隧道襯砌纖維混凝土力學(xué)性能與耐久性能的研究進(jìn)展

同月蘋，王 艷，2，張少輝

(1.西安建筑科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710055； 3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

1 前 言

近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)交通建設(shè)的規(guī)模和數(shù)量大幅增長(zhǎng)，隧道可以克服地形障礙，縮短行駛距離，改善陸路交通，已然成為交通建設(shè)中不可或缺的重要組成部分，到“十三五”期末的2020年，我國(guó)計(jì)劃修建5000條隧道，長(zhǎng)度超過(guò)9000公里[1]。秦嶺終南山隧道、港珠澳海底隧道、珠海拱北隧道等重要工程的順利通車，標(biāo)志著我國(guó)隧道技術(shù)日趨成熟[2]。但是由于地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等因素作用，大多數(shù)隧道運(yùn)營(yíng)后普遍存在隧道結(jié)構(gòu)裂損、襯砌滲漏水現(xiàn)象。Chia-Han Lee等[3]對(duì)中國(guó)、日本、德國(guó)及其它國(guó)家的266條隧道的襯砌病害進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)存在裂縫的隧道高達(dá)82%，滲漏水的隧道占比44%。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)現(xiàn)有的約5000余座隧道中，占總數(shù)三分之二的隧道出現(xiàn)過(guò)滲漏水、襯砌損害等現(xiàn)象，這些問(wèn)題不僅加劇襯砌開裂，還會(huì)降低結(jié)構(gòu)可靠性、影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)，因此隧道建設(shè)中阻裂和抗?jié)B工作尤為重要。

針對(duì)隧道襯砌混凝土滲漏水、開裂等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)隧道的防裂方法開展了各種探索研究，結(jié)果證明在混凝土中摻入各類纖維是一種行之有效的方法?；炷林袚郊永w維，其抗拉強(qiáng)度與抗裂性能均可得到增強(qiáng)，例如綿茂公路籃家?guī)r隧道、昆石公路小團(tuán)山隧道、西康鐵路高碥溝隧道均采用纖維混凝土襯砌支護(hù)，取得了良好的工程應(yīng)用效果。目前金屬纖維混凝土、合成纖維混凝土、天然纖維混凝土及各類混雜纖維混凝土在隧道結(jié)構(gòu)中均有應(yīng)用。金屬纖維中應(yīng)用最多的是鋼纖維(steel fiber, SF)，合成纖維中聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PPF)、玻璃纖維(glass fiber, GF)、聚乙烯醇纖維(polyvinyl alcohol fiber, PVA纖維)、玄武巖纖維(basalt fiber, BF)應(yīng)用較多(見圖1)，天然纖維在隧道工程中使用較多的是纖維素纖維。對(duì)于纖維增強(qiáng)混凝土目前的研究重點(diǎn)主要包括力學(xué)性能如抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和彎曲韌性，以及抗?jié)B性、抗碳化性等耐久性能，這些研究為纖維混凝土在隧道工程中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

圖1 不同種類纖維(a：鋼纖維 b：聚丙烯纖維 c：玻璃纖維 d：聚乙烯醇纖維 e：玄武巖纖維)Fig. 1 Different kinds of fibers (a: steel fiber; b: polypropylene fiber; c: glass fiber; d: polyvinyl alcohol fiber; e: basalt fiber)

2 隧道襯砌纖維混凝土的地力學(xué)性能研究

改善混凝土抗裂防滲的常用途徑有兩種，一是摻加礦物摻合料，通過(guò)提高混凝土的密實(shí)度，改善其抗裂防滲性能；二是通過(guò)纖維改性，大幅提高混凝土抗拉強(qiáng)度，以減少開裂達(dá)到防滲效果。近年來(lái)，大量實(shí)際工程證明采用纖維混凝土作為隧道襯砌阻裂效果顯著。

