纖維素纖維混凝土在隧道工程中的應(yīng)用

汪 濤

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西晉中 030600)

纖維素纖維混凝土是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型工程材料。該種混凝土能夠有效的阻止混凝土裂縫的發(fā)生，賦予混凝土更好的耐久性，有效提高混凝土的力學(xué)性能。將纖維素混凝土應(yīng)用于公路隧道工程，可以有效解決隧道襯砌中的非結(jié)構(gòu)性裂縫甚至開(kāi)裂掉塊問(wèn)題，降低工程成本，保證公路安全運(yùn)行。

1 纖維素纖維混凝土及其在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀

纖維素纖維是由美國(guó)BUCKEYE公司率先研發(fā)成功的，被稱為第三代混凝土專用纖維，是繼化學(xué)合成纖維之后發(fā)展起來(lái)的一種新型混凝土專用纖維。該纖維是采用一種高寒地區(qū)特殊植物物種為原料，經(jīng)一系列獨(dú)特的化學(xué)處理和機(jī)械加工而成的。將其加入混凝土中后，在水的浸泡和外力作用下，形成大量均勻分布的細(xì)小纖維，能明顯提高混凝土的力學(xué)性能，可有效阻止混凝土塑性收縮，干縮和溫度變化而引起裂縫的發(fā)生(見(jiàn)圖1)。

纖維混凝土具有較高的抗拉與抗彎極限強(qiáng)度，尤其韌性提高的幅度大，抗拉極限強(qiáng)度比普通混凝土提高30%～50%。纖維素纖維在混凝土中的主要作用，是在外力作用下限制水泥基料中裂縫的擴(kuò)展。在受荷初期，水泥基料與纖維共同承受外力，直至基料出現(xiàn)裂縫后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者，直到纖維被拉斷或被從基料中拔出，一直到其結(jié)構(gòu)破壞。

在以前的隧道工程中，其二次襯砌一般使用素混凝土結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)間的推移，隧道襯砌不斷出現(xiàn)非結(jié)構(gòu)性裂縫并不斷擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了公路的安全運(yùn)行。在我國(guó)，一般采用復(fù)合式襯砌來(lái)解決非結(jié)構(gòu)性裂縫問(wèn)題。2005年，上海羅洋新材料科技有限公司引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的纖維混凝土技術(shù)，在國(guó)內(nèi)第一個(gè)提出了纖維素纖維混凝土的概念，并成功應(yīng)用于混凝土中來(lái)提高其耐久性(見(jiàn)圖2)。

在我國(guó)，纖維素纖維混凝土得到了高度重視，以期利用其良好的抗裂性能，解決我國(guó)目前公路隧道中的非結(jié)構(gòu)性裂縫問(wèn)題。

2 纖維素纖維混凝土的性能研究

兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(A和B)材料配比見(jiàn)表1。

1)工作性能對(duì)比表見(jiàn)表2。

由表1可以看出，在基準(zhǔn)混凝土中加入纖維素纖維，坍落度控制在±15mm以內(nèi)，對(duì)混凝土的工作性能無(wú)明顯不利影響，同時(shí)，由于纖維素纖維的橋接作用提高了混凝土的粘結(jié)性，擴(kuò)展度降低，減少了混凝土的離析泌水現(xiàn)象。

圖1 TB-UF500纖維素纖維

圖2 武廣天鵝嶺隧道二次襯砌工程現(xiàn)場(chǎng)

表1 不同纖維素纖維混凝土材料配比 kg/m3

表2 工作性能對(duì)比表

結(jié)論:纖維素纖維混凝土的離析率遠(yuǎn)低于基準(zhǔn)混凝土，可有效阻止混凝土非結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生。

原因:纖維素纖維在混凝土中呈立體分布，可有效的降低微裂尖端的應(yīng)力集中，可使混凝土或砂漿因干縮引起的拉應(yīng)力消弱或消除，阻止微裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展。

2)力學(xué)性能對(duì)比表見(jiàn)表3。

表3 力學(xué)性能對(duì)比表 MPa

由表3可以看出，在混凝土中加入纖維素纖維，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，與基準(zhǔn)混凝土力學(xué)性能一致。

原因:纖維素纖維長(zhǎng)度為2mm～3mm，直徑為15μm～20μm，長(zhǎng)度與直徑較小，在混凝土中加入纖維素纖維，對(duì)混凝土工作性幾乎沒(méi)有影響，并從總體上提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

3)耐久性分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 基準(zhǔn)、纖維素纖維土、PP及PAN混凝土裂縫寬度對(duì)比圖

