公路隧道鋼纖維混凝土管片力學性能研究

摘要 文章針對鋼纖維混凝土在公路隧道管片中的力學性能展開研究，通過水泥、鋼纖維、骨料和礦物摻合料制備鋼纖維混凝土，首先采用水泥∶水∶石子∶砂=15%∶33%∶40%∶12%的配合比制備了混凝土試件，在鋼纖維體積摻量分別為0%、0.6%、0.8%、1.2%、1.6%的情況下制備了5組試件；然后將預制好的鋼纖維混凝土梁試件安裝在AG-X Plus Series液壓萬能試驗機上，以測試不同試件的抗彎強度。試驗結果表明，對于不同鋼纖維摻量體積的試件，鋼纖維摻量越多，其抗壓性和抗彎性越好。

關鍵詞 鋼纖維；混凝土管片；公路隧道；力學性能；試驗設計

中圖分類號 TU528.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）02-0120-03

0 引言

公路隧道作為隧道工程的一個重要部分，在保障道路暢通和安全通行方面具有重要意義。為了增強公路隧道的結構性能、延長其使用壽命，鋼纖維混凝土作為一種新型復合材料廣泛應用于公路隧道管片的制造中。傳統的隧道管片多采用普通混凝土材料進行制造，但其在抗拉強度、抗裂性和耐久性等方面存在一定不足[1]。鋼纖維混凝土通過在混凝土中添加適量的鋼纖維，以優化混凝土構件的多方面性能，大幅提升了混凝土的韌性和耐久性，使其更適用于公路隧道管片的制造。

1 管片與材料方法

管片是盾構法公路隧道施工中的主要襯砌材料，具有重要應用價值。目前，我國盾構公路隧道的管片設計外徑為6 000 mm，內徑為5 400 mm，厚度為300 mm。在目前的應用中，管片環向由6塊構成，其中3塊是標準塊，1塊是封頂塊，其余的2塊是相鄰塊。目前，管片的應用主要有四種類型：第一種是1.2 m的通用環，第二種是1.5 m的標準環，第三種是1.5 m的左轉彎環，以及第四種是1.5 m的右轉彎環[2]。管片端面一般呈平面形式，需要在迎水面的四周設置防水膠條的溝槽，混凝土管片的使用壽命一般是100年，而鋼纖維混凝土管片的使用壽命則更長。

1.1 鋼纖維混凝土制備

在公路隧道結構中，由于混凝土管片要承受復雜變形環境和高強荷載壓力等因素的影響，對其穩定性提出了更高要求。鋼纖維混凝土可以有效減緩裂縫擴展，并提高抗壓和抗拉強度，大幅提升管片的整體穩定性和耐久性，確保隧道結構的安全可靠運行[3]。因此，通過鋼纖維增強公路隧道管片混凝土非常必要，有利于提高公路隧道結構的整體性能和使用壽命。公路隧道管片如圖1所示：

制備鋼纖維混凝土應按一定比例，將鋼纖維與水泥、骨料、礦物摻合料等混凝土原材料進行攪拌混合，經過施加適當的粉劑控制流動性，得到均勻分散的鋼纖維混凝土漿狀混合物。混凝土配合比必須符合設計和規范要求，其性能應滿足管片生產工藝要求。混凝土攪拌系統配備砂石及含水率自動快速測定儀，嚴格按照配合比拌制混凝土。管片混凝土澆筑時應分層、連續、均勻、對稱地從模具兩端向中間布料，采用振搗棒振動成形時，每蓋一塊蓋板布一層料，振搗密實后方可布下一層料，振搗時不能碰撞模具、預埋件和鋼筋骨架，振搗時間一般控制在2～3 min為宜，振動至混凝土與側板的接觸處且不再有噴射狀氣泡時為止[4]。制備材料主要是作為混凝土主要原料的P.C硅酸鹽水泥，其主要成分包括熟料和適量的礦渣、石膏等摻合料。選擇直徑為0.81 mm的鋼纖維，其性能特點為高拉伸強度、抗腐蝕性好、抗拉性能優異，能夠有效抵抗混凝土的開裂和抗拉應力。選擇碎石和碎砂作為骨料時，碎石骨料的顆粒直徑應選擇6 mm級，而碎砂骨料的顆粒直徑則選擇2 mm級；骨料應具有充分強度和穩定性且能成為混凝土結構的骨架，具備足夠的承載能力和抗壓性[5]。選擇粉煤灰作為主要的礦物摻合料，其粒徑要求為45 μm。