2.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是隧道襯砌結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣的纖維混凝土，其力學(xué)性能是研究者重點(diǎn)關(guān)注的議題，主要包括強(qiáng)度與韌性，見表1。文獻(xiàn)[4]研究表明，鋼纖維摻入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度不明顯，最多僅提高1.7%，但劈裂抗拉強(qiáng)度可提高96.5%，表明鋼纖維可顯著改善混凝土的抗拉強(qiáng)度，是一種理想的隧道襯砌支護(hù)材料。祝文華[5]以渝宜摩天嶺隧道為依托工程，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了用于隧道單層襯砌鋼纖維混凝土的力學(xué)特性，與普通噴射混凝土相比較，鋼纖維噴射混凝土3 d、7 d抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了17.6%和11.5%，1 d的抗壓強(qiáng)度已達(dá)到了12.30 MPa；尤其是鋼纖維噴射混凝土與Ⅱ級(jí)圍巖的粘結(jié)抗拉強(qiáng)度比普通噴射混凝土提高了48.5%。王建偉[6]依托云山隧道工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果顯示摻入鋼纖維的噴射混凝土抗壓強(qiáng)度得到顯著提高，28d齡期平均可達(dá)41.6 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為4.38 MPa。李振宇[7]的襯砌結(jié)構(gòu)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.5%時(shí)，其混凝土抗壓強(qiáng)度高于其它摻量和不摻鋼纖維的混凝土強(qiáng)度，且28 d齡期時(shí)提高幅度在20%左右。宋艷等[8]對(duì)鋼纖維噴射混凝土進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)體積摻量為0.8%的鋼纖維，混凝土抗壓強(qiáng)度僅增長(zhǎng)11%，但劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提升，可達(dá)70%左右。鋼纖維通過(guò)阻礙混凝土內(nèi)部宏觀裂縫和微裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土的強(qiáng)度。目前對(duì)于鋼纖維能大幅提高隧道混凝土抗拉性能的觀點(diǎn)一致，但對(duì)抗壓強(qiáng)度提高幅度的討論尚不統(tǒng)一，纖維的特征和摻量、混凝土的性能不同均會(huì)引起結(jié)果的差異。

表1 鋼纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of mechanical properties of steel fiber concrete

蘇卿[9]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼纖維體積摻量為0.6%時(shí)，混凝土抗裂性能較優(yōu)，試件的平均初裂強(qiáng)度和最大彎曲荷載提高幅度分別達(dá)到10.1%和18.3%。田波[10]通過(guò)對(duì)香爐山隧道施工探究表明：采用濕噴工藝的鋼纖維混凝土較素混凝土，抗拉強(qiáng)度和韌性均提高50%～80%，28 d收縮率減少近一倍，僅為0.4 mm/m，對(duì)于改善結(jié)構(gòu)的抗裂性能極其有利，施工中回彈率也明顯減少，僅在7%～15%之間。已有的研究結(jié)果顯示，混凝土中摻入鋼纖維對(duì)基體有較好的阻裂作用并能約束裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，抗裂性能顯著增強(qiáng)[11]。

韌性是衡量混凝土受到荷載作用直至產(chǎn)生破壞或失效所吸收能量大小的指標(biāo)，摻加纖維有助于提高混凝土的延性與開裂后的承載能力。梁英花[12]結(jié)合西山隧道實(shí)際情況，對(duì)鋼纖維隧道混凝土的韌性進(jìn)行了測(cè)試，當(dāng)纖維摻量增加至0.9%，韌性增長(zhǎng)幅度較大，達(dá)到了85.6%，經(jīng)觀察西山隧道投入使用至今未出現(xiàn)裂縫。王樂(lè)明[13]對(duì)用于隧道支護(hù)不同體積摻量的鋼纖維混凝土開展了三分梁彎曲韌性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加入體積摻量為0.6%的鋼纖維時(shí)，試件的極限抗彎強(qiáng)度最高，比素混凝土增長(zhǎng)了80.6%。

