超纤维在防裂混凝土工程中的应用探讨

背景

纤维增强混凝土作为新型复合材料经过几十年的发展，不论是纤维的品种、纤维增强理论的发展，还是纤维混凝土的推广应用都有了长足的进步。众多试验研究和工程实践表明：掺入混凝土中的纤维不但具有增强、增韧的作用，而且其阻裂、限缩，以及改善混凝土基体孔结构的作用。可以明显提高混凝土的抗渗性。混凝土良好抗渗性对地下结构、大坝、水渠、污水处理池、 码头、跨海大桥等工程应用具有重要意义。然而不同的纤维对混凝土性能的影响程度存在差异，主要取决于纤维的品种、纤维掺量、纤维长径比、纤维在混凝土基体中的分布情况，纤维混凝土搅拌工艺，以及混凝土受力情况等因素。纤维在混凝土中的分散性好坏直接决定了 纤维混凝土抗裂性能的优劣⋯。分散性越好，分布越均匀，混凝土抗裂性能越强。超纤维具有卓越的亲水性能 使纤维单丝能均匀分布在混凝土中，分散性极好，在混 凝土搅拌和运输时纤维均处于稳定的分散状态，无任何缠绕成团出现，可有效的改善混凝土结构，提高了混凝土抗裂性能 。

京沪高铁虹桥站是上海虹桥综合交通枢纽工程的重要分支之一，也是地铁西站的主要组成部分。西站结 构为二层劲性柱结合混凝土柱框架结构，局部三层(5、17号线地铁、风井)，各层底板面标高分别为B1层：— 1 1．700m(亦为地下二层顶面标高)；B2层：一20．670m (亦为地下三层顶面标高)；B3层：一26．170m、 一27．160m、一27．970m、一29．1 10m。地下三层顶面标高为 一20．670m，地下二层顶面标高为一11．700m，地下一层顶面标高为一2．550m，各层的层高：B3～B2层为8．44 m (5、17号线)，B2～B1层为8．97 m，B1～零层为9．15 m。基础形式采用桩基加筏板式基础，工程桩为钻孔灌 注桩，各层底板厚度分为B1层2000mm， B2层 3000mm，B3层2500mm。地下二、三层结构延伸至上 部结构的柱网为劲性钢管柱，截面1400mm×1400mm； 地下一层结构形式为钢一混凝土组合结构，建筑结构的 安全等级为一级，设计基准为50年，耐久。年限为100年，基本抗震设防烈度为7度(0.10g)，本建筑抗震设 防类别为乙类，地震作用按基本抗震设防烈度计算，按8度采取抗震措施。上海虹桥综合枢纽京沪高铁的外墙 板用C40P8R56混凝土，外掺超纤维进行防裂改性。

超纤维防裂混凝土的研制

研制的技术路线

上海虹桥综合枢纽京沪高铁的外墙板用C40P8R56 混凝土，所处的是碳化环境，作用等级为T3。根据其 设计使用年限为100年，则混凝土结构耐久性设计要满 足铁路规范对混凝土原材料品质、配合比参数极限，以 及抗裂性等耐久性指标的要求。 采用粉煤灰和矿粉等双掺技术改善混凝土的流动性和微观结构；掺加超纤维改善混凝土的抗裂性；通过 聚羧酸系高效减水剂提高混凝土的和易性和降低水胶 比。再以电通量和抗裂等指标来衡量虹桥综合枢纽京 沪高铁1=程用C40P8R56混凝土的耐久性。

材料设计

原材料品质好坏是京沪高铁混凝土是否具有高耐 久性的前提。因此，首先需慎重选择混凝土用原材料， 并对各种原材料检测。所有样品由监理见证，送上海市 建筑科学研究院检测站检测。

水泥

水泥选用普通硅酸盐水泥P·042．5，其技术要求满足国家标准，具体见表1。

 

粉煤灰

其中的一种矿物掺和料选用品质稳定的II级低钙粉煤灰，其技术要求符合国家标准和耐久性要求，具体满足国家标准，具体见表2。

矿粉

矿粉的技术要求满足相应的国家标准及耐久性要求，具体可见表3所示。

外加剂

外加剂选用了减水率较高、保坍性好、适量引气且 能提高混凝土耐久性聚羧酸系减水剂，性能指标见表4所示。

骨料

强度、吸水率、坚固性和有害物质含量等指标都符合耐粗骨料选用了连续级配的5～25mm碎石，其抗压久性要求，具体见表5。

原材料及性能

而细骨料选用了符合国家标准及耐久性要求的中级的细度模数。

配合比参数极限

上海虹桥综合交通枢纽所处环境为碳化环境，高铁用混凝土C35和C40的部位外界环境分别属于T2和T3．设计年限为100年，为了保证钢筋混凝土结构耐久， 其混凝土要满足最大水胶比和最小胶凝材料用量的要 求，具体见表6所示。

混凝土耐久性能研究

混凝土密实性能的研究

在保证强度的前提下，混凝土的密实性与电通量和 抗渗性能有着较大的关联。通过比较流动性和耐久性 (56d电通量)性能指标，调整外加剂类型、胶凝材料总量及比例等技术来改善京沪高铁用混凝土性能。同 时，C40混凝土胶凝材料总量不宜高于450 kg／m3首先， 使用上一节的原材料，外掺加中效减水剂配制防裂混凝 土C40P8R56，具体见表7。

