纖維素纖維混凝土在隧道工程中的應用

汪 濤

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西晉中 030600)

纖維素纖維混凝土是近年來發展起來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生，賦予混凝土更好的耐久性，有效提高混凝土的力學性能。將纖維素混凝土應用于公路隧道工程，可以有效解決隧道襯砌中的非結構性裂縫甚至開裂掉塊問題，降低工程成本，保證公路安全運行。

1 纖維素纖維混凝土及其在我國的應用現狀

纖維素纖維是由美國BUCKEYE公司率先研發成功的，被稱為第三代混凝土專用纖維，是繼化學合成纖維之后發展起來的一種新型混凝土專用纖維。該纖維是采用一種高寒地區特殊植物物種為原料，經一系列獨特的化學處理和機械加工而成的。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小纖維，能明顯提高混凝土的力學性能，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生(見圖1)。

纖維混凝土具有較高的抗拉與抗彎極限強度，尤其韌性提高的幅度大，抗拉極限強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，一直到其結構破壞。

在以前的隧道工程中，其二次襯砌一般使用素混凝土結構。隨著時間的推移，隧道襯砌不斷出現非結構性裂縫并不斷擴大，嚴重影響了公路的安全運行。在我國，一般采用復合式襯砌來解決非結構性裂縫問題。2005年，上海羅洋新材料科技有限公司引進國外先進的纖維混凝土技術，在國內第一個提出了纖維素纖維混凝土的概念，并成功應用于混凝土中來提高其耐久性(見圖2)。

在我國，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，解決我國目前公路隧道中的非結構性裂縫問題。

2 纖維素纖維混凝土的性能研究

兩組實驗數據(A和B)材料配比見表1。

1)工作性能對比表見表2。

由表1可以看出，在基準混凝土中加入纖維素纖維，坍落度控制在±15mm以內，對混凝土的工作性能無明顯不利影響，同時，由于纖維素纖維的橋接作用提高了混凝土的粘結性，擴展度降低，減少了混凝土的離析泌水現象。

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場

表1 不同纖維素纖維混凝土材料配比 kg/m3

表2 工作性能對比表

結論:纖維素纖維混凝土的離析率遠低于基準混凝土，可有效阻止混凝土非結構裂縫的發生。

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力集中，可使混凝土或砂漿因干縮引起的拉應力消弱或消除，阻止微裂縫的發生和擴展。

2)力學性能對比表見表3。

表3 力學性能對比表 MPa

由表3可以看出，在混凝土中加入纖維素纖維，對混凝土的抗壓強度影響不大，與基準混凝土力學性能一致。

原因:纖維素纖維長度為2mm～3mm，直徑為15μm～20μm，長度與直徑較小，在混凝土中加入纖維素纖維，對混凝土工作性幾乎沒有影響，并從總體上提高了混凝土的抗壓強度。

3)耐久性分析結果見圖3。

圖3 基準、纖維素纖維土、PP及PAN混凝土裂縫寬度對比圖

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，抗裂性改善作用優于其他混凝土，原因:

a．纖維素纖維具有獨特的空腔結構和巨大的比表面積，可以吸收部分水分，進一步促進水泥顆粒的水化，使混凝土孔隙率大大降低，大幅度提高混凝土密實度，且抗氯離子、抗硫酸鹽、抗碳化等混凝土耐久性顯著增強;

b．延緩水化熱峰值的產生，減少了水分的蒸發量，從而大幅度降低了混凝土早期由于溫度梯度和收縮而產生開裂的風險;

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

圖4 纖維素纖維表面粘結大量水泥漿體

圖5 聚丙烯纖維表面無水泥漿體顆粒粘結

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、纖維素纖維、PP及PAN混凝土凍融耐久性對比圖

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

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，纖維單絲呈現三維亂向分布，形成立體的網絡結構，當在火焰炙烤的混凝土構件內部溫度上升到165℃以上時，纖維熔化，形成內部連通的孔道可以使強高壓蒸氣從混凝土內部逃逸，可有效的避免火災環境下的爆裂。b．優越的環保性能。纖維素纖維是從特殊植物中提取出來的，對人體無毒無害，屬于綠色環保材料。其他混凝土材料(如聚丙烯纖維)是石油類產品，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用的優勢

公路是我國經濟發展的動脈，在經濟運輸中占有最重要的地位。隧道安全嚴重影響和制約著公路的安全運營，隧道的非結構性裂縫是可以通過材料創新來解決的。纖維素纖維由于其特有的技術優勢，將其應用于隧道二次襯砌工程具有無可比擬的優勢。1)纖維素纖維混凝土總體上提高了混凝土的抗壓強度，有利于提高二次襯砌的承載能力。2)纖維素纖維對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力，有效阻止微裂縫的發生和擴展;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，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)混凝土構件受沖擊荷載作用時，由于纖維素纖維的阻裂性能，纖維可以阻止內部裂縫的迅速擴展，能有效的增強混凝土的抗沖擊性和韌性。

4 結語

將纖維素纖維混凝土應用于隧道工程二次襯砌施工，具有節省了工程造價，縮短了施工周期的優勢;可以有效的抑制隧道的非結構性裂縫，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;還有效克服了傳統合成纖維在混凝土表面形成微細裂紋問題，襯砌外觀良好。可以說，纖維素纖維混凝土應用于隧道工程，具有傳統混凝土無可比擬的優勢性，具有廣闊的市場及發展前景。

［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用［J］．鐵道學報，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械性能的比較［J］．紡織導報，2012(4):51-52．

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