2.2 合成纖維混凝土

近年來(lái)，合成纖維由于成本的優(yōu)勢(shì)在混凝土中的應(yīng)用發(fā)展迅猛，已有的研究表明它能增強(qiáng)混凝土的韌性和抗沖擊性、減少收縮。杰德爾別克等[19]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚丙烯纖維體積摻量為0.4%時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度提高了15.6%，其對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果優(yōu)于鋼纖維。姚文杰等[20]對(duì)摻加聚丙烯纖維噴射混凝土初期支護(hù)的研究表明，其抗壓強(qiáng)度變化甚微，但很大程度提高了混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，最大提高幅度達(dá)39.52%，當(dāng)聚丙烯纖維體積摻量為0.1%時(shí)，混凝土力學(xué)性能與施工性能優(yōu)異。劉瑞[21]以寶塔山隧道為依托，通過(guò)研究表明聚丙烯纖維不僅滿足隧道噴射混凝土的力學(xué)性能，而且可以提高韌性從而較好地控制裂縫的發(fā)生?，F(xiàn)有的研究結(jié)果表明，與鋼纖維效果相似，聚丙烯纖維不僅在一定程度上提高了混凝土抗壓強(qiáng)度，且能明顯提升抗拉性能，是解決混凝土襯砌開裂行之有效的方法，雖不及鋼纖維對(duì)混凝土在韌性和抗裂性能方面的增強(qiáng)效果，但成本低廉且也能滿足工程要求[22-24]。

除聚丙烯纖維混凝土以外，柴琦龍[25]、孔迎春[26]結(jié)合青島嶗山隧道工程，通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在混凝土中添加玻璃纖維，對(duì)混凝土強(qiáng)度也有增強(qiáng)效果。當(dāng)摻加體積摻量為1%的玻璃纖維，抗拉強(qiáng)度達(dá)最大值；并通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)摻加玻璃纖維后隧道襯砌隔墻中的裂縫明顯減少。段兆臣等[27]還針對(duì)嶗山隧道玻璃纖維混凝土隔墻的開裂狀態(tài)建立模型，提出了玻璃纖維混凝土抗裂計(jì)算方法。

玄武巖纖維是由天然火山玄武巖巖石熔融、拉絲而成的一種綠色環(huán)保型合成纖維，其抗拉強(qiáng)度和韌性優(yōu)異。奐光坤[28]以永祥隧道為背景，向混凝土中摻入玄武巖纖維，研究纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的改善效果，發(fā)現(xiàn)與普通混凝土相比，玄武巖纖維噴射混凝土內(nèi)部更加密實(shí)，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率為17.6%，并提出隧道初期支護(hù)混凝土中纖維較優(yōu)體積摻量為0.4%。崔光耀等[29]對(duì)摻有玄武巖纖維的混凝土襯砌力學(xué)行為開展試驗(yàn)，結(jié)果表明纖維混凝土較不摻纖維的混凝土抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了20.86%、17.39%；此外，玄武巖纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)韌性得到增強(qiáng)，其初裂荷載提高了20%，且襯砌初裂后仍可承擔(dān)較大的變形。還有一些學(xué)者[30]把玄武巖纖維應(yīng)用到干熱環(huán)境隧道的混凝土中，起到了增強(qiáng)和阻裂作用，可見玄武巖纖維可有效減少隧道在干熱環(huán)境下遭受的危害。各學(xué)者對(duì)玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能研究成果的表述較為一致：玄武巖纖維能改善混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，并且在干熱的環(huán)境中應(yīng)用效果優(yōu)良，但是對(duì)此類纖維的增強(qiáng)機(jī)理研究較少，尚不明確。

聚乙烯醇纖維強(qiáng)度較高，彈性模量和斷裂伸長(zhǎng)率較低，特別是與水泥的粘結(jié)性能好，在工程應(yīng)用上優(yōu)于聚酯纖維、聚丙烯纖維等。Amin等[31]研究了聚乙烯醇纖維體積摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，結(jié)果顯示這種纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度影響不大；但當(dāng)體積摻量為0.25%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了32.5%。銀英姿等[32]的研究發(fā)現(xiàn)，聚乙烯醇纖維降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度，并隨纖維摻量的增加抗壓強(qiáng)度下降更顯著；但抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨纖維的摻加而增大，且抗折強(qiáng)度在纖維體積摻量為0.03%時(shí)，增長(zhǎng)了41.9%，纖維摻量為0.05%，劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到32.2%。由此可見，這種纖維使得混凝土抗壓強(qiáng)度無(wú)增強(qiáng)效果甚至降低，但抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯。這可能是由于聚乙烯醇纖維在混凝土內(nèi)部分布不均勻，攪拌過(guò)程中引入氣泡，而抗壓強(qiáng)度與密實(shí)度有關(guān)，從而導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度降低。

