喷射混杂纤维混凝土对隧道衬砌结构的抗渗、阻裂机理研究

衬砌结构是隧道的重要支护体系，衬砌渗漏是隧道建设的主要病害之一，不仅降低其耐久性，还会降低隧道内各种设施的功能,进而影响隧道的正常交通运营。本项目从提高衬砌结构抗渗性能出发，提出以喷射成型方式将混杂纤维混凝土作为衬砌结构的主体材料，采用正交试验方法设计包括纤维种类、混杂比、水灰比等不同因素的混凝土配合比，以喷射方式制作试件，进行一系列的早期收缩抗裂试验、弯曲韧度试验、抗渗性能试验，分别观测早期裂缝和加载后裂缝的开展过程，以及对应的抗渗指标；运用有限元方法，建立温度、渗流、应力和化学腐蚀等四场耦合混杂纤维混凝土数值模型，从微观层面上进行数值计算分析；结合试验和数值计算结果，详细探讨混杂纤维对混凝土的抗渗、阻裂机理，分析纤维含量和种类与混凝土抗裂性能指标的对应关系；提出钢纤维、聚丙烯纤维单掺或混杂掺量的设计计算方法, 通过调整措施的量化来评估纤维混凝土抗渗防水性能，以指导其应用于工程实际。

本项目围绕提高混凝土抗裂性能这一目标，提出以喷射成型方式将混杂纤维混凝土作为衬砌结构的主体材料，采用正交试验方法设计包括纤维种类、混杂比等不同因素的混凝土配合比并制作试件，进行一系列的抗压强度试验、弯曲韧性试验、早期收缩抗裂试验、抗渗性能试验；运用有限元方法，建立随机分布的混杂纤维混凝土数值模型，从细观层面上进行数值计算分析；详细探讨混杂纤维对混凝土的抗渗、阻裂机理，分析纤维含量和种类与混凝土抗裂性能指标的对应关系。推荐了一种搅拌工艺，使混杂纤维在混凝土基体中达到分散均匀。与素混凝土相比，混杂纤维混凝土坍落度有不同程度的下降。加入低掺量（钢纤维不超过1%，聚丙烯不超过0.3%）的混杂纤维后，混凝土的抗压强度略有提高，但不明显。当钢纤维掺量为0.5%～1.5%，聚丙烯纤维掺量为0.1%～0.3%时，随着混凝土基体中混杂纤维掺量的增加，混凝土弯曲韧性指数与残余强度均有显著提高，以增韧为目的推荐使用钢纤维1%聚丙烯纤维0.1%的体积掺量。纤维的加入使砂浆早龄期约束收缩裂缝变得“短”、“细”、“少”，体现了纤维抑制、细化裂缝的能力，为提高混凝土抗裂性能推荐采用钢纤维0.5%、聚丙烯纤维0.1%的体积掺量。随着聚丙烯纤维和纲纤维掺量的增加，混杂纤维混凝土的抗渗性能逐渐提高，但较素混凝土提高等级不显著，以提高混凝土基体抗渗性能为目的，推荐体积掺量为0.5%钢纤维与0.3%聚丙烯纤维混杂混凝土抗性性能为佳。