¿Análisis de viabilidad de segmentos de protección de hormigón con fibra de acero?
En el siglo XXI, mi país está llevando a cabo construcciones de metro a gran escala en grandes ciudades como Beijing, Shanghai, Guangzhou y Nanjing, y una parte considerable de las secciones estándar se construyen utilizando el método del escudo. . Dado que la tecnología de construcción de túneles de protección puede minimizar el impacto en otras instalaciones urbanas, gradualmente se ha convertido en una tecnología principal en la construcción de túneles de metro.
Los segmentos de protección actuales son principalmente segmentos de hormigón armado. En la práctica, se ha descubierto que los segmentos de hormigón armado en forma de A, generalmente de 1,2 m de ancho, pesan alrededor de 4 toneladas y son propensos a agrietarse durante el transporte y la instalación. y las grietas, daños y grietas en los segmentos tienen un impacto adverso en la seguridad y durabilidad del túnel. Este es un problema espinoso en la construcción de túneles de protección, pero debe resolverse. Las investigaciones y los experimentos han descubierto que el hormigón mezclado con fibras de acero tiene buenas propiedades mecánicas y puede resolver mejor los problemas anteriores. Ha habido ejemplos de uso de segmentos de protección de hormigón con fibras de acero en el extranjero. Sin embargo, el alto precio de los materiales de fibra de acero es el principal factor que restringe su aplicación. Este artículo analiza brevemente su viabilidad.
1 Propiedades mecánicas del hormigón con fibras de acero
El hormigón reforzado con fibras de acero (SFRC) es un material de construcción compuesto multidireccional. En comparación con el hormigón ordinario, el hormigón con fibras de acero tiene las principales ventajas. son:
① Alta resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y resistencia al corte;
② Alta resistencia a la tracción;
③ Resistencia a la tracción, resistencia a la flexión y resistencia al corte. resistencia a la flexión y resistencia al corte;
④Alta resistencia a la tracción;
⑤Alta resistencia a la tracción.
②Buena tenacidad y resistencia al impacto;
③Tiene una fuerte restricción en la expansión de las grietas y la deformación puede ser grande;
④Excelente resistencia al desgaste y buena resistencia al hielo y al deshielo. y resistencia al calor;
⑤ Pocas grietas en las esquinas y menos propensas a sufrir grietas.
2 Ventajas del escudo de hormigón con fibra de acero
2.1 Mejora de la capacidad de carga
(1) El agrietamiento del hormigón en la zona de tensión de los componentes de hormigón armado pierde su función y grietas El hormigón de fibra de acero final también puede soportar parte de la fuerza de tracción;
(2) Por lo general, el diseño estructural sigue el principio de diseño del método del estado límite de capacidad de carga y se verifica de acuerdo con el método del estado límite de uso normal. Para la verificación se utiliza el método del estado límite. La fórmula de comprobación [1] para el ancho máximo de fisura de una estructura de hormigón con fibra de acero es:
Número de serie:
wfmax---hormigón con fibra de acero calculado según la carga combinada estándar y considerando los efectos a largo plazo El ancho máximo de fisura de las barras de acero componentes;
wmax---el ancho máximo de fisura de componentes del mismo grado de hormigón armado de acuerdo con las especificaciones actuales de diseño de la estructura de hormigón;
βcw---fibra de acero al componente El coeficiente de influencia del ancho de la fisura, para la estructura de compresión excéntrica, βcw=0,35;
λf----, el parámetro característico de la fibra de acero, y la relación de aspecto (L/D) y el volumen de la tasa de fibra de acero (ρf). Para segmentos de escudo, ρf es generalmente 0,4%~0,6%.
Por lo tanto, bajo las mismas condiciones de fuerza interna, el contenido de acero requerido para el cálculo se reducirá significativamente (como se puede observar en la Tabla 1, es decir, bajo las mismas condiciones de refuerzo, la fibra de acero). estructura de hormigón La capacidad de carga mejorará significativamente.
2.2 Seguridad y durabilidad
Para las estructuras subterráneas, la carbonización de la estructura y la corrosión por medios agresivos son factores importantes que afectan su durabilidad. Además, existen impurezas en los túneles del metro. de las corrientes parásitas también es un factor importante.
La corrosión de la corriente parásita se produce principalmente a través de una reacción electroquímica, que produce silicato alcalino soluble o sal de aluminio en la interfaz entre las barras de acero y el hormigón, lo que reduce significativamente la fuerza de unión. Cuando la corriente fluye desde las barras de acero de regreso al sitio de concreto, el ánodo corroe las barras de acero. La acumulación de productos de corrosión en el ánodo puede producir fuerzas de expansión mecánica que pueden agrietar el hormigón. Este es el mismo mecanismo que hace que el hormigón se agriete debido a la fuerza de expansión provocada por la corrosión de las barras de acero en el entorno natural.
Por lo tanto, la corrosión de las barras de acero en el hormigón es el factor más importante que causa el daño a la durabilidad de las estructuras de hormigón.