不同合成纖維增強(qiáng)混凝土在性能上各有優(yōu)勢(shì)：聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維可明顯提高混凝土抗拉性能，聚丙烯纖維的增強(qiáng)效果更加優(yōu)異，且成本較低，對(duì)它進(jìn)行研究與工程應(yīng)用也最多；同體積摻量下，玄武巖纖維較聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更好，并且在干熱地質(zhì)條件的隧道襯砌應(yīng)用中效果顯著。合成纖維不僅能明顯改善混凝土早期收縮裂縫，并對(duì)混凝土后期強(qiáng)度和受力裂縫也有所改善，加之成本較低，在隧道工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。

2.3 天然纖維混凝土

隨著資源的日益減少和全球污染問(wèn)題的日漸嚴(yán)重，近年來(lái)天然纖維在混凝土中的應(yīng)用越來(lái)越受到重視，目前使用較多的是天然纖維素纖維。例如黃麻纖維、劍麻纖維、椰子纖維分別從植物的韌皮、葉、果實(shí)中提取得到，主要化學(xué)成分是纖維素，因此均屬于纖維素纖維(如圖2所示)。Chakraborty S等[33]發(fā)現(xiàn)，黃麻纖維能使混凝土抗拉強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別增加9%和16%。Bao等[34]得到劍麻纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度有明顯改善，最佳質(zhì)量摻量為3 kg/m3。王雪等[35]認(rèn)為質(zhì)量摻量為2 kg/m3的劍麻纖維能最大程度地增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度，增長(zhǎng)率為9%左右。

圖2 不同天然纖維形貌照片(a: 劍麻纖維 b: 劍麻纖維截面c: 椰子纖維 d: 椰子纖維截面)Fig. 2 Micro-morphology of fibers (a: sisal fibers; b: sisal fiber section; c: Coconut fibers；d: coconut fiber section)

Majid Ali[36]還討論了椰子纖維增強(qiáng)混凝土在各種工程中的適應(yīng)性，認(rèn)為椰子纖維可對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和斷裂韌性有改善作用。Mahyuddin[37]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，椰子纖維摻入后，結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度分別提高了13%和9%。Islam等[38]發(fā)現(xiàn)混凝土中摻入體積摻量為0.5%的椰子纖維后，其彎曲強(qiáng)度提高了60%。Baruah等[39]的研究表明，向混凝土中加入長(zhǎng)度為50 mm、體積摻量為2%的椰子纖維，其抗壓強(qiáng)度提高了13.7%、劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)了22.9%。雖然纖維素纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度提高效果有限，但是原材料來(lái)源廣泛、可再生、對(duì)環(huán)境更加友好以及工程成本更低(相當(dāng)于玻璃纖維價(jià)格的1/5，聚丙烯纖維的1/10)，是纖維混凝土未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向。但是，由于天然纖維易腐蝕的缺點(diǎn)，在應(yīng)用于混凝土之前須用弱酸對(duì)纖維進(jìn)行酸堿中和預(yù)處理[40]，也可使用摻合料代替部分水泥，降低水泥本身帶來(lái)的堿性環(huán)境，從而更有效地提高混凝土性能。

2.4 混雜纖維混凝土

混凝土開裂是一個(gè)裂縫發(fā)生、擴(kuò)展并貫通的多層次過(guò)程，混凝土的多級(jí)開裂可通過(guò)使用不同類型纖維混雜來(lái)阻止。研究人員將不同特性的纖維混雜摻入混凝土中，纖維在不同層次上抑制裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，發(fā)揮出1+1>2的功效。目前研究較多的混雜纖維增強(qiáng)混凝土是將高彈模的金屬纖維與低彈模的合成纖維進(jìn)行混摻，主要包括鋼-聚丙烯纖維、鋼-碳纖維、鋼-玄武巖纖維的復(fù)合混凝土。

