隧道二衬纤维混凝土防渗抗裂性能研究

摘要

在世界范围内，隧道二衬混凝土的开裂和渗漏水是影响隧道安全运营最严重的病害。隧道二衬混凝土开裂和渗漏水引起地下水对隧道二衬混凝土的侵蚀破坏及冻融破坏，增加洞内湿度，降低风机、灯具等器械的工作效率，降低隧道二衬结构的可靠度。基于以上问题，本文在已有混凝土配合比的基础上在混凝土中掺加钢纤维、碳纤维等材料研究隧道二衬纤维混凝土防渗抗裂性能，对混凝土工作性能、基本力学性能、本构关系、抗冲击性能以及抗渗性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴对隧道二衬结构进行有限元分析，考虑围岩应力对混凝土二衬结构受力的影响并分析了隧道二衬混凝土开裂机理及裂缝防治措施，指出纤维混凝土是解决隧道二衬开裂和渗漏的一条途径。⑵单掺钢纤维、碳纤维能够提高混凝土立方体抗压强度、抗折强度、轴心抗压强度和劈裂强度，并且随着纤维掺量的增加，各强度逐渐增加;钢纤维和碳纤维具有协同作用，双掺对力学性能的改善更好，利用matlab编程建立了各强度指标与钢纤维、碳纤维掺量之间的三维线性关系。⑶钢纤维混凝土弹性模量随着钢纤维掺量的增加而增加，碳纤维对混凝土弹性模量的影响不明显;混凝土峰值应变随着钢纤维、碳纤维掺量的增加而增加，纤维混杂时增长幅度更大，峰值应变与钢纤维掺量、碳纤维掺量之间满足三维线性关系;单掺钢纤维、碳纤维能够提高混凝土抗压韧度，纤维双掺比单掺更能提高混凝土抗压韧度;纤维对混凝土抗压韧度的改善主要体现在对峰值后抗压韧度的提高上;建立了基于过镇海模型以及CEB-FIP模型的隧道二衬纤维混凝土轴压应力-应变全曲线方程。⑷通过ACI混凝土冲击试验方法研究了纤维混凝土抗冲击性能，试验结果表明随着钢纤维、碳纤维掺量提高，混凝土开裂前韧性和开裂后韧性均得到了提高;双掺纤维表现出对抗冲击性能更好的改善作用;纤维对混凝土抗冲击韧性的提高主要体现在开裂后混凝土的韧性提高上;引入纤维混杂效应系数，双掺钢纤维和碳纤维具有正混杂效应;基于混凝土断裂力学理论分析了混凝土开裂机理和纤维混杂对裂纹开裂的抑制机理;纤维混凝土冲击韧性和抗压韧度具有较好的相关性。⑸隧道二衬纤维混凝土抗渗试验结果表明:钢纤维或碳纤维能够有效改善混凝土的抗渗性能;双掺钢纤维和碳纤维对混凝土抗渗性能的改善效果更好。