在讀本科，研究方向為土木工程；楊友杰（2001—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；劉梓城（2001—），男，在讀本科，研究方向為土木工程。

［通信作者］王耀達（1998—），男，碩士，研究方向為隧道及地下工程設計理論。

0 引言

山嶺隧道由于受到巖體約束，一直被認為相較于地面結構具有良好的抗震性能，因而在較長時期內，對隧道震害問題遠不如地面結構那樣受到重視。但是隨著隧道震害的頻繁出現以及隧道數量的增多，隧道地震動力響應研究受到學者廣泛的重視，尤其是1995年日本阪神地震［1］、1999年土耳其地震［2］、2008年汶川地震［3］后，隧道地震動力響應研究出現了前所未有的熱潮，我們需要研究新型材料對隧道工程的抗震性能提高的材料參數作出進一步研究。

泡沫混凝土作為一種新型建筑材料［4-6］，相較于普通混凝土具有質量輕、隔聲效果良好、施工性強等優勢。趙武勝等［7-9］學者進行了相關研究發現使用泡沫混凝土作為隧道減震層材料，可以有效降低隧道襯砌單元的應力及塑性破壞區的大小。但泡沫混凝土也具有抗壓強度較低、易收縮干裂等缺陷，這些缺陷降低了其適用性，阻礙了泡沫混凝土在工程實際中進一步應用，因此，眾多學者提出在泡沫混凝土中摻加纖維以提高其力學性能。張雪松等［10］指出泡沫混凝土的抗壓強度和彈性模量隨著聚丙烯纖維摻量增加呈先提高后降低趨勢，張偉等［11］指出玄武巖纖維增強泡沫混凝土的最大抗壓強度，詹炳根等［12］等研究了不同摻量、長度條件下混雜纖維對泡沫混凝土收縮開裂的影響。

在上述研究的基礎上，為增進對纖維改善泡沫混凝土力學性能作用的了解，分析纖維泡沫混凝土在隧道抗減震方面的作用。本文選用了玄武巖纖維與聚丙烯纖維作為對比，通過設計纖維的摻量與纖維長度澆筑試件進行無側限抗壓試驗分析，由此建立模型，來評估纖維對力學性能的改善作用，以模擬工程實際中關于抗減震性能的應用效果，以此為我國今后重大基礎設施建設中的抗震技術提供部分參考。

1 高性能泡沫混凝土的制備

1.1 實驗材料

本試驗中，水泥使用四川拉法基PO42.5水泥，并且摻加了一定比例的粉煤灰；摻加的纖維為湖南長沙匯祥纖維生產的玄武巖纖維（圖1）和聚丙烯纖維（圖2），其性能指標見表1和表2，水為普通自來水。

1.2 配合比設計

本實驗所有試件設計干密度均為800 kg/m3，摻加25%的粉煤灰。發泡時采用的發泡劑與水之比為1∶40。實驗中共設計5種基本工況（表3），各工況配合比如表4所示。用以探究纖維的種類、長短以及摻量對泡沫混凝土力學性能和物理性質的影響。

1.3 試件生產流程

泡沫混凝土制備流程如圖3所示。由于泡沫混凝土的力

學性能與其生產過程密切相關，因此泡沫發泡過程中選用均勻、綿密、細小的泡沫，應當控制攪拌速度不宜過快使泡沫破碎，澆注時應分3層澆筑，并在每層澆筑完成后用搗棒振搗嚴實，澆筑完成后將試件表面刮平并用保鮮膜覆蓋。

2 高性能泡沫混凝土的物理力學指標測試

2.1 單軸壓縮試驗

所有試件尺寸相同，均為50 mm×100 mm。養護條件、實驗場地和測定儀器也均相同，以此將外部條件的影響降到最低。壓縮時采用位移控制，以10 mm/s的垂直加載速率對泡沫混凝土試件進行施壓，混凝土試件的應變由應變片測得，達到儀器判斷的破壞點或出現明顯破壞時卸載（圖4）。

2.2 數據處理及結果分析

經試驗得出工況0的抗壓強度為5.34 MPa、彈性模量為1.45 GPa。其余工況下混凝土試件的抗壓強度、彈性模量隨纖維摻量改變的變化如圖5、圖6所示。各工況的試件實測密度如表5所示。各工況試件最大抗壓強度、最大彈性模量如表6、表7所示。

從圖5可見，對于工況1和工況3的混凝土試件，其抗壓強度隨纖維摻量的增加，先增大到最高點后減小并波動。摻入纖維過多時（摻量大于1.2%），纖維的分散性不好，泡沫混凝土強度隨著摻量的增多有波動，但均未超過最大抗壓強度。如表6所示，在工況1條件下摻入0.3%纖維時，泡沫

混凝土試件的28d抗壓強度最高，較工況0抗壓強度提升了36.1%。工況2和工況4條件下泡沫混凝土的強度提升不大，相對于工況0的最大提高比例分別為6.4%、5.4%。從圖5可見，工況2和工況4條件下泡沫混凝土試件強度相對于工況0的提升均不理想，甚至會使原本泡沫混凝土的抗壓強度下降。這是由于12 mm的纖維過長，在混凝土中易成團、分散性差，混凝土內部結構不均勻、孔隙多，纖維團和水泥的粘結力小，強度有時反而下降。同時對于工況4，其試件強度在摻量大于0.6%時均低于工況2下試件強度。這是由于聚丙烯纖維密度僅為玄武巖纖維的1/3～1/4，相同質量摻量下，其體積摻量遠大于玄武巖纖維。纖維摻量過多時，也會使混凝土試件強度下降 。6 mm聚丙烯纖維對泡沫混凝土的強度增強的效應差于6 mm玄武巖纖維但好于12 mm的玄武巖和12 mm聚丙烯纖維。