梅國(guó)棟[41]研究得出鋼纖維、聚丙烯纖維分別為1%、0.1%的體積摻量時(shí)可明顯提高混凝土的彎曲韌性和抗裂性能。Afroughsabet[42]研究結(jié)果顯示，將體積摻量0.85%的鋼纖維和0.15%聚丙烯纖維混雜，能取得最優(yōu)增強(qiáng)效果。Ganesan等[43]指出，添加體積摻量分別為1%、0.15%的鋼纖維和聚丙烯纖維，能最大程度改善混凝土的極限強(qiáng)度和延性系數(shù)(如圖3所示)；與普通混凝土相比，混雜纖維混凝土試件的韌性和延性系數(shù)分別提高了3.6倍和3.1倍。夏冬桃等[44]對(duì)鋼-聚丙烯纖維增強(qiáng)高性能混凝土進(jìn)行研究，得出鋼纖維、聚丙烯纖維以體積摻量分別為0.8%、0.11%混摻時(shí)增強(qiáng)效果較優(yōu)。陶成云等[45]將鋼纖維和碳纖維混雜加入襯砌混凝土中，纖維混凝土的抗沖擊性較普通混凝土顯著提高，鋼纖維和碳纖維摻入體積摻量分別為1.5%、0.6%時(shí)，改善效果最佳，約增長(zhǎng)3.5倍。

圖3 荷載-撓度包絡(luò)線[43]Fig. 3 Envelope of load-deflection plots[43]

倪嵩陟[46]依托廣甘高速楊家山隧道，對(duì)鋼-玄武巖纖維混凝土隧道二襯的力學(xué)性能開展了研究，相比素混凝土，鋼-玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度增加了11.1%，抗剪強(qiáng)度增加了19.1%，初裂荷載提高了20%，破壞荷載提升了100%。Banthia等[47]為改善沉管隧道混凝土的抗剪強(qiáng)度和變形能力，開展了鋼-玄武巖纖維混凝土的彎曲韌性試驗(yàn)，鋼纖維和玄武巖纖維質(zhì)量摻量分別為180 kg/m3、4.5 kg/m3時(shí)抗剪強(qiáng)度和韌性最好。

3 隧道襯砌纖維混凝土耐久性能研究

隧道襯砌混凝土除長(zhǎng)期經(jīng)受圍巖壓力作用外，還受地下水作用，當(dāng)?shù)叵滤泻懈g介質(zhì)時(shí)，將會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。特別是作為隱蔽工程的初期支護(hù)，直接與圍巖中滲出的腐蝕介質(zhì)接觸，損傷更加迅速，逐漸喪失對(duì)永久性支護(hù)的保護(hù)，在內(nèi)外雙向腐蝕因素作用下隧道襯砌的損傷速度加快，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全性下降。已有的研究表明，采用纖維混凝土作為隧道襯砌支護(hù)，能夠細(xì)化裂縫，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，混凝土硬化階段的裂縫寬度明顯減小，滲透通道變窄，混凝土的抗?jié)B性能更加優(yōu)異[48]；提高了混凝土的抗離子侵蝕性能，大幅度降低隧道工程因環(huán)境侵蝕作用而面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 鋼纖維混凝土的耐久性

宋衛(wèi)民[49]對(duì)隧道二襯纖維混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)分別摻入體積摻量為1.5%的鋼纖維或0.3%的碳纖維，混凝土抗?jié)B性分別提高了36.3%和32.2%，鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能更為優(yōu)異。杜向琴[50]也發(fā)現(xiàn)摻入鋼纖維的混凝土滲水高度明顯降低，體積摻量為1.4%時(shí)抗?jié)B性能最優(yōu)，降低了52.4%。張翰南[51]將鋼纖維混凝土應(yīng)用于籃家山隧道初期支護(hù)，當(dāng)纖維體積摻量分別為0.5%、1%時(shí)，抗?jié)B性提高了20%，但摻量增加到1.5%、2%時(shí)，抗?jié)B等級(jí)反而有所降低，但仍高于素混凝土。不難發(fā)現(xiàn)，隧道混凝土中摻入鋼纖維，可明顯提升混凝土的抗?jié)B性能，但應(yīng)注意纖維摻量問(wèn)題，超過(guò)體積摻量為2%的纖維可能會(huì)因拌合不均勻?qū)е抡辰Y(jié)，達(dá)不到預(yù)期效果。

