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原文传递高铁隧道大直径盾构钢纤维混凝土管片的设计与关键性能研究

论文题名：	高铁隧道大直径盾构钢纤维混凝土管片的设计与关键性能研究
关键词：	钢纤维混凝土;盾构隧道;大直径管片;残余弯拉强度;杂散电流;耐高温性能
摘要：	本文基于京沈高铁望京盾构隧道10m大直径管片结构设计要求，采用新型4D连续端钩形钢纤维部分或全部取代钢筋，制备钢纤维混凝土管片和复合配筋钢纤维混凝土管片;在此基础上研制了复掺硫铝酸盐水泥制备8h最低抗压强度15MPa的免蒸养早强钢纤维混凝土管片。并系统研究了钢纤维混凝土的残余弯拉强度与韧性，在杂散电流和氯离子侵蚀性介质等复杂服役条件下的关键耐久性，耐火性能以及钢纤维混凝土足尺寸管片抗弯性能试验研究。　　首先，本文通过研究不同体积率的钢纤维混凝土的残余弯拉强度与韧性，为钢纤维混凝土管片的设计提供数据依据。研究结果表明，SFRC55P12-40系列的钢纤维混凝土残余弯拉强度均大于SFRC55P12-30系列的钢纤维混凝土残余弯拉强度，在CMOD=0.5mm、1.5mm、2.5mm、3.5mm时分别提高了20.6％、22.8％、17.6％、47.6％。SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土弯曲韧性指数、等效弯曲强度与弯曲韧性比均大于SFRC55P12-30系列。钢纤维的加入增强了混凝土基体的增强增韧阻裂效果，而且掺量在一定范围内时，随着钢纤维掺量的增加，增强增韧阻裂效果越明显。　　与传统钢筋混凝土管片相比，本文研究发现超浅埋段的钢纤维复合配筋管片的成本优势较大，节省达38.9％，浅埋断面的钢纤维复合配筋管片成本节省4.7％。同时，从裂缝宽度的验算结果得出在增加钢纤维用量的同时减少钢筋用量的设计中，当浅埋管片的裂缝宽度由0.3mm降低到0.14mm即宽度减小53％，中深埋管片裂缝宽度由0.24mm降低至0.11mm减小了约50％。由此可见，通过裂缝宽度的减小将显著提高管片的耐久性。　　其次，本文测试了钢纤维混凝土的电阻率、氯离子扩散系数、抗冻性能、抗渗性能、耐高温性能以及干燥收缩性能。试验结果表明:(1)钢纤维混凝土电阻率是恒定值，与试件长度无关;而钢筋混凝土电阻率随着试件长度增加而减小。在实际足尺寸管片使用过程中，由于钢纤维混凝土管片电阻值大于钢筋混凝土管片电阻值，因此，钢纤维混凝土管片更不易导电，在杂散电流的作用下具有比钢筋混凝土管片更低的锈蚀风险和锈蚀速率。具有更强的抵抗杂散电流腐蚀的能力。(2)SFRC55P12-30系列与SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土的氯离子迁移系数均处于较小水平，均小于2×10-12m2/s，满足设计指标4×10-12m2/s的要求，且氯离子迁移系数随钢纤维掺量增加而降低。(3)SFRC55P12-30系列与SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土经过600次冻融循环时相对动弹性模量都保持在80％以上，质量损失均小于1％，抗冻等级超过F600，高于设计要求的F300抗冻等级，抗冻性能较强。(4)SFRC55P12-30系列与SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土抗渗等级均达到P30以上，高于设计要求的P12抗渗等级。(5)SFRC55P12-30系列与SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土在600℃高温受热时管片耐火极限不小于4h，抗压强度损失率不高于40％，钢纤维混凝土在经受600℃高温4h仍可具有足够的承载力。(6)SFRC55P12-30与 SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土28d的干缩值最大值不超过200με，远小于项目要求的400με。由此可见，钢纤维混凝土具有较强的抗杂散电流腐蚀、抗氯离子侵蚀、耐高温及耐久性，可以满足望京隧道管片的设计要求。　　此外，为了使钢纤维混凝土管片在早期不需要蒸养即在室温下6h-8h就可以达到脱模15MPa的最低强度要求，本文在普通钢纤维混凝土的基础上进一步研制了免蒸养早强钢纤维混凝土。通过用快硬硫铝酸盐水泥取代15％的硅酸盐水泥，制备了8h抗压强度可达15.9MPa，10h抗压强度达19.5MPa的免蒸养早强钢纤维混凝土。并测试了免蒸养早强钢纤维混凝土的残余弯拉强度、氯离子扩散系数、干缩性能。试验结果表明，钢纤维掺量为40kg/m3的免蒸养早强系列钢纤维混凝土残余弯拉强度与钢纤维掺量为30kg/m3的普通标养系列钢纤维混凝土残余弯拉强度相当。SAC-30系列混凝土30d的干缩值为231με，SAC-40系列混凝土30d的干缩值为189肛。SAC-30系列免蒸养钢纤维混凝土平均的氯离子迁移系数为2.07×10-12 m2/s，SAC-40系列免蒸养早强钢纤维混凝土平均的氯离子迁移系数为2.89×10-12 m2/s。均满足望京隧道管片的设计要求。　　最后，通过对钢纤维混凝土与复合配筋钢纤维混凝土足尺寸管片的抗弯性能研究，得到二者在弯曲荷载下的开裂荷载、破坏荷载与最大裂缝宽度。通过测试结果表明，SFRC55P12-30系列钢纤维混凝土管片的开裂荷载、破坏荷载最小，分别为11.3t与17.6t;SFRC55P12-30复合钢筋系列管片开裂荷载、破坏荷载最大，分别为17.0t与41.4t;SFRC55P12-40系列管片开裂荷载、破坏荷载分别为14.7t与21.8t。SFRC55P12-30系列和SFRC55P12-40系列钢纤维混凝土管片的开裂荷载与SFRC55P12-30复合配筋系列钢纤维混凝土管片相比，并没有明显的下降。从而说明钢纤维混凝土管片或钢纤维复合配筋混凝土管片取代普通钢筋混凝土管片用于高铁盾构隧道管片不但具有可行性，而且更加安全、耐久和经济，且具有显著的技术、经济和环保意义。
作者：	丁聪
专业：	材料科学与工程；材料工程
导师：	郭丽萍;孙斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文