Architectural Engineering November 2013, Volume 1, Issue 3, PP.83-87
Experiment Research on the Mixture Ratio and Characteristics of Tunnel Lining of Steel Fiberreinforced Concrete Wenlu Wang † , Jianfeng Zhang Resources and Environmental Engineering Department, Henan Institute of Engineering, Henan Zhengzhou 451191 †Email:
wangwenlu1983@163.com
Abstract The steel fiber reinforced concrete would reduce the cross-section area of the tunnel, improve the stability of the tunnel, reduce workloads and save costs. In order to study the mechanical properties and engineering characteristics of steel fiber reinforced concrete, the shear wave section steel fibers which dosage were 0kg/m3, 40kg/m3, 50kg/m3, 80kg/m3 and 120kg/m3 were joined into the concrete. We carried out compressive strength and tensile strength experiment and calculated the optimum mixture ratio of steel fiber reinforced concrete. The results show that when the shear wave section steel fiber content is 50kg/m3, the compressive strength and tensile strength of the steel fiber reinforced concrete reach maximum. The compressive strength of steel-fiberreinforced shotcrete is less than that of indoor by 4.5%. The tensile strength of steel-fiber-reinforced shotcrete is less than the one indoor by 8.8%. Keywords: Steel Fiber Reinforced Concrete; Tunnel Lining; Optimum Mixture Ratio; Compressive Strength; Tensile Strength
隧道衬砌钢纤维混凝土的配比和性能试验 王雯璐，张建锋 河南工程学院 资源与环境学院，河南 郑州 451191 摘 要：将钢纤维混凝土用于隧道衬砌可有效减小结构断面面积，提高隧道稳定性，节约成本。为了研究钢纤维混凝土的 力学性能和工程特性，在混凝土中加入掺量为 0kg/m3、40kg/m3、50kg/m3、80kg/m3 和 120kg/m3 的剪切波浪型钢纤维， 进行抗压强度和抗拉强度试验，从而得出钢纤维混凝土的最优配合比。试验结果表明剪切波浪型钢纤维掺量达到 50kg/m3 时，试件的抗压强度和抗拉强度达到最大值。现场喷射钢纤维混凝土试件比室内浇筑混凝土的抗压强度降低 4.5%，劈裂抗拉强度降低 8.8%。 关键词：钢纤维混凝土；隧道衬砌；配合比；抗压强度；抗拉强度
引言 钢纤维混凝土具有较好的抗裂和抗渗性能，施工工艺简单，施工速度快，作为隧道衬砌可减少隧道开 挖临空时间内的变形，有利于提高隧道的稳定。在国外，为于斯堪的纳维亚半岛的挪威最早将钢纤维混凝 土应用在海底隧道作为永久加固和最终支护方法[1]，而著名的阿尔卑斯山隧道的 85%部分都采用钢纤维混凝 土单层衬砌。世界上许多国家隧道衬砌都有了不同程度的应用[2]，如瑞士、法国、美国、巴西、加拿大、芬 兰、比利时和西班牙等国，而且一些国家还制定了相应的设计和施工规范。在国内，钢纤维混凝土在水利 水电和边坡工程得到了初步尝试和进展，较典型的是成昆铁路、西康铁路椅子山隧道、石太铁路斜井隧道 都采用了钢纤维混凝土衬砌[3]。目前，我国公路及铁路隧道中，衬砌混凝土施工质量存在较多问题[4][5]，如
河南省教育厅项目（2012112214312494） - 83 http://www.ivypub.org/AE/