氯鹽會(huì)引起鋼筋銹蝕，顯著降低混凝土耐久性。邵根大[52]分別從某隧道襯砌的內(nèi)外表面進(jìn)行取樣，研究了抗氯離子滲透性能，結(jié)果表明鋼纖維混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)比普通混凝土減小了34%～41%，鋼纖維能有效阻止氯離子在混凝土中的擴(kuò)散，且位于隧道內(nèi)側(cè)效果更好。鋼纖維對(duì)混凝土抗氯離子侵蝕性的提高與其阻裂效果密切相關(guān)，混凝土中隨機(jī)分布的鋼纖維降低了生成貫通性裂縫的可能性，使隧道襯砌的抗氯離子滲透性得以顯著增強(qiáng)。

3.2 合成纖維混凝土的耐久性

宋榮禮[53]結(jié)合九龍河某一引水隧道，研究了聚丙烯纖維噴射混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果顯示，體積摻量為0.1%的聚丙烯纖維，使得混凝土滲水高度減少32%，對(duì)試件檢測(cè)發(fā)現(xiàn)纖維混凝土內(nèi)部多呈現(xiàn)小孔，而普通混凝土試件則大孔較多。向陽(yáng)開等[54]的研究也表明，含0.1%體積摻量的聚丙烯纖維隧道混凝土的滲水高度比素混凝土降低了13.6%，但摻量過(guò)高反而會(huì)減弱混凝土抗?jié)B能力。聚丙烯纖維在摻入量較少時(shí)可改善混凝土微觀結(jié)構(gòu)，減少混凝土的初始裂紋并使裂紋擴(kuò)展受阻，減少混凝土滲水通道；但當(dāng)聚丙烯纖維含量較高時(shí)，纖維易團(tuán)聚，并影響混凝土施工性能，混凝土的密實(shí)性也受到不利影響，抗?jié)B性降低。當(dāng)前研究結(jié)果顯示，聚丙烯纖維在體積含量為0.1%時(shí)，對(duì)隧道襯砌混凝土的抗?jié)B性改善效果明顯。

王宏偉[55]對(duì)不同種類合成纖維混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，玻璃纖維混凝土的抗?jié)B性提高了約78%，聚丙烯纖維混凝土提高了86%；鋼纖維混凝土的抗?jié)B性不如合成纖維混凝土，鋼纖維混凝土的滲水高度是合成纖維混凝土的2倍左右。Behfarnia等[56]通過(guò)對(duì)比摻入鋼纖維或聚丙烯纖維后混凝土在水工隧道的應(yīng)用效果(如圖4(a)所示)，得出聚丙烯纖維提高混凝土的抗水滲、抗氯離子滲透性能效果優(yōu)于鋼纖維。余紅麗[57]對(duì)不同纖維混凝土抗?jié)B性進(jìn)行了研究(如圖4(b)所示)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維、玻璃纖維及鋼纖維混凝土的滲水高度比素混凝土分別降低了86.5%，77.6%，65.1%，聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B透性能最佳，應(yīng)用于某隧道二襯效果良好。由此可見，合成纖維混凝土的抗?jié)B性在一定程度上優(yōu)于鋼纖維混凝土，聚丙烯纖維混凝土在合成纖維混凝土中抗?jié)B透性能最好。

圖4 (a) 各種混凝土的氯離子滲透深度[56]；(b) 不同纖維混凝土的滲水高度[57]Fig. 4 (a) Chloride penetration depth of concrete[56]; (b)penetration height of fiber concrete[57]

