混杂纤维对高性能混凝土隧道管片火灾高温后性能影响及改善机理研究

Fire accidents of motor vehicles in tunnels are catastrophic. Currently, shield tunneling technology is widely used in the soft soil. The investigation on the fire resistance and residual behaviours of tunnel segment after high temperature is carried out in some developed countries. The major purpose of this project is to investigate the hybrid effect of steel fiber and plastic fiber on the microstructure characteristics and the macroscopic fracture properties of high performance self-consolidating concrete (HPSCC), and the deformability, the cracking behaviour, the explosive spalling and the residual load bearing capacity of HPSCC tunnel segment after exposure to fire. A mechanism was proposed for enhancement of explosive spalling behaviour of hybrid fiber reinforced HPSCC. Simultaneously, the hybrid effect of different fibers, fiber and steel rebar, on the residual load bearing capacity and crack extension patterns exposed to high temperature was analyzed. In comparison with the conventional RC tunnel segment, a safe, reliable and cost efficient composite material as well as composite structure should be found by means of the new developed testing method in Germany.

机动车辆在隧道内发生事故而引起的火灾是灾难性的。目前，盾构施工法愈来愈多地应用在许多软土地层的各类隧道建设中，不少发达国家都在致力于隧道管片的防火研究。本项目拟结合国际上的最新发展趋势，研究不同纤维及混杂纤维（高性能钢纤维+合成纤维）对高性能自密实混凝土火灾高温下微观结构特征与宏观断裂性能的影响，以及对钢筋-高性能自密实混凝土管片在火灾高温作用下的变形、裂缝扩展、抵抗爆裂及崩落、残余承载能力及整体性能的影响。探究混杂纤维改善高性能自密实混凝土爆裂性能的作用机理，分析不同纤维、纤维与钢筋对高性能自密实混凝土管片火灾高温后剩余承载力及裂缝扩展形态影响的混杂效应。利用先进的试验技术对比传统的钢筋混凝土管片，为隧道管片等地下结构寻找更加安全、可靠与经济的结构材料。

高性能混凝土结构在火灾高温下极易发生爆裂，导致承载力急剧下降，聚丙烯纤维可有效抵抗混凝土的高温爆裂，钢纤维可显著提高混凝土结构火灾高温后的剩余承载力。本项目围绕不同纤维高性能混凝土的抗爆裂机理及简支梁/对称倾角梁的抗弯、抗剪性能试验。配置出同时满足强度和工作性要求的纤维高性能自密实混凝土，确定了钢纤维掺量上限为50 kg/m3；详细分析了高性能混凝土不同目标温度下试件颜色、质量损失率、力学试验破坏形态，并结合不同纤维高性能混凝土扫描电子显微镜(SEM)试验和压汞试验(MIP)，对不同高温作用后纤维高性能混凝土的微观结构形貌和孔结构变化进行系统分析；基于灰关联理论建立了不同纤维高性能混凝土微观结构损伤与高温后宏观力学性能退化的关系，揭示了不同纤维对高性能混凝土高温爆裂以及强度劣化的影响机理；系统地分析了混杂纤维对高性能混凝土对称倾角梁/管片火灾高温后的抗弯、抗剪性能的影响，进行纤维高性能混凝土对称倾角梁和简支梁未受高温和高温1000℃后抗剪性能变化的试验研究，分析了纤维掺量、配箍率、剪跨比对试验梁的裂缝形态与破坏模式、荷载-跨中位移曲线、荷载-纵筋应变曲线、荷载-混凝土压应变曲线等的影响，并对比两者差异。聚丙烯纤维的掺入可有效防止高性能混凝土对称倾角梁/管片在1000℃高温作用下发生明显爆裂，钢纤维的掺入可有效提高对称倾角梁/管片火灾高温后的剩余承载力和抵抗变形与裂缝扩展的能力。结合高性能混凝土梁高温前后破坏形态及抗剪承载力，提出提升结构抗剪性能的最优钢纤维掺量为40kg/m3，而用于结构抗火设计的最优纤维掺量组合为混杂纤维组，钢纤维掺量为40kg/m3，聚丙烯纤维掺量为1kg/m3。