强度不够、开裂渗水，在外观质量方面，起拱线以下的边墙出现较多的麻面和气泡，甚至出现较多裂缝， 严重影响了混凝土的外观和耐久性，而产生以上问题的一个重要原因就是隧道衬砌中存在一定的缺陷。本 文以图珲公路的隧道工程为依托，进行钢纤维混凝土的室内试验研究，通过对钢纤维混凝土试件的基本力 学性能的研究和分析，为隧道衬砌设计提供有效的力学性能和工程性能指标，以满足工程需要。
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试验设计
1.1 试验目的 混凝土中加入不同掺量的钢纤维，进行抗压和抗拉强度试验，研究其对混凝土性能的影响，确定钢纤 维混凝土的最优配合比。
1.2 试验材料 （1）水泥。绿城牌 42.5#普通硅酸盐水泥，指标如表 1。 表 1 水泥物理指标 标准稠度
初凝时间 (min)
终凝时间 (min)
安定性
3d 抗折强度 (MPa)
28d 抗折强度 (MPa)
3d 抗压强度 (MPa)
28d 抗压强度 (MPa)
26.6
148
187
合格
6
9.2
23.5
47.2
（2）粗骨料和细骨料 粗骨料为碎石，细骨料为粗砂和细砂，粒径分布如表 2。 表 2 粗骨粒颗粒分布表 累计筛余百分比(%)
16
9.5
4.75
2.36
筛余
0.0
3.2
75.1
93.7
100
表 3 细骨粒颗粒分布表 粒径(mm) 累计筛余百分比(%)
9.5 0.0
4.75 3.5
2.36 8.1
1.18 14.2
0.6 25.1
0.3 47.8
0.15 96.7
筛余 100.0
（3）钢纤维 试验钢纤维类型为剪切波浪型，型号为 0.5mm×30mm；长径比为 60；弯折性能≥90%；抗拉强度≥ 380MPa。 （4）外加剂 减水剂为绿城建材有限公司生产，物理指标如表 4。 表 4 减水剂物理指标 密度(g/cm3) 1.07
固体含量(%) 23.36
PH 6.5
砂浆减水率 >20
1.3 混凝土拌制和成型工艺 先将水泥、河砂、碎石、矿物掺合料、纤维投入混凝土搅拌机中拌和 1min，然后将水和减水剂投入搅 拌机，再拌和 3min。混凝土成型时采用振动台，振动时间 60s。用塑料薄膜覆盖试件。
1.4 试验仪器设备 混凝土搅拌机：强制式混凝土搅拌机，容量 100L。 压力试验机：最大量程 2000kN。 标准塌落度筒 - 84 http://www.ivypub.org/AE/
振动台：频率（50±3）Hz 磅秤：最大称量 50kg 天平：最大称量 5kg 标准养护室：温度（20±3）℃，相对湿度 90%以上。
2
试验结果 为了研究不同掺量对钢纤维混凝土力学性能的影响，室内试验配比方案如表 5。 表 5 不同钢纤维掺量力学性能试验配比 3
钢纤维掺量(kg/m ) 水泥(kg) 水(kg) 减水剂(kg) 碎石(kg) 粗砂(kg) 细砂(kg) 硅粉(kg) 水灰比 坍落度(mm) 粘聚性 和易性
0 441.6 230.4 3.84 604.8 673.9 449.3 38.4 0.48 205 良好 良好
40 441.6 230.4 3.84 590.8 658.3 438.9 38.4 0.48 190 良好 良好
50 441.6 230.4 3.84 587.3 654.4 436.3 38.4 0.48 160 良好 良好
80 441.6 230.4 3.84 576.8 642.7 428.5 38.4 0.48 160 一般 一般
100 441.6 230.4 3.84 562.8 627.1 418.1 38.4 0.48 150 一般 一般
按照《钢纤维混凝土试验方法》(CECS13:89)制作 150mm×150mm×150mm 的立方体，浇制后养护至 规定龄期，进行抗压和抗拉强度试验，结果如表 6、7 所示。
图 1 不同钢纤维掺量的混凝土抗压强度
图 2 不同钢纤维掺量的混凝土抗拉强度试验
表 6 不同钢纤维掺量的混凝土抗压强度试验 纤维掺量(kg/m3) 0 40 50 80 120
7d 抗压强度(MPa) 35.9 36 40.8 32.7 27.8
28d 抗压强度(MPa) 42.8 43.6 48.1 42.7 35.5
表 7 不同钢纤维掺量的混凝土抗拉强度试验 纤维掺量(kg/m3) 0 40 50 80 120
7d 抗拉强度(MPa) 2.2 2.8 3.1 2.6 2.2 - 85 http://www.ivypub.org/AE/
28d 抗拉强度(MPa) 2.5 3.4 3.4 2.8 2.6
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试验分析 （1）由表 5 知，随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的坍落度、粘聚性、和易性都有所降低，表明
