纤维素纤维混凝土在隧道工程中的应用

汪 涛

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西晋中 030600)

纤维素纤维混凝土是近年来发展起来的一种新型工程材料。该种混凝土能够有效的阻止混凝土裂缝的发生，赋予混凝土更好的耐久性，有效提高混凝土的力学性能。将纤维素混凝土应用于公路隧道工程，可以有效解决隧道衬砌中的非结构性裂缝甚至开裂掉块问题，降低工程成本，保证公路安全运行。

1 纤维素纤维混凝土及其在我国的应用现状

纤维素纤维是由美国BUCKEYE公司率先研发成功的，被称为第三代混凝土专用纤维，是继化学合成纤维之后发展起来的一种新型混凝土专用纤维。该纤维是采用一种高寒地区特殊植物物种为原料，经一系列独特的化学处理和机械加工而成的。将其加入混凝土中后，在水的浸泡和外力作用下，形成大量均匀分布的细小纤维，能明显提高混凝土的力学性能，可有效阻止混凝土塑性收缩，干缩和温度变化而引起裂缝的发生(见图1)。

纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强度，尤其韧性提高的幅度大，抗拉极限强度比普通混凝土提高30%～50%。纤维素纤维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缝的扩展。在受荷初期，水泥基料与纤维共同承受外力，直至基料出现裂缝后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者，直到纤维被拉断或被从基料中拔出，一直到其结构破坏。

在以前的隧道工程中，其二次衬砌一般使用素混凝土结构。随着时间的推移，隧道衬砌不断出现非结构性裂缝并不断扩大，严重影响了公路的安全运行。在我国，一般采用复合式衬砌来解决非结构性裂缝问题。2005年，上海罗洋新材料科技有限公司引进国外先进的纤维混凝土技术，在国内第一个提出了纤维素纤维混凝土的概念，并成功应用于混凝土中来提高其耐久性(见图2)。

在我国，纤维素纤维混凝土得到了高度重视，以期利用其良好的抗裂性能，解决我国目前公路隧道中的非结构性裂缝问题。

2 纤维素纤维混凝土的性能研究

两组实验数据(A和B)材料配比见表1。

1)工作性能对比表见表2。

由表1可以看出，在基准混凝土中加入纤维素纤维，坍落度控制在±15mm以内，对混凝土的工作性能无明显不利影响，同时，由于纤维素纤维的桥接作用提高了混凝土的粘结性，扩展度降低，减少了混凝土的离析泌水现象。

图1 TB-UF500纤维素纤维

图2 武广天鹅岭隧道二次衬砌工程现场

表1 不同纤维素纤维混凝土材料配比 kg/m3

表2 工作性能对比表

结论:纤维素纤维混凝土的离析率远低于基准混凝土，可有效阻止混凝土非结构裂缝的发生。

原因:纤维素纤维在混凝土中呈立体分布，可有效的降低微裂尖端的应力集中，可使混凝土或砂浆因干缩引起的拉应力消弱或消除，阻止微裂缝的发生和扩展。

2)力学性能对比表见表3。

表3 力学性能对比表 MPa

由表3可以看出，在混凝土中加入纤维素纤维，对混凝土的抗压强度影响不大，与基准混凝土力学性能一致。

原因:纤维素纤维长度为2mm～3mm，直径为15μm～20μm，长度与直径较小，在混凝土中加入纤维素纤维，对混凝土工作性几乎没有影响，并从总体上提高了混凝土的抗压强度。

3)耐久性分析结果见图3。

图3 基准、纤维素纤维土、PP及PAN混凝土裂缝宽度对比图

从图3可以看出，纤维素纤维具有良好的耐久性及耐冻融性能，纤维素纤维能够大幅度提高混凝土抗裂性能，抗裂性改善作用优于其他混凝土，原因:

a．纤维素纤维具有独特的空腔结构和巨大的比表面积，可以吸收部分水分，进一步促进水泥颗粒的水化，使混凝土孔隙率大大降低，大幅度提高混凝土密实度，且抗氯离子、抗硫酸盐、抗碳化等混凝土耐久性显著增强;

b．延缓水化热峰值的产生，减少了水分的蒸发量，从而大幅度降低了混凝土早期由于温度梯度和收缩而产生开裂的风险;

c．纤维的亲水性促使部分水泥水化物沿着纤维“生长”，大大增强了混凝土与纤维之间的握裹力(见图4，图5)。

图4 纤维素纤维表面粘结大量水泥浆体

图5 聚丙烯纤维表面无水泥浆体颗粒粘结

从图6可以看出，纤维素纤维可以提高抗冻融性能。

图6 基准、纤维素纤维、PP及PAN混凝土冻融耐久性对比图

由于纤维素纤维具有良好的渗水性能，同时，纤维素纤维对混凝土有阻裂作用，纤维素纤维混凝土可以有效的减少多次冻融循环而引起的混凝土内的抗拉应力集中，阻止了微裂缝的扩展。

4)纤维素纤维混凝土的其他性能。

a．良好的耐高温性能。在纤维素纤维混凝土中，纤维单丝呈现三维乱向分布，形成立体的网络结构，当在火焰炙烤的混凝土构件内部温度上升到165℃以上时，纤维熔化，形成内部连通的孔道可以使强高压蒸气从混凝土内部逃逸，可有效的避免火灾环境下的爆裂。b．优越的环保性能。纤维素纤维是从特殊植物中提取出来的，对人体无毒无害，属于绿色环保材料。其他混凝土材料(如聚丙烯纤维)是石油类产品，受石油供需的影响较大。

3 纤维素纤维混凝土在公路隧道中应用的优势

公路是我国经济发展的动脉，在经济运输中占有最重要的地位。隧道安全严重影响和制约着公路的安全运营，隧道的非结构性裂缝是可以通过材料创新来解决的。纤维素纤维由于其特有的技术优势，将其应用于隧道二次衬砌工程具有无可比拟的优势。1)纤维素纤维混凝土总体上提高了混凝土的抗压强度，有利于提高二次衬砌的承载能力。2)纤维素纤维对混凝土的耐久性有明显改善:有利于消弱或消除因干缩引起的拉应力，有效阻止微裂缝的发生和扩展;使水泥水化更加完全，显著降低混凝土的空隙，使混凝土更密实，从而提高了混凝土的抗冻融性，抗水渗透性，抗氯离子渗透性。3)混凝土构件受冲击荷载作用时，由于纤维素纤维的阻裂性能，纤维可以阻止内部裂缝的迅速扩展，能有效的增强混凝土的抗冲击性和韧性。

4 结语

将纤维素纤维混凝土应用于隧道工程二次衬砌施工，具有节省了工程造价，缩短了施工周期的优势;可以有效的抑制隧道的非结构性裂缝，显著提高隧道工程的抗裂性能，抗冲击能力及抗疲劳等性能;还有效克服了传统合成纤维在混凝土表面形成微细裂纹问题，衬砌外观良好。可以说，纤维素纤维混凝土应用于隧道工程，具有传统混凝土无可比拟的优势性，具有广阔的市场及发展前景。

［1］曹擎宇，孙 伟，赵 勇，等．纤维素纤维混凝土性能及在二次衬砌中的应用［J］．铁道学报，2012(34):7．

［2］王永利，徐淑萍，崔世忠．几种再生纤维素纤维物理机械性能的比较［J］．纺织导报，2012(4):51-52．

［3］百度百科——纤维素纤维，http://baike．baidu．com/view/270962．htm．