尹玉龍[58]的研究表明，玄武巖纖維在改善混凝土抗?jié)B性能上存在最佳摻量，0.1%體積摻量的纖維使得混凝土滲水高度降幅最大，可降低18%左右。何軍擁等[59]的研究表明，當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量摻量分別為0.9 kg/m3、1.2 kg/m3時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能提高系數(shù)分別為35.3%和39.2%，略優(yōu)于同摻量下的聚丙烯纖維混凝土。張鵬[60]采用電通量指標(biāo)對(duì)二次襯砌玄武巖混凝土的抗?jié)B性進(jìn)行了研究，摻入量為0.1%的纖維混凝土的電通量值最小，較普通混凝土下降了37.7%，但體積摻量超過(guò)0.1%時(shí)抗?jié)B性反而變差。

3.3 天然纖維混凝土的耐久性

纖維素纖維在我國(guó)的高鐵隧道襯砌、水工隧道等地下工程中均有應(yīng)用，徐海賓等[61]研究了不同體積摻量(0.9%、1.1%、1.3%)纖維素纖維(如圖5(a)所示)混凝土的抗?jié)B性能，相比普通混凝土分別提高了43.4%、56.1%、65.1%，證明了纖維素纖維可適用于大面積的襯砌工程。曹擎宇等[62]依托貴廣某隧道二次襯砌工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)使用體積摻量為0.9%纖維素纖維，其混凝土在56 d的電通量相比普通混凝土降低了7.4%，。郭麗萍等[63]根據(jù)某一隧道的實(shí)際情況，研究了纖維素纖維混凝土的抗氯離子滲透及抗碳化性能，當(dāng)纖維體積摻量為0.1%時(shí)，抗氯離子滲透性能提高了25%，不同齡期碳化深度減小了0.9～2.5 mm。

纖維素纖維因其表面的親水特性，在新拌混凝土中能夠吸附自由水，其獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)(如圖5(b)所示)也可儲(chǔ)存部分自由水，這些水分在水泥水化過(guò)程中緩慢釋放，促進(jìn)水泥水化，補(bǔ)償混凝土收縮，優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)；均勻分布的纖維還能有效減緩混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中因收縮產(chǎn)生的微裂紋。良好的孔結(jié)構(gòu)及微裂縫的減少均能提高混凝土的抗?jié)B性，降低外部侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的傳輸速率，提高混凝土抗侵蝕性能。

圖5 纖維素纖維(a)和纖維素纖維截面的SEM圖像(b) [62]Fig. 5 Images of (a) cellulose fibers and (b) cellulose fiber section[62]

3.4 混雜纖維混凝土的耐久性

采用混雜纖維部分或全部替代混凝土中的鋼筋，已成為隧道襯砌的一種設(shè)計(jì)方案，混雜纖維對(duì)于隧道的防水抗?jié)B有很好的實(shí)用效果。

李文武[64]依托十堰市白鶴隧道，研究了隧道襯砌鋼-聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果顯示，鋼纖維、聚丙烯纖維體積摻量分別為0.5%、0.3%混摻時(shí)抗?jié)B性均優(yōu)于普通混凝土和單摻聚丙烯纖維混凝土，滲水高度僅為5.1 cm。Selvi[65]的研究結(jié)果表明，單摻聚丙烯纖維混凝土表面存在微小氣孔，抗?jié)B性較差，但摻入鋼纖維后，改善效果較為明顯。但也有研究表明這兩種纖維混雜摻加對(duì)混凝土抗?jié)B透性能改善效果不明顯[66]。朱安標(biāo)[67]的研究表明，鋼-聚丙烯纖維混凝土的滲透高度均高于普通混凝土，鋼纖維與聚丙烯纖維以體積比2∶1混雜且體積率為0.75%時(shí)，比普通混凝土的抗?jié)B性降低了169%。可見纖維以不同體積比進(jìn)行混雜會(huì)顯著影響改善效果。