钢纤维掺量对钢纤维喷射混凝土的施工工艺影响较大。 （2）由图 1 和表 6 可知，当钢纤维的掺量较小时，本试验掺量小于 40kg/m3 时，钢纤维混凝土的抗压 强度几乎没有增加。 由纤维间距理论可知，由于钢纤维的掺量较小，纤维间距较大，在受力过程中无法阻止裂缝的展开， 因此无法使钢纤维混凝土的强度提高。少量的钢纤维反而使混凝土内部增加尺寸不同的微裂缝和孔隙，受 到外力作用时，孔隙和裂缝部位易产生应力集中，引起裂缝的扩大，最终导致结构破坏。 随着钢纤维掺量的增加，纤维间距变小，钢纤维的作用得到充分发挥，钢纤维混凝土的抗压强度不断增 加。本试验钢纤维的掺量达到 50kg/m3 时钢纤维混凝土强度出现了拐点，说明当钢纤维掺量达到 50kg/m3 时 钢纤维混凝土的强度达到最大值，随着钢纤维的持续增加，混凝土的和易性、粘聚性变弱，强度逐渐降低。 （3）由图 2 和表 7 可知，随着钢纤维的增加，混凝土的抗裂性能有所提高，钢纤维混凝土的抗拉强度 有所增加。当钢纤维的掺量为 50kg/m3 时，试件的抗拉强度出现了拐点，表明此时抗拉强度出现最大值。
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钢纤维喷射混凝土的性能试验
4.1 现场钢纤维喷射的配合比 为了研究钢纤维掺量为 50kg/m3 时喷射混凝土的力学性能，得出钢纤维喷射混凝土的最优配比如表 8。 表 8 现场钢纤维喷射混凝土配合比 长径比 60
水灰比 0.48
型号 剪切波浪
砂率 65
水(kg) 220.8
水泥(kg) 441.6
石子(kg) 763.9
河砂(kg) 933.7
硅粉(kg) 38.4
4.2 现场喷射试件试验流程 试验试件采用与现场施工同条件的喷射大板，48h 后拆模放入标准养室内进行养护。14d 后根据试验试 件的要求对大板进行切割，然后再放在养护室内进行标准养护至 28d，试件制作完成。
4.3 钢纤维喷射混凝土力学性能 钢纤维喷射混凝土的抗压强度和抗拉强度试验结果如表 9 所示。 表 9 钢纤维喷射混凝土的抗压强度和抗拉强度 50
14d 抗压强度(MPa) 39.2
28d 抗压强度(MPa) 45.9
14d 抗拉强度(MPa) 2.5
28d 抗拉强度(MPa) 3.1
由表 6、表 7 和表 9 对比分析可得，现场喷射钢纤维混凝土试件比室内浇筑钢纤维混凝土试件的抗压强 度降低了 4.5%，劈裂抗拉强度降低了 8.8%，产生上述结果的主要原因为： （1）混凝土配合比是影响试件强度的重要因素之一，现场喷射钢纤维混凝土与室内浇筑钢纤维混凝土 的配合比存在一定的差异。钢纤维喷射混凝上施工过程中基料和钢纤维产生回弹，且钢纤维的回弹量要比 基体材料的回弹量高 2%-3%，且粗骨料的回弹量要比细骨料的回弹量高，钢纤维喷射混凝土中粗骨料的回 弹使钢纤维混凝土的强度降低。 （2）钢纤维喷射混凝土与室内浇筑混凝土的施工工艺不同，为了减少钢纤维的回弹，增加钢纤维喷射 混凝土的平整度，施工过程中掺入了速凝剂，导致钢纤维喷射混凝土中后期强度降低。 （3）进行力学性能试验的试件也存在较大的差别。室内浇筑试件具有较好的平整度，有利于提高试件 的强度，而现场喷射混凝土的试件采用喷射后进行切割，试件平整度不够，在力学性能试验时出现局部应 力集中而过早发生破坏，导致钢纤维喷射混凝土的试验强度偏低。 - 86 http://www.ivypub.org/AE/
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结语 （1）增加钢纤维使钢纤维混凝土的坍落度、粘聚性、和易性降低。 （2）本试验钢纤维掺量小于 40kg/m3 时，钢纤维混凝土的抗压强度几乎没有增加；钢纤维掺量大于
40kg/m3 后，随着钢纤维的增加，抗压强度先增大后减小。 （3）当钢纤维掺量达到 50kg/m3 时，试件的抗压强度和抗拉强度出现最大值。 （4）现场喷射钢纤维混凝土试件比室内浇筑钢纤维混凝土试件的抗压强度降低了 4.5%，劈裂抗拉强度 降低了 8.8%。
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LIU Huiying, SONG Hongwei. Genetic Analysis and Preventing Measures for the Tunnel Water Penetration and Water Leakage [J]. Journal of Chongqing Jiaotong University (Natural Science), 2007, 26(4): 54-64
【作者简介】 1
王雯璐（1983-），女，汉，博士，讲
2
张建锋（1979-），男，汉，博士，讲师，研究方向为地下
师，研究方向为桥涵隧道等地质工程，
水模拟及地球物理，中国科学院地质与地球物理所博士毕
吉林大学建设工程学院博士毕业。
业。Email: zjfldp@gmail.com
Email: wangwenlu1983@163.com
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