1.2 試驗儀器

試驗儀器主要如下：（1）壓力試驗機（萬能材料試驗機），主要用于測定混凝土的抗壓強度、抗拉強度等力學性能，具體型號為AG-X Plus Series的液壓萬能試驗機。（2）彎曲試驗機（鋼筋混凝土梁彎曲試驗儀），主要用于測定混凝土梁的彎曲性能、抗彎強度等，具體型號為YAW-G Series的鋼筋混凝土梁彎曲試驗儀。（3）顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM），用于觀察和分析鋼纖維在混凝土內部的分布情況和連接狀態，具體型號為ZEISS EVO Series的掃描電子顯微鏡。

1.3 試樣制備

鋼纖維混凝土試件制備過程如下：（1）檢查實驗室設備和儀器的狀態，確保正常運作。（2）混凝土配合比為水泥∶水∶石子∶砂=15%∶33%∶40%∶12%，減水劑為81%，鋼纖維體積摻量分別設置為0%、0.6%、0.8%、1.2%、1.6%，確保鋼纖維均勻分散在整個混合物中[6]。（3）將上述材料放入混凝土攪拌機中進行充分混合攪拌，攪拌時間設定為60 s，加入減水劑和水后再繼續攪拌240 s，攪拌期間應觀察鋼纖維的結團情況，保證鋼纖維呈均勻分布趨勢。（4）根據試驗要求選擇圓柱體模具，先對其進行充分潤滑，再將混凝土倒入模具中，按照標準壓實方法或振搗方法進行試件制備，確保試件表面平整。（5）根據鋼纖維摻量由小到大順序將試件分為1#～5#組，最后將試件放置于恒溫恒濕的環境中養護28 d即可。

1.4 試驗方法

1.4.1 抗壓強度分析方法

利用韌性系數測試抗壓強度。韌性系數（Toughness Factor）是評價混凝土抗沖擊性能和韌性的一個重要指標[7]，利用韌性系數測試抗壓強度是為了評估混凝土的整體抗壓性能和變形能力，通過AG-X Plus Series液壓萬能試驗機實現壓力試驗。韌性系數的計算公式如下：

式中：——表示壓力功（J）；——表示壓力功初始值（J）。

1.4.2 抗彎強度分析方法

將預制好的鋼纖維混凝土梁試件安裝在試驗機上，調整試件位置，確保試件正確定位并能承受加載。根據設定的加載方式即10 kN的遞增方式開始施加荷載，逐漸增加加載直至試件發生破壞即可，再詳細記錄加載過程中試件的彎曲度變化數值[8]。

2 試驗結果分析

2.1 鋼纖維混凝土的SEM

將混凝土樣品進行研磨和拋光處理，直至獲得平坦的表面，確保在SEM下觀察時能夠獲得清晰的圖像。為了減少樣品表面的電子束輻射造成的充電效應，通常需要在樣品表面涂覆金屬鉑，將經過處理的樣品放入SEM儀器并選擇匹配區域進行觀察。通過控制電子束掃描即可獲取高分辨率的表面形貌圖像。不同試件的SEM如圖2所示：

2.2 抗壓強度分析

通過壓力機以0.4～0.6 MPa/s的速度對試件實施3次的荷載壓力測試，得出的試件破壞形態結果如圖3～5所示。

分析圖3～5可知，從混凝土試件的裂縫長短和寬窄可以看出，壓力沖擊次數越大，試件的裂紋問題越嚴重，但也表明鋼纖維的加入使混凝土的承壓性能得到了顯著提升。當鋼纖維摻量逐漸增多時，混凝土的裂縫便會隨之減小[9]。

2.3 抗彎強度分析

不同鋼纖維摻量制備的混凝土材料的抗彎度是評估其應用性能的關鍵指標之一，在受壓荷載不斷增加的情況下，混凝土抗彎強度變化情況如圖6所示：

通過分析圖6可以得知，鋼纖維的摻量對公路隧道管片混凝土試件的抗彎性能影響較大，表明鋼纖維能夠提高混凝土的抗彎性能。當鋼纖維摻量過高時，混凝土中的鋼纖維相互交錯、糾纏密集，可能導致集料的分散性下降，使得混凝土內部的空隙變得更大，從而影響混凝土的均勻性和密實性。

3 結語

綜上所述，鋼纖維混凝土在公路隧道管片中的應用具有顯著優勢。通過試驗結果得知，隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土試件的抗壓性和抗彎性能均呈現出明顯的提升趨勢，顯示鋼纖維在混凝土力學性能方面發揮了有效作用，為優化公路隧道管片的設計和施工提供了重要依據。進一步深入研究和推廣應用鋼纖維混凝土技術，將有助于提升公路隧道結構的耐久性和安全性，可為公路隧道的工程質量和管片的可靠性提供有力支撐。

參考文獻

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