聚丙烯纤维混凝土性能研究及其在隧道工程中的应用分析

　　摘要：本文简要介绍聚丙烯纤维混凝土性能及其在隧道工程中的应用。
　　关键词：纤维混凝土；性能；工程应用
　　近年来，随着我国国民经济的不断增长，建筑业取得了辉煌的成就，与此同时，水泥混凝土尤其是聚丙烯纤维混凝土引起了业内人士的高度重视，这就要求人们对混凝土用聚丙烯纤维有较全面的认识及系统的研究。1混凝土用聚丙烯纤维发展过程聚丙烯纤维是改进混凝土性能的纤维之一，常用的纤维还有钢纤维、玻璃纤维及其他的合成纤维。钢纤维混凝土在我国已有相应的规范，但因钢纤维的成本较高，限制了其使用；而玻璃纤维则耐碱性差，仅能在低碱水泥混凝土中使用或采用耐碱玻璃纤维，使其使用范围也受到较大的限制。合成纤维混凝土的研究可追溯到20世纪60年代初期，Goldfein探索了用合成纤维作为水泥基体增强材料的可能性，结果表明，粘胶纤维因耐碱性差而不能使用，但聚丙烯、聚乙烯等合成纤维对水泥基体有不同程度的增强效果，尤其有助于提高材料抗冲击性r1]。因聚丙烯纤维强度高，耐酸、耐碱、耐盐等化学腐蚀，成本低，国外在20世纪70年代初就对聚丙烯纤维作为水泥基体的增强材料开展了较多的研究并已开始用于实际工程中。
　　二、纤维混凝土工作性能研究
　　1、抗冲击性
　　材料在一次或多次迅速施加荷载(冲击荷载)的作用下，抵抗疲劳破坏的能力为材料的抗冲击能力。由试验结果可知，在混凝土砂浆中掺入一定量的聚丙烯纤维可以显著地提高混凝土的抗冲击性能(混凝土中掺0.6kg/m3聚丙烯纤维，抗冲击强度提高31%~37%，砂浆中掺1.0kg/m3聚丙烯纤维，抗冲击强度可提高41%)，其原因在于纤维有着较大的吸收能量的能力。
　　2、抗冲磨性
　　在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗冲磨强度，聚丙烯纤维能提高混凝土砂浆的抗冲磨强度和耐磨硬度，这对改善水工混凝土抗冲耐磨性能十分有利。
　　3、抗渗性
　　掺入一定量的聚丙烯纤维后，混凝土砂浆的相对抗渗系数明显降低，也就是说，掺聚丙烯纤维可以明显改善混凝土砂浆的抗渗性能，这是由于均匀分布在混凝土中的大量纤维起到了“承托”作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，使得混凝土中微孔隙含量大大降低。另外，聚丙烯纤维丝能阻止混凝土中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现，减少混凝土内部的毛细管通道，从而改善混凝土砂浆的抗渗能力。
　　4、抗冻性
　　影响纤维混凝土低温性能和抗冻性的主要因素有两个方面。一是温度、湿度、时间和冻融循环次数等外因；二是纤维混凝土本身的特性，如抗拉极限应变、韧性、含气量、气泡性质、纤维掺入量和品种等内因。普通混凝土由于含气量较小，孔隙内部的饱水程度较高，因而受温度影响也较大。普通混凝土在低温干燥环境中的强度增长趋势明显慢于纤维混凝土，且抗冻融性能也大大低于纤维混凝土。掺入聚丙烯腈等合成纤维对混凝土低温和抗冻融性能的作用机能不同于引气剂。首先，纤维混凝土含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力；其次，数千万根微细纤维改善了混凝土内在品质，减少了内部缺陷数量，降低了原生裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂能等抗拉性能；另外，聚丙烯腈纤维的弹性模量随温度的降低而提高的特性对纤维混凝土低温环境下抵抗冻胀破坏具有正面加强效应。最后，由于聚丙烯腈纤维直径小，单位重量的纤维数量庞大(每克约876000)根)，纤维间距小，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效地抑制了混凝土的冻胀开裂，有益于混凝土低温环境下的强度增长和抗冻融耐久性的提高。
　　5、抗老化性
　　对掺入聚丙烯纤维的砂浆，氨灯加速老化作用下，砂浆的抗压、抗拉、抗折等力学性能无不利影响。但是加防老剂改性的聚丙烯纤维的抗老化性能要比不加防老剂的聚丙烯有明显的改善，在遮盖厚度5mm时，基本上不存在老化问题。
　　6、抗脆性
　　由聚丙烯纤维混凝土的强度性能试验结果可见，同不含纤维的普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度没有提高反而有所降低，而抗拉强度与抗折强度则略有增加，相应其脆性指数有所降低，这表明掺聚丙烯纤维可以弥补混凝土脆性大的不足。
　　实际上混凝土从无缺陷理想状态来讲，其抗压强度、抗折强度的增长幅度应该是基本一致的，之所以聚丙烯纤维混凝土抗压强度提高幅度低于抗折强度，主要是由于混凝土的内部存在不同尺度的微裂缝，而微裂缝对抗折强度的影响远大于抗压强度，掺入一定量的聚丙烯纤维后能很大程度上阻止了微裂缝的发展，从而能充分提高混凝土的抗折强度。
　　7、抗变形性
