建筑抗裂防水施工中耐久纖維的應用方法

中鐵十一局集團第六工程有限公司，湖北 襄陽 441000

混凝土是建筑工程中的重點材料，施工期間如果缺乏行之有效的抗裂措施，微裂縫在應力作用下將進一步發展，由此擴寬裂縫的覆蓋范圍，形成具有貫通性質的裂縫，給水體的滲入提供通道，使混凝土結構的抗滲性能大打折扣。根據已有研究，裂縫的出現與荷載無明顯的關聯性，其主導因素主要有塑性收縮、干縮、溫差等，因此在防控裂縫時應當將此類因素作為重點考慮對象，通過材料的優化、施工工藝的改進等方式，降低不良因素的影響。

1 纖維混凝土微觀作用機理

在水泥基體中摻入適量纖維后，可發揮多重作用：第一，提高混合料整體的抗拉強度；第二，抑制微裂縫的發生與發展，以免出現大范圍裂縫；第三，提高整體的抗變形能力，維持混凝土結構體的完整性。

在混凝土中，短纖維的摻入具有可觀的作用，其主要有以下兩種解釋模型。

1.1 纖維間距機理

纖維間距機理建立在線彈性斷裂力學的視域下，由此揭露纖維在抑制微小裂縫發展方面的作用。該機理認為混凝土自身便存在內部缺陷，若要切實提高其強度，則需要最大限度地減少缺陷的數量、縮小缺陷的范圍，提高韌性，降低應力集中系數。既有研究表明，纖維的平均中心間距為關鍵控制指標，其對纖維的作用效果具有顯著的影響，該值在7.6mm以下時，制得的混凝土具有相對較高的抗拉強度[1]。

1.2 復合材料機理

復合材料機理以復合材料的混合原理為立足點，在纖維的作用下將形成纖維強化體系，用于提高混凝土在抗拉和抗彎兩方面的強度，且該機理揭露了纖維混凝土強度的主要影響因素，如纖維的摻入量、方向、黏結力等。纖維在混凝土內的分布較為廣泛，能夠有效圍護微裂縫，切斷其發展路徑，從而達到抗裂的效果。纖維強化體系宛如極具規模化的微細筋，能夠有效阻礙混凝土的開裂進程，以保證混凝土具有足夠的抗裂韌性，而此方面的應用優勢是常規鋼筋所無法比擬的。

纖維在改善混凝土工程性能方面具有顯著的作用，同時不會對混凝土的化學性能造成影響，因此可有效保證混凝土的耐久性，是建筑工程領域混凝土抗裂工作中的重要應用材料。

2 耐久纖維在混凝土中的應用優點

（1）耐久纖維在較大的圍巖和土體變形作用下，仍然具有良好的整體性。耐久纖維的抗拉性能、抗彎程度、抗剪和抗扭的強度都較高，分別將其抗拉、抗彎和抗剪強度提高25%～50%、40%～80%、50%～100%，也能保持整體性。

（2）具有良好的抗沖擊能力。耐久纖維材料可以承受較大的沖擊或震動，這種性能被稱作沖擊韌性。因為耐久纖維具有良好的抗沖擊能力，所以纖維混凝土的抗沖擊和抗壓韌性可以增強至27倍，而抗彎、抗拉韌性可以增強至幾十倍。

（3）具有改進收縮能力。與普通混凝土收縮性能相比，纖維混凝土收縮值下降了7%～9%。

（4）具有較高的抗疲勞能力。與普通混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能相比，纖維混凝土優勢更大。當纖維混凝土與普通混凝土都摻有1.5%纖維的抗彎疲勞壽命為1×106次時，二者的應力比分別為0.68、0.51；當摻有2%網纖維的混凝土抗壓疲勞壽命為2×106次時，二者的應力比分別為0.92、0.56。纖維混凝土之所以能夠承受動力荷載的機墩、抗震結構的框架節點等部位，是因為其抗拉強度、斷裂韌性和抗疲勞等性能比普通混凝土強。

