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纤维素纤维在铁路隧道二次衬砌应用中综合试验研究 　　摘 要：铁路隧道二次衬砌混凝土在服役期间要求具有良好的耐久性，以抵抗外界不利因素的影响，达到设计使用寿命。掺入纤维是提高二次衬砌混凝土抗裂性、抗疲劳性、抗渗性等耐久性的措施之一。纤维素纤维因其具有亲水保水性、易分散性、耐碱性、优异的抹面饰面效果等独特性能特点在工程中得到广泛应用，在不损害混凝土工作性和力学性能的前提下，纤维素纤维能减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，提高结构耐久性。本文对纤维素纤维在铁路隧道二次衬砌的应用进行了综合研究，验证了纤维素纤维对二次衬砌混凝土耐久性的改善作用，为以后的工程实践提供借鉴。 　　关键词：纤维素纤维 铁路隧道二次衬砌 耐久性 　　一、前言 　　在山岭地区建设铁路时需要开凿大量隧道，为保证隧道结构的耐久性和服役寿命，在对隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩进行二次衬砌设计时，常采用简易钢架和单层钢筋网混凝土结构，以增强结构稳固性和延长结构服役期，但此结构工程造价较高，施工周期长，对混凝土早期开裂的抑制作用尚不明确。而纤维作为优良的抗裂增韧材料成为铁路隧道二次衬砌设计时可以考虑的另一有效措施。近年来第三代工程纤维——纤维素纤维正逐步代替传统化学合成纤维在美国得到大范围应用，纤维素纤维能大幅提高混凝土抗开裂性能，显著改善混凝土抗渗、抗冻融、抗化学腐蚀等耐久性能。 　　本文对纤维素纤维在三条铁路线（A、B、C）的隧道二次衬砌中的试验和应用进行了综合研究，分析了纤维素纤维对混凝土工作性能、力学性能以及抗裂性能、抗疲劳性能、抗渗性能等耐久性的影响。 　　二、混凝土配合比及试验方法 　　表1 混凝土原材料及配合比（kg/m3） 　　注：表中“基准”代表基准混凝土，“纤维”代表纤维素纤维混凝土，表中所有数据来源于相关工程试验室试验或现场试验，下同。 　　表2 试验方法 　　三、工作性能 　　表3 混凝土工作性能 　　表4 贵广线纤维素纤维混凝土坍落度和扩展度经时损失 　　隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模??台车、泵送混凝土施工工艺，这要求混凝土具有良好的工作性，因此在混凝土配合比设计时应验证纤维对混凝土工作性的影响。总结上述三条铁路线隧道二次衬砌中纤维混凝土的工作性，表明纤维素纤维对混凝土工作性无明显不利影响，与基准混凝土相比，坍落度的变化在±15mm范围之内，而扩展度的降低主要归结于纤维的桥接作用提高了混凝土粘聚性，减少了混凝土的离析泌水现象，由表3可知纤维素纤维混凝土的离析率远低于基准混凝土，这使得混凝土基体更加均匀，减少收缩不均引起的裂缝。此外，纤维素纤维混凝土的坍落度经时损失也符合工程具体要求（见表4）。 　　四、力学性能 　　由表5可知纤维素纤维对混凝土各龄期抗压强度总体影响不大，大部分混凝土强度略有提高，这因为纤维内部有独特的空腔（图1），可以吸收一部分自由水，在混凝土硬化阶段又可以释放水份，促进未水化水泥颗粒的水化。此外纤维素纤维的亲水性使水泥水化产物沿着纤维表面生长，从而使纤维表面黏着大量的水泥浆体颗粒，增强混凝土与纤维间的握裹力（图2）。 　　表5 混凝土各龄期抗压强度 　　图1 纤维素纤维的内部空腔 图2 纤维素纤维表面的水化产物 　　五、耐久性 　　要延长铁路隧道主体结构的设计使用寿命，在提高结构构件承载能力的同时，也要提高支护衬砌结构，特别是二次衬砌的耐久性，这体现在要减少二次衬砌的裂缝，降低孔隙率，提高抗渗性，降低结构被侵蚀的风险[1-3]。纤维素纤维作为混凝土第三代工程用纤维，突出的性能优势是能大幅度减少混凝土塑性收缩裂缝，控制裂缝扩展，减少混凝土缺陷，改善混凝土硬化后的连续性，提高结构耐久性[3-4]。本小节分别讨论纤维素纤维对混凝土抗裂性能、抗疲劳性能和抗渗性能的影响。 　　1.抗裂性能 　　1.1 塑性期抗裂性能 　　引起混凝土开裂的因素有塑性收缩、干缩、温差、荷载等[5-8]，对于隧道二次衬砌，塑性收缩和荷载为裂缝首要成因，纤维素纤维对塑性收缩裂缝有显著的抑制作用。 　　混凝土塑性收缩裂缝是由新拌混凝土在塑性阶段的各种收缩引起的，包括毛细管压力收缩、塑性沉降收缩、早期化学收缩和早期自收缩等。纤维素纤维通过自身庞大的纤维根数（14亿根/立方混凝土）和较小的纤维间距（660μm），大幅增强混凝土与纤维间的握裹力，更有效的阻止裂缝扩展，提高混凝土匀质性[9]。表6中所列数据表明，纤维素纤维对混凝土塑性期抗裂性能的改善作用显著，裂缝改善率都达90%以上。 　　表6 混凝土塑性期抗裂性能 　　1.2 综合抗裂性能 　　混凝土除了受早期塑性收缩影响之外，在强度增长过程中还可能因为自收缩和干燥收缩产生的自应力而开裂[10-11]，通过圆环试验可以衡量纤维对