　　试验结果表明，聚丙烯纤维混凝土的弹性模量小于普通混凝土，但聚丙烯纤维混凝土的极限拉伸变形则明显高于普通混凝土，这是由于聚丙烯纤维的弹性模量较低，而其断裂伸长率大于普通混凝土断裂伸长率的缘故。聚丙烯纤维所具有的这些特性，有利于提高混凝土的延性，改善混凝土变形性能。聚丙烯纤维混凝土的收缩变形试验结果表明，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显地减少混凝土的收缩变形。其主要原因在于聚丙烯纤维的乱向分布形式大大有助于削弱混凝土砂浆的塑性收缩，收缩的能量被分散到每立方米数千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对降低的纤维单丝上，从而极为有效地增加了混凝土的韧性，抑制了混凝土微细裂缝的产生和发展，同时，无数纤维丝形成的支撑体系，有效地保证了均匀泌水，阻碍早期塑性裂缝的产生。
　　三、纤维混凝土在隧道工程中的应用
　　纤维混凝土具有可设计性，在实际工程应用中，根据不同的工程设计要求，选用不同性能及掺量的纤维，通过组分材料的选择和匹配，最大限度的达到预期目的，以满足工程需要，如飞机场跑道、坦克场、地铁、公路、桥梁、铁路枕木、核反应堆外壳、矿井、隧道等场合。在建筑物中主要用于受力构件部位尤其是抗震框架结点部位及桩尖、桩帽等场合，还用于大体积混凝土(如堤坝、桥梁、隧道、涵洞)的防水与补强，墙板、屋面板、窗台板、遮阳板、天花板等非承重构件的预制件等，按用途大体可分为以下3类:
　　1、增强结构抗裂能力
　　现代工业与民用建筑大体积混凝土用量愈来愈大，结构形式也日趋复杂，水泥水化热、收缩等因素引起的开裂问题己越来越受到人们的重视，在混凝土中加入纤维，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的卓越手段。国内一些高层建筑的地下室、侧墙、转换层大梁等大体积混凝土采用纤维混凝土，抗裂性取得了较好的效果。例如，广州新中国大厦的地下室底板就采用了这种材料。目前在框架结构中大量使用的轻质墙体材料，如加气混凝土、轻质砖、空心砌块等都有易裂的缺陷，影响建筑物的美观和性能。当内外墙抹灰时，在砂浆中加入适量纤维可以起到阻止开裂的良好效果。
　　2、增强结构防水抗渗能力
　　增强结构的防水抗渗能力主要利用纤维混凝土的抗裂的优点，在建筑工程中多用于混凝土腐化池、地下室、屋面防水工程、贮水池等。结构的刚性防水常由于材料质量差和施工等原因导致防水失败，而采用纤维混凝土作为刚性自防水材料的效果尤为显著，可以有效地解决渗裂问题。
　　3、增强结构耐磨与抗冲击能力
　　纤维的加入增强了混凝土的耐磨、抗冲击能力，这一特性对于受到冲击疲劳作用的一些结构是非常有用的。目前纤维混凝土作为路面铺装层应用较多。
　　
　　四、施工工艺流程
　　1、关键技术
　　（1）混凝土拌制、存放和运输。纤维在拌和料中的分布均匀性，不仅与原材料和搅拌工艺有关，而且受搅拌机械和投料方法影响更大。试验表明：采用强制搅拌机比自落式搅拌机效果好。本隧道施工中因受机械设备影响而采用自落式搅拌机。投料时采用先投水泥、砂和碎石，在拌和过程中分散加入纤维的方法进行拌和，拌和时间不少于2min.
　　施工时，喷锚料应尽量随拌随用，掺入速凝剂时存放时间不得超过20min，不掺入速凝剂时干混合料存放时间不超过2h，否则被视为废料，不可再行使用。在运输和存放过程中不得淋雨、流入水或混合杂物。
　　（2）喷射作业。混合料通过胶管长距离的高速输送，在喷头处已稍有分离，水在距受喷面lm左右处加入，喷射应根据其当前标定的给水速度调整水阀，按混凝土配合比设计确定的水灰比供水。喷射混凝土时，喷枪要垂直正对工作面，连续平稳地自下而上水平横向移动，喷头一圈压半圈的旋转喷射。
　　在施工时还应注意风压对喷射纤维混凝土的影响。在混合料输送时，采用适当的风压是纤维均匀分布、减少回弹损失的主要条件。风压太大钢纤维的分布就不均匀。试验表明，纤维混凝土喷射堆中心的纤维含量为喷堆周边的85.3%，这种现象产生的主要原因是由于料流喷出后，分布在料束外缘的纤维在接近受喷面前被横向气流吹至周围，因此，降低风压则横向气流的压力和流速也会降低，这样不仅会减少纤维的回弹损失，也会改善纤维分布的不均匀性。一般混合料输送距离在100m以内时，喷射风压控制在0.15～0.2MPa为宜。
　　（3）养护。混凝土施工质量的好坏，受养护的影响相当明显。因此在混凝土喷射完毕后要及时洒水或喷水雾养护。避免因养护不及时而导致喷射纤维混凝土的质量不合格。
　　
　　
　　五、参考文献
　　[1]GB50119—2003,混凝土外加剂应用技术规范[S].
　　[2]周爱国等.隧道工程现场施工技术[M].北京:人民交通出版社,2004.
　　[3]赵国藩，仲伟秋。高性能材料在结构工程中发展与应用[J].大连理工大学学报，2003，43（3）：257～261
　　[4]付卫新。模筑钢纤维混凝土在磨沟岭隧道中的应用[J].隧道建设，2003，23（2）：39~51

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