碳纖維廢絲混凝土在川藏鐵路應(yīng)用及展望

聶紅賓　譚平

基金項(xiàng)目：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研課題（2014-44）。

渭南作為一個(gè)農(nóng)業(yè)城市，在臨渭區(qū)、大荔、富平，合陽等陽光充足、溫度適宜的黃河流域地區(qū)種植棉花[1]，紡織工業(yè)曾經(jīng)一度發(fā)達(dá)[2]，產(chǎn)生了大量的工業(yè)廢水及織物纖維廢絲，由于紡織技術(shù)落后，廢物處理不當(dāng)，對環(huán)境危害較大[3]，越來越多的紡織企業(yè)面臨倒閉或者轉(zhuǎn)為紡紗企業(yè)，最終淪為南方服裝絲織品經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份的原料供應(yīng)商，為南方服裝企業(yè)提供價(jià)格低廉的棉絨原料（這種棉絨原料生產(chǎn)也會產(chǎn)生纖維，但一般小作坊較隱蔽，污染很難查處），直接制約著我市棉花產(chǎn)業(yè)及紡織企業(yè)的壯大發(fā)展。而南方企業(yè)將棉絨服裝織物再以高價(jià)傾售到西安、渭南等我省主要城市，以獲得高額利潤，這種利潤模式對直接制約著我市、乃至我省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)廢棄的衣物纖維對環(huán)境造成了二次污染。[4]

本著振興我市棉花產(chǎn)業(yè)鏈、變廢為寶，依托中煤科工集團(tuán)西安煤炭研究院、西安科技大學(xué)的科研優(yōu)勢及全國纖維合成中心（浙江富陽特種材料研究所）產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，將棉花及紡織工業(yè)廢料、廢棄衣物廢料加塑脂固化，形成再生化纖纖維，再經(jīng)過提煉得到混雜碳纖維廢絲，將碳纖維廢絲加入到混凝土最終得到碳纖維廢絲增強(qiáng)混凝土（waste carbon fiber reinforced concrete，簡稱：W-CFRC）。這種纖維與傳統(tǒng)碳纖維相比，纖維長短不一、離散度大、長徑比復(fù)雜，具有強(qiáng)度高、抗裂性強(qiáng)、抗凍抗?jié)B耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，且受力各向異性小。[5]與鋼纖維、聚丙烯、玄武等纖維從力學(xué)性能、耐久性等方面相比較，高應(yīng)力潮濕環(huán)境下鋼纖維在混凝土中易生銹，耐久性差，嚴(yán)重影響混凝土受力性能[6-7];聚丙烯易老化[8]，玄武纖維硬而脆。因此，碳纖維廢絲應(yīng)用于隧道初期支護(hù)中噴射混凝土用于抵抗極低溫、鹽類腐蝕成為可能。

川藏鐵路作為我國《十三五規(guī)劃》重點(diǎn)項(xiàng)目的重要組成部分，李克強(qiáng)總理在考察時(shí)強(qiáng)調(diào)：川藏鐵路對西藏的發(fā)展建設(shè)和生態(tài)保護(hù)意義重大，不僅是西藏人民的期盼，也是全國人民的心愿。川藏鐵路對于提高西藏綜合交通運(yùn)輸能力，推動西藏經(jīng)濟(jì)社會跨越式發(fā)展，增強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)，逐步完善進(jìn)出西藏鐵路通道，改善區(qū)域鐵路路網(wǎng)布局，加快西藏改革開放步伐，加快西藏經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高沿線各族人民生活水平意義重大。[9]

川藏鐵路線路從成都經(jīng)雅安、林芝、山南到拉薩，依次穿越二郎山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、色季拉山等8座高山，經(jīng)過大渡河、金沙江、瀾滄江、怒江、易貢藏布江、雅魯藏布江等7大江河，全線建筑長度1 742.39 km，全線隧道共計(jì)198座，總長1223.451 km，占線路總長的70.2%[10];隧道面臨的工程難題主要有高地應(yīng)力巖爆、高地溫和活動斷裂、極低溫季節(jié)性凍融土層以及以硫酸鹽為主的地下水侵蝕[11]。高地溫、季節(jié)低溫的水-鹽凍融耦合環(huán)境稱為極溫環(huán)境。

將工業(yè)廢料（碳纖維廢絲）摻入川藏鐵路隧道噴射混凝土初期支護(hù)中，形成了一種塑性和韌性好、承載力高、施工方便的一種新型柔性支護(hù)模式-碳纖維廢絲與大流動性的混凝土形成組合結(jié)構(gòu)，用來抵抗川藏鐵路隧道中極溫環(huán)境（極低溫凍融及硫酸鹽凍耦合）作用對隧道進(jìn)出口初期支護(hù)帶來的影響。利用試驗(yàn)、理論計(jì)算及有限元模擬的方法，研究川藏鐵路中碳纖維廢絲噴射混凝土初期支護(hù)在-18℃至-40℃的凍融環(huán)境下地下水、硫酸鹽凍耦合侵蝕環(huán)境下碳纖維廢絲混凝土最佳理論摻量，確保隧道結(jié)構(gòu)安全。

對于川藏鐵路這種世界級工程而言，將碳纖維廢絲應(yīng)用于隧道出入口噴射混凝土中抵抗凍融產(chǎn)生的拉力，主要存在以下問題：

川藏鐵路隧道占比70.2%，工程量巨大;極低溫季節(jié)性凍融土層厚1.7米，隧道內(nèi)圍巖地溫高達(dá)87℃，隧道進(jìn)出口位置形成巨大的溫度差（這種溫度稱為川藏極溫環(huán)境），嚴(yán)重?fù)p傷隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，同時(shí)活動地裂縫多，地下水豐富，部分有侵蝕，主要以硫酸鹽為主，工程難度大。

川藏線處于極低溫季節(jié)性凍融土層，外界溫度平均可達(dá)到-40℃，地溫最高可達(dá)87℃，噴射混凝土處于內(nèi)高外低的極溫環(huán)境中。目前，研究混凝土凍融最低溫度是依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008規(guī)定，規(guī)范要求-18℃±2℃，因此，對-40℃超低溫下混凝土早期強(qiáng)度研究較少。

我省作為棉花、絲麻大省，紡織企業(yè)現(xiàn)在僅僅能為南方服裝提供棉紗原料，而我省又作為南方棉絨服裝傾銷市場，同時(shí)棉絨纖維、廢舊衣物化纖都嚴(yán)重污染環(huán)境，將廢料制作的纖維應(yīng)用到噴射混凝土，力學(xué)性能有待研究。

以硫酸鹽為凍融液的混凝土凍融損傷有一定的研究，但是對于損傷強(qiáng)度模型研究較少、溫度限制有限，不適用川藏鐵路工程應(yīng)用。

傳統(tǒng)的碳纖維混凝土作為隧道噴射混凝土一種材料，噴射時(shí)易結(jié)團(tuán)，施工時(shí)會造成堵管，施工不便。

參考文獻(xiàn)

[1]張永紅.氣候變化對陜西省棉花生產(chǎn)的影響[ D].南京氣象學(xué)院，2003.

[2]劉鵬. 延續(xù)與革新：民國時(shí)期關(guān)中手工棉紡織業(yè)研究[D].陜西師范大學(xué)，2017.

[3]張辰，荊慧娟等.不同栽培措施對棉花產(chǎn)量及纖維品質(zhì)的影響[ J].中國棉花，2019，46（06）：23-27