從圖3可以看出，纖維素纖維具有良好的耐久性及耐凍融性能，纖維素纖維能夠大幅度提高混凝土抗裂性能，抗裂性改善作用優(yōu)于其他混凝土，原因:

a．纖維素纖維具有獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積，可以吸收部分水分，進(jìn)一步促進(jìn)水泥顆粒的水化，使混凝土孔隙率大大降低，大幅度提高混凝土密實(shí)度，且抗氯離子、抗硫酸鹽、抗碳化等混凝土耐久性顯著增強(qiáng);

b．延緩水化熱峰值的產(chǎn)生，減少了水分的蒸發(fā)量，從而大幅度降低了混凝土早期由于溫度梯度和收縮而產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn);

c．纖維的親水性促使部分水泥水化物沿著纖維“生長(zhǎng)”，大大增強(qiáng)了混凝土與纖維之間的握裹力(見(jiàn)圖4，圖5)。

圖4 纖維素纖維表面粘結(jié)大量水泥漿體

圖5 聚丙烯纖維表面無(wú)水泥漿體顆粒粘結(jié)

從圖6可以看出，纖維素纖維可以提高抗凍融性能。

圖6 基準(zhǔn)、纖維素纖維、PP及PAN混凝土凍融耐久性對(duì)比圖

由于纖維素纖維具有良好的滲水性能，同時(shí)，纖維素纖維對(duì)混凝土有阻裂作用，纖維素纖維混凝土可以有效的減少多次凍融循環(huán)而引起的混凝土內(nèi)的抗拉應(yīng)力集中，阻止了微裂縫的擴(kuò)展。

4)纖維素纖維混凝土的其他性能。

a．良好的耐高溫性能。在纖維素纖維混凝土中，纖維單絲呈現(xiàn)三維亂向分布，形成立體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)在火焰炙烤的混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度上升到165℃以上時(shí)，纖維熔化，形成內(nèi)部連通的孔道可以使強(qiáng)高壓蒸氣從混凝土內(nèi)部逃逸，可有效的避免火災(zāi)環(huán)境下的爆裂。b．優(yōu)越的環(huán)保性能。纖維素纖維是從特殊植物中提取出來(lái)的，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，屬于綠色環(huán)保材料。其他混凝土材料(如聚丙烯纖維)是石油類產(chǎn)品，受石油供需的影響較大。

3 纖維素纖維混凝土在公路隧道中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

公路是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)脈，在經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸中占有最重要的地位。隧道安全嚴(yán)重影響和制約著公路的安全運(yùn)營(yíng)，隧道的非結(jié)構(gòu)性裂縫是可以通過(guò)材料創(chuàng)新來(lái)解決的。纖維素纖維由于其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于隧道二次襯砌工程具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。1)纖維素纖維混凝土總體上提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，有利于提高二次襯砌的承載能力。2)纖維素纖維對(duì)混凝土的耐久性有明顯改善:有利于消弱或消除因干縮引起的拉應(yīng)力，有效阻止微裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展;使水泥水化更加完全，顯著降低混凝土的空隙，使混凝土更密實(shí)，從而提高了混凝土的抗凍融性，抗水滲透性，抗氯離子滲透性。3)混凝土構(gòu)件受沖擊荷載作用時(shí)，由于纖維素纖維的阻裂性能，纖維可以阻止內(nèi)部裂縫的迅速擴(kuò)展，能有效的增強(qiáng)混凝土的抗沖擊性和韌性。

4 結(jié)語(yǔ)

將纖維素纖維混凝土應(yīng)用于隧道工程二次襯砌施工，具有節(jié)省了工程造價(jià)，縮短了施工周期的優(yōu)勢(shì);可以有效的抑制隧道的非結(jié)構(gòu)性裂縫，顯著提高隧道工程的抗裂性能，抗沖擊能力及抗疲勞等性能;還有效克服了傳統(tǒng)合成纖維在混凝土表面形成微細(xì)裂紋問(wèn)題，襯砌外觀良好?？梢哉f(shuō)，纖維素纖維混凝土應(yīng)用于隧道工程，具有傳統(tǒng)混凝土無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)性，具有廣闊的市場(chǎng)及發(fā)展前景。

［1］曹擎宇，孫 偉，趙 勇，等．纖維素纖維混凝土性能及在二次襯砌中的應(yīng)用［J］．鐵道學(xué)報(bào)，2012(34):7．

［2］王永利，徐淑萍，崔世忠．幾種再生纖維素纖維物理機(jī)械性能的比較［J］．紡織導(dǎo)報(bào)，2012(4):51-52．

［3］百度百科——纖維素纖維，http://baike．baidu．com/view/270962．htm．