表7的三个配比通过调整胶凝材料总量和比例及外加剂掺量，改善混凝土的施工性和耐久性，其中对应的混凝土耐久性指标如表8。

由表8可知，水胶比和胶凝总量都符合京沪高铁用 混凝土的要求，但是掺加超纤维的编号为C40—3的配 比对应的56d电通量大于铁路规范要求的1500C，不符合高铁混凝土耐久性要求，所以此配比不能被采用。由 于受胶凝材料总量不宜超过450kg／m。，又为了须保证良 好的流动性及耐久性要求，目前最好方式是改变外加剂类型或掺量。其一，可以通过提高中效减水剂的掺量， 减少用水量；其二，选用高效减水剂，这样可以在保证 良好的流动性前提下，大幅度的减少混凝土拌合用水， 提高混凝土密实性，降低电通量，达到京沪高铁用混凝土技术要求。具体的试验配比见表9。

由表9、表10和表11可知，编号为C40—6配比所对应的混凝土耐久性和强度及抗渗性都是满足设计要求。胶凝材料总量(只有440kg/m ³)和水胶比都满足配合比参数极限要求，又没有大于450kg/m³ ，还有掺纤维的C40—6的56d电通量1118C，满足电通量耐久性要求。

同时，从表9和表10可知，超纤维会影响混凝土 的电通量性能，还有对流动性也存在一些负面影响。然而，由表11可知，掺加超纤维对于强度影响不大，特别对混凝土后期的强度几乎没有影响。

塑性收缩开裂效果对比

混凝土的抗裂性是高铁钢筋混凝土结构耐久性最重要的指标之一，使用超纤维可大幅度的提高混凝土的抗裂性，塑性收缩开裂性能是混凝土防裂效果的重要表现形式之一，在此利用混凝土的塑性收缩开裂进行试验研究。

根据ICC AC217(ASTM C1579)标准，对高铁用耐久性混凝土进行抗裂性能的研究，特别是混凝土的塑性收缩开裂。测试用试模见图1所示。

利用图1的试模，中间具有凸起的矩形板状，再模拟一种恶劣的环境(利用风扇产生一股稳定的温暖气流达到指定的蒸发率)使混凝土快速发生塑性收缩，针对掺加超纤维与不掺加纤维的混凝土塑性开裂效果进行对比试验；同时，纤维掺量取0.3kg/m³ 、0.6 kg/m³ 、 0.9kg/m³ 等三种不同掺量分别进行试验，开裂的程度大小以裂缝面积(mm)来表示。混凝土塑性开裂对比试验结果见图2所示。

由图2可知，当超纤维掺量增加到0.9kg后，混凝 土的塑性开裂面积比基准的降低了85％以上，若再增加纤维掺量，降低混凝土开裂空间已较小；同时，随着纤维掺量的增加对混凝土的工作性会带来一定的负面影响，因此高铁用纤维掺量选择0.9kg/m³。

干燥收缩开裂效果对比

干燥收缩是混凝土产生收缩开裂的最主要原因之一 。利用C40P8的基准配合比配制基准混凝土，同时在基础混凝土配合比上再掺加0．9kg/m3混超纤维，分别制作成一块3m×7m×0.3m的混凝土板，构成一组对比样。经 过相同的试验条件，2天后基准混凝土产生了裂缝，而掺超纤维的混凝土板还未出现裂缝，如图3和图4所示。

由混凝土的塑性开裂与干燥收缩开裂对比试验可知，超纤维确实能够较好的改善混凝土的开裂效果。这可能是由于超纤维具有天然的亲水能力和巨大的比表面积，有效的阻止了混凝土的塑性收缩开裂和早期的收缩开裂，大大的减少了混凝土早期的缺陷，较好的提高了混凝土的抗裂性，改善了混凝土的耐久性。

超纤维防裂混凝土的功能化应用

利用上述优化的混凝土配合比，制备出性能优异的超纤维防裂混凝土，主要应用高耐久性的京沪高铁外墙板。工程应用中的混凝土情况，可见图5、图6和图7所示。从中可知，超纤维防裂混凝土在高铁工程的应用中，混凝土表面平整无裂缝。

结论

(1)超纤维混凝土56d电通量控制在1118C以内， 远小于设计1500C的耐久性指标。

(2)超纤维在混凝土中的掺量为0．9kg/m³对混凝土的强度性能几乎没有影响，同时混凝土的塑性开裂面积比基准(不掺入超纤维配比)的降低r 85％以上。

(3)超纤维混凝土在干燥收缩试验过程中，大大改善了不掺纤维的基准混凝土开裂性能，在制作成一组3m X 7m×0.3m的对比混凝土板。经过相同的实验条件， 2天后基准混凝土产生了裂缝，而掺超纤维的混凝土板 还未出现裂缝。

(4)超纤维防裂混凝土在高铁工程中成功应用， 混凝土表面平整无裂缝。

超纤维可有效改善混凝土内部结构，减少混凝土的内外部缺陷，解决混凝土塑性开裂，大幅度的减少混凝土的微裂缝；目前，超纤维防裂混凝土在配制技术已得到一定程度的改进，在上海虹桥综合交通枢纽工程中已得到广泛的应用，取得了良好的应用成果。然而，关于该特种混凝土的许多理论和应用问题尚待今后进一步研究、完善和推广。

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