La investigación experimental encontró [2] que la edad de carbonización rápida es de 28 días (en condiciones atmosféricas normales, la edad de almacenamiento natural de la profundidad de carbonización natural del concreto es de 50 años, lo que equivale a los 28 días de el método de carbonatación rápida en la profundidad de carbonatación estándar nacional), la profundidad de carbonatación del hormigón con fibra es menor que la profundidad de carbonatación del hormigón simple, aproximadamente un 50% menor, el contenido de fibra de acero es de 30 kg/m3, la expansión del óxido y la profundidad de agrietamiento del acero; hormigón de fibra, la profundidad de carbonización del hormigón de fibra de acero, la profundidad de carbonización del hormigón de fibra de acero, acero Profundidad de carbonatación del hormigón de fibra. El tiempo de expansión del óxido y de agrietamiento del hormigón con fibra de acero es aproximadamente 1,5 veces mayor que el del hormigón simple. Cuando el espesor de la capa protectora y el diámetro de las barras de acero permanecen sin cambios, cuando la dosis de fibra de acero alcanza los 60 kg/m3, el tiempo de agrietamiento. la capa protectora es 1,7 veces mayor que la dosis 0, por lo que las fibras pueden prolongar la vida útil del hormigón armado.
2.3 Costo de los segmentos de hormigón con fibra de acero
2.3.1 Costo de inversión inicial
Tomando una determinada sección del segmento del escudo del metro de Beijing como ejemplo para una breve análisis, se supone que las condiciones de refuerzo son las mismas en toda la sección del segmento anular. El diseño original del segmento de hormigón armado tipo A tiene un radio interior Ri de 2,7 m, un espesor de 300 mm y un ancho de 1,2 m. Las secciones superior e inferior están equipadas con barras de acero Φ18 y la tasa de refuerzo ρ es. 1,13%. Hay dos opciones para el diseño de segmentos de tubos de hormigón con fibra de acero: una es que el espesor de los segmentos sea constante, el refuerzo de la sección transversal sea de 8 barras de acero roscadas Φ14, la dosis de fibra de acero sea de 30 kg/m3, la otra es que el Las secciones superior e inferior están equipadas con 8 piezas cada una de barra de acero roscada de Φ12, la dosis de fibra de acero es de 40 kg/m3, las tres opciones anteriores se registran como ①, ②, ③, la relación de precio unitario del material real es concreto (m3): acero (t): fibra de acero (t): acero (t). Fibra de acero(t)=1:8:20. Dado que la cantidad de tierra y piedra no es muy diferente, no se considerará. El precio unitario del hormigón es de 350 yuanes/m3. Aquí solo se incluye el costo del material y se supone que los demás costos no cambian. La estimación de inversión preliminar (por anillo) se muestra en la Tabla 1.
Como se puede ver en la tabla anterior, el aumento total de la inversión cuando se utiliza el segmento de hormigón con fibra de acero no es obvio en comparación con el segmento de hormigón armado, la inversión adicional requerida para los planes ② y ③ es, respectivamente, la inversión. del proyecto original del segmento de hormigón armado 7,2% y 9,2%. En comparación con la inversión en el proyecto original del segmento de hormigón armado, la inversión adicional requerida para las opciones ② y ③ es, respectivamente, el 7,2% y el 9,2% de la inversión en el proyecto original del segmento de hormigón armado.
2.3.2 Coste del ciclo de vida
Aunque el coste de inversión inicial del hormigón con fibras de acero aumenta, después de añadir fibra de acero, debido al aumento de la resistencia al impacto y a la tracción del hormigón. , daño del segmento A su vez, la cantidad de fugas se reducirá considerablemente, lo que reducirá el costo de impermeabilización y taponamiento y los costos de mantenimiento a largo plazo. Al mismo tiempo, la durabilidad del hormigón con fibra de acero también es mejor que la del hormigón armado; permitiendo que el proyecto se implemente de manera oportuna. Al mismo tiempo, la durabilidad del hormigón con fibra de acero también es mejor que la del hormigón armado, lo que prolonga la vida útil del proyecto. Teniendo en cuenta la seguridad estructural de los túneles del metro, los costos de operación y mantenimiento y el costo del ciclo de vida de los equipos de soporte, es económicamente viable utilizar segmentos de hormigón con fibra de acero.
2.3.3 Previsión del precio de la fibra de acero
El principal factor que restringe la aplicación de la fibra de acero es el precio de la fibra de acero. Dado que la fibra de acero es actualmente cara, solo se utiliza en algunos proyectos clave o partes clave de proyectos en nuestro país. Por lo tanto, la demanda de fibra de acero no es grande y los fabricantes de fibra de acero existentes pueden satisfacer la demanda. Sin embargo, la tendencia general es la aplicación generalizada de fibras de acero en China. Si existe una competencia obvia entre las fibras de acero nacionales, el precio de las fibras de acero de alta calidad inevitablemente caerá.
Se informa que el precio actual de la fibra de acero de calidad relativamente alta en China es de 7.000 a 8.000 yuanes/tonelada, y la cotización de la fibra de acero Beka es de 14.000 a 15.000 yuanes/tonelada. de fibra de acero Beka en el extranjero es aproximadamente igual a 6.000-7.000 RMB/tonelada, por lo que existe una gran elasticidad de precios. Si se puede reducir el precio de la fibra de acero, las ventajas de los segmentos de textura de hormigón con fibra de acero serán más obvias.
3 Conclusión
En resumen, los segmentos de hormigón con fibra de acero, como un nuevo tipo de segmento de escudo, tienen un rendimiento superior que los segmentos de hormigón armado ordinarios del metro considerando la seguridad estructural del. costos de túnel, operación y mantenimiento y el costo del ciclo de vida de las instalaciones auxiliares, es factible utilizar segmentos de hormigón con fibra de acero. Por otro lado, cuando el departamento de construcción considera la aplicación de hormigón con fibra de acero, no solo debe considerar la inversión única, sino que debe considerar los beneficios económicos integrales logrados al ahorrar costos indirectos, el excelente rendimiento del hormigón con fibra de acero, la reducción Costes de mantenimiento y prolongación de la vida útil. Su valor potencial no puede subestimarse.
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