（5）具有更強的耐久性能。纖維混凝土比普通混凝土更適用于地下室防滲等工程，因為其抗裂性和整體性較高，收縮率較低，并且防水性、防滲性、耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性比普通混凝土更優。當纖維混凝土與其他條件相同的普通混凝土都經150次凍融循環時，纖維混凝土的抗壓和抗彎強度只降低了約20%，而普通混凝土卻下降60%以上；當纖維混凝土承受200次凍融循環后，試件仍具有整體性。與普通混凝土耐磨程度相比，摻量為1%、強度等級為CF35的鋼纖維混凝土降低了30‰；而較其他條件相同的高強混凝土，摻有鋼纖維的高強混凝土抗氣蝕能力明顯增強了1.4倍；普通鋼筋混凝土的鋼筋銹蝕后，混凝土會因為銹蝕層體積膨脹而脹裂。纖維混凝土在空氣、污水中也具較強的耐腐蝕能力，試件在污水中5年的碳化深度小于5m，并且產生銹斑的只有表層的鋼纖維，而內部鋼纖維并沒有出現銹蝕問題。鋼纖維混凝土由于使用性高、使用壽命較長，但維修費較低，能夠提高綜合經濟效益。

3 工程實例

地鐵工程與一般地下工程的混凝土裂縫具有明顯的共性，但在處理裂縫難度上有不同。地鐵工程通常會大體積灌注混凝土，并且地鐵車站具有跨度大、埋深大且層間距大的特點，混凝土裂縫也處于約束狀態會產生較大的收縮應力，導致混凝土裂縫問題加劇，影響因素也變得復雜化。同時，地鐵混凝土多為超長薄壁結構并存在基坑沉降問題，地鐵側墻和頂板的開裂風險較大，因此養護難度增加。據此分別對各結構實施控溫防裂控制，監測各結構溫度及結構尺寸，如表1所示。

表1 監測部位及尺寸

在建筑工程建設領域，澆筑了混凝土的地下室和屋面應當具有抗裂防水的特性，而在摻入耐久纖維后，可以有效滿足此方面的要求，傳統混凝土施工中普遍存在的滲漏與裂縫問題得到了有效的解決[2]。

在節能環保發展理念的驅動下，新型輕質墻體材料相繼被應用于建筑工程中，例如加氣混凝土、空心砌塊等的應用比例均逐步加大，但其局限性在于易形成裂縫，且抗滲性能不足。對此，在外墻或內墻抹灰施工期間，可在混凝土拌制過程中摻入適量的耐久纖維，利用該材料阻止細微裂縫的發展，加強混凝土的抗滲效果。從工程實踐來看，在合理應用耐久纖維后，施工便捷性有所提高，具有抗裂、防灰漿跌落等多重效果，并兼顧施工質量、施工效率、施工效益方面的要求[3]。

4 耐久纖維的經濟效益

4.1 材料成本

在同體積條件下，摻入耐久纖維后，混凝土所需的材料成本高于普通混凝土。對于普通混凝土路面，假定造價為C元/m2，在相同質量要求（厚度需保持一致）的條件下，摻入耐久纖維后的混凝土路面所需造價為

式中：V1為耐久纖維摻入量，kg/m3；A1為耐久纖維的單價，元。

總體來看，耐久纖維的經濟效益表現佳，與普通混凝土施工相比，其施工工藝并未發生改變，增加的成本僅體現在耐久纖維材料方面。

根據市場行情，聚丙烯纖維的單價多集中在80000～100000元/t，施工中假定其摻量控制標準為0.8kg/m3，結構層高厚度按26cm算，經計算后得知所增加的造價為20元/m2。若在鋪裝或是面層修復施工中，所需的水泥混凝土厚度有所減小，造價則有較大幅度的下降。

4.2 全壽命期綜合成本

材料、施工、管養等方面的費用均是組成全壽命期綜合成本的關鍵要素。相比于混凝土路面工程，耐久纖維混凝土路面的施工程序與之存在差別，對施工技術也提出了更高的要求。但從長遠的角度來看，耐久纖維混凝土路面的綜合性能更為優越，其兼具穩定性強、耐久性好等特點，因此在路面設計壽命期內為之投入的養護管理費用較低。總體來看，盡管耐久纖維混凝土路面的建設成本略高，但總造價是比較低的，能夠節約成本，提高社會經濟效益。

5 結束語

綜上所述，混凝土的性能是建筑工程施工期間的重點控制對象，混凝土的密實性、完整性在拌制過程中摻入適量的耐久纖維后有顯著的提升，并能夠有效抑制裂縫的形成與發展，解決混凝土結構易開裂、易滲漏的問題。在后續的建筑工程施工中，可根據需求適當應用耐久纖維，充分發揮出耐久纖維的作用，以便更高效地完成施工作業，提高建筑工程的整體建設品質。