從以上分析與圖5可見，摻入一定量、一定長度的纖維可使泡沫混凝土強度提升，這是由于混凝土硬化前，纖維單絲分擔了部分收縮能量，減少了微裂縫的產生和發展，增加了材料的抗拉強度；加荷載時，混凝土內部會出現很多裂縫。裂縫產生時，纖維承擔了部分荷載，抑制了微裂縫的發展，因此纖維的摻入可增加混凝土的抗壓強度［13］。但摻入纖維過多或摻入纖維量過少時強度都會下降。這是當纖維摻加量較少時，不能在泡沫混凝土內部形成三維網絡結構用以支撐整個漿體材料，反而破壞了漿體中的泡沫結構，導致泡沫混凝土的強度降低［14］。纖維摻量過多時，導致纖維在漿體中的分散性不好，嚴重破壞了漿體的內部結構，使內部孔隙增加，強度下降。

從圖6、表7可見，摻入纖維對混凝土試件彈性模量的提升具有明顯的效果。這是因為纖維可以承受部分拉力，而混凝土抗拉能力極差，相同荷載下纖維減少了混凝土的變形，提高了整體的彈性模量。同時，工況1、工況2的泡沫混凝土試件彈性模量明顯高于摻入工況3、工況4的泡沫混凝土，可見玄武巖纖維對于提升泡沫混凝土彈性模量的作用優于聚丙烯纖維，本次試驗中，提高泡沫混凝土彈性模量效果最好的為工況1條件下摻入1.5%纖維的泡沫混凝土，其彈性模量為5.95 GPa，相比工況0提升了310%。泡沫混凝土摻入纖維來提升彈性模量效果較好。

2.3 試件破壞形態

試件的幾種典型破壞形態見圖7和圖8，在同樣單軸壓縮的條件下，試件出現幾種典型的破壞形態，圖7（a）、圖7（b）均為剪切破壞，有著明顯的剪切破壞面，區別在于前者剪切面貫穿整個試件，而后者的剪切面僅貫穿上部；圖7（c）和圖8為膨脹破壞，兩者都向外隆起，區別在于未摻纖維的試件產生較寬裂縫，同時局部混凝土剝落較多，摻纖維的試件僅產生細小裂縫，混凝土剝落數量也明顯減少；圖7中（d）為試件的橫向拉伸破壞，有一條明顯的縱向裂縫。

摻纖維試件破壞截面見圖9，纖維在試件內部分布較為均勻，可明顯看出有許多混凝土碎塊雖已從試件上脫落，但其仍通過纖維與試件連成一體。

2.4 無交互三因素方差分析

為對比本實驗中的3個可控因素：纖維摻量、纖維種類、纖維長度對纖維泡沫混凝土抗壓強度和彈性模量影響的顯著性，探究材料力學指標的主要影響因素，建立了無交互作用的三因素方差分析模型，并采用SPSS軟件進行分析計算。

由表9數據顯示，FC≈13.115gt;F0.95（1，22）=4.30gt;FB≈0.774，FA≈0.106lt;F0.95（7，22）=2.46。這說明纖維長度是纖維泡沫混凝土抗壓強度的顯著影響因素，而纖維摻量和纖維種類對泡沫混凝土抗壓強度的影響不顯著。從表10中得到，FB≈8.778gt;F0.95（1，22）=4.30gt;FC≈0.689，FA≈3.737gt;F0.95（7，22）=2.46。即證明，纖維摻量和纖維種類對纖維泡沫混凝土的彈性模量影響顯著，而纖維長度對纖維泡沫混凝土的彈性模量影響不顯著。

3 隧道減震層參數分析

3.1 計算模型及計算參數

為分析減震層對水平地震作用下隧道結構地震響應的影響，建立如圖10所示的隧道模型，長30 m，寬6 m，高10 m，隧道埋深6 m，隧道斷面由圖11所示。隧道洞口段襯砌采用35 cm厚C50混凝土。本文通過對比設置15 cm厚的泡沫混凝土減震層與不設置減震層在地震動情況下，沿隧道軸線在拱頂、仰拱、左拱腰、右拱腰設置監測點（圖11），根據上述得出的規律，減震層選用玄武巖和聚丙烯均為0.3 %的泡沫混凝土，減震層、襯砌和圍巖力學參數如表11所示。圖12為本次采用的地震動時程。

3.2 計算結果

在進行減震效果的對比中，本文考慮地震過程中各監測位置襯砌的應力峰值。隧道各檢測位置最大、最小主應力峰值如表12、表13所示。

通過表12和表13的對比，相較于最大壓應力，添加減震層對隧道最大拉應力的減小沒有顯著效果，在仰拱處，玄武巖減震層的減震效果最好，達到15.9%，而在拱頂隧道拱頂處，減震效果相對較差為8.7%，總體上0.3%的聚丙烯纖維減震效果略低于0.3%玄武巖纖維。

4 結論

（1）纖維的摻入對于泡沫混凝土的抗壓強度和彈性模量提升具有顯著效果，本文試驗中最大提升分別為：36.1%、310%。同時，纖維可一定程度減少泡沫混凝土破環時的剝落現象。

（2）纖維長度是泡沫混凝土抗壓強度的主要影響因素，6 mm纖維對泡沫混凝土的抗壓強度提升效果好于12 mm纖維；泡沐混凝土的彈性模量主要受纖維摻量和纖維種類的影響，玄武巖纖維對泡沫混凝土彈性模量的提高效果好于聚丙烯纖維，本次試驗中彈性模量最高試件的纖維摻量為1.5%。

（3）使用纖維摻量為0.3%的玄武巖纖維泡沐混凝土作為減震層，減震效果優于聚丙烯，可以使襯砌應力減小8.7%～15.9%。

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