除鋼-聚丙烯纖維混雜外，尹健等[68]還開展了鋼纖維、碳纖維復(fù)合對(duì)二次襯砌混凝土抗?jié)B性能影響的研究，結(jié)果表明：兩種纖維混雜的改善效果優(yōu)于單摻纖維混凝土。有文獻(xiàn)[49]表明體積摻量分別為1.0%、0.1%的鋼纖維、碳纖維復(fù)摻時(shí)表現(xiàn)效果最佳，相對(duì)滲透系數(shù)較素混凝土降低了34%。陶成云[45]依托某一地鐵暗挖隧道，對(duì)鋼-碳纖維混雜混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行了相關(guān)研究，將體積摻量分別為1.5%、0.6%的鋼纖維與碳纖維混雜，混凝土的滲透系數(shù)比普通混凝土降低了約53%，總體積摻量較高的纖維混雜抗?jié)B性能更好。

目前多數(shù)研究認(rèn)為混凝土中摻入纖維可改善混凝土的抗?jié)B性，主要是由于纖維彈性模量高于凝結(jié)初期混凝土的彈性模量，提高了混凝土塑性階段、硬化初期的抗拉強(qiáng)度，能有效抑制早期干縮裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，混凝土內(nèi)部微裂紋減少，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善；其次，纖維在混凝土內(nèi)部形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻礙了水泥基體內(nèi)部水分遷移，使得毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力降低，減少開裂。但當(dāng)纖維摻量過(guò)大時(shí)則表現(xiàn)出不利的效果，過(guò)量纖維的加入增加了與混凝土的粘結(jié)界面，降低混凝土的密實(shí)性，抗?jié)B性與抗離子滲透性下降。

各類纖維用于隧道襯砌混凝土中，都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：鋼纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度與韌性的提高比較明顯，能有效阻止結(jié)構(gòu)中的荷載裂縫；合成纖維、天然纖維對(duì)于混凝土力學(xué)性能提高幅度不大，但對(duì)混凝土抗?jié)B性的改善效果優(yōu)異；混雜纖維混凝土融合了不同纖維的優(yōu)勢(shì)，合適的比例和摻量能使混凝土的力學(xué)性能與耐久性能優(yōu)于單摻纖維混凝土。

4 存在的問(wèn)題及展望

我國(guó)隧道建設(shè)工程量巨大，雖然初步的研究已經(jīng)顯示纖維混凝土對(duì)隧道襯砌的力學(xué)性能與耐久性能有顯著的改善作用，但有些方面研究并不完善，也不系統(tǒng)，難于滿足大量實(shí)際工程建設(shè)的需求。

4.1 存在問(wèn)題

當(dāng)前的力學(xué)性能研究重點(diǎn)關(guān)注了隧道纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及韌性性能，缺乏對(duì)隧道纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系的研究，并缺乏對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的機(jī)理分析。

在耐久性研究方面，對(duì)隧道纖維混凝土的抗水滲和抗氯離子滲透性進(jìn)行了深入研究，但實(shí)際工程中隧道混凝土所處環(huán)境很復(fù)雜，地下水中不僅含有氯鹽還可能有大量的硫酸鹽等，已有的耐久性研究?jī)H局限在單因素層面，未能將環(huán)境因素綜合加以考慮，更沒(méi)有考慮荷載對(duì)耐久性的影響，與實(shí)際情況存在差別，需開展隧道纖維混凝土多因素作用下的耐久性研究。

4.2 展望

1.后續(xù)的研究需包括隧道纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理研究以及本構(gòu)關(guān)系的研究，例建立應(yīng)力-應(yīng)變、荷載-撓度關(guān)系曲線及本構(gòu)方程，為纖維混凝土在隧道襯砌結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。

2.在隧道纖維混凝土耐久性方面，為更符合實(shí)際情況，需對(duì)多因素作用下的隧道混凝土耐久性進(jìn)行研究，不僅僅停留在性能提高幅度層面，更需要對(duì)耐久性損傷機(jī)理、發(fā)展規(guī)律開展深入研究，為耐久性設(shè)計(jì)提供支撐。

3.現(xiàn)階段對(duì)隧道纖維混凝土的研究更多的是圍繞材料層面進(jìn)行的，對(duì)纖維混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的受力、變形及耐久性能尚未涉及，有待進(jìn)一步在這些方面開展研究，以推動(dòng)纖維襯砌混凝土結(jié)構(gòu)更廣泛的工程應(yīng)用。