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摘要：混杂纤维混凝土（HFRC）是上世纪90年代发展起来的新型复合建筑材料，具有优良的物理力学性能，与普通混凝土相比，其抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳性、韧性和抗裂、抗爆等性能都得到了提高。本文对混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用进行了探讨。
关键词：混杂纤维混凝土；地铁管片；技术缺陷；技术优势
中图分类号：TU198 文献标识码： A 文章编号：
引言
随着纤维混凝土技术的进步，纤维混凝土材料应用经验的累积以及人们对普通钢筋混凝土管片存在问题的认识，将纤维混凝土应用于地铁管片预制已是大势所趋。目前国内纤维混凝土地铁管片技术的应用研究大多是通过试验手段进行的。尽管通过大量的试验数据可以判断混杂纤维混凝土管片的力学性能是否满足要求，但是试验费用昂贵、周期长，且试验研究受试验条件（如边界条件、模型尺度等）影响较大。
1、混杂纤维混凝土的类型
1.1钢纤维混凝土
钢纤维混凝土是在普通混凝土中按随机状态均匀分布等效直径为0.3-0.8mm、长度为15-60mm、长径比为40-100的短钢纤维所形成的一种复合建筑材料。钢纤维混凝土中纤维的主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。可以明显改善混凝土的强度和韧性,从而可以用于半承重及承重结构。
1.2合成纤维混凝土
合成纤维可用于纤维混凝土的品种有很多,其中研究最早用应用广泛的是聚丙烯纤维。聚丙烯纤维是一种结构规整的结晶型聚合物,为乳白色、无味、无毒、质轻的热塑性塑料,密度为900~910kg/m3,不溶于水、不吸水,熔点为165~170e。聚丙烯,与酸、碱和有机溶剂接触不发生作用,化学、物理机械性能良好。聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布可以削弱混凝土的塑性收缩,从而增强混凝土的韧性,减少混凝土塑性收缩引起的裂縫。无数的纤维丝形成的支撑体系可以有效阻碍骨料的离析,从而阻碍了沉降裂缝的形成,有效地降低了混凝土的孔隙率,避免了连通毛细孔的形成,因而对于普通混凝土而言,提高了混凝土的抗渗性能。在混凝土中掺入聚丙烯纤维,当温度超过了聚丙烯纤维的熔点165e时,混凝土内的聚丙烯纤维挥发逸出,在混凝土所留下的孔道对于混凝土构件内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的,因此聚丙烯纤维改善了混凝土构件的防火性能。
1.3复合纤维混凝土的特点
复合纤维混凝土是以钢纤维与以聚丙烯纤维为代表的合成纤维复合添加,作为增强材料制作的纤维混凝土。钢纤维和合成纤维各自赋予混凝土不同的优良特性,既充分利用钢纤维混凝土的抗拉、抗剪强度和抗裂、抗冲击、抗疲劳等性能,并能兼有合成纤维混凝土的对非结构性裂缝的控制、弯曲韧性、抗火性的性能。
2、普通钢筋混凝土管片的技术缺陷
在国内，目前较为常用的普通钢筋混凝土管片厚度为30cm或35cm，宽度是1.2m或1.5m，管片重量一般在（4-5吨）随着工程实践的增多，普通混凝土材料的缺陷逐渐暴露出来，钢筋混凝土管片在开模过程中边角容易受损，止水条位置也极容易损坏，在入池时因夹具铁质原因而且前期出模强度在23Mpa容易造成管片局部破损而且在后期倒运和安装过程中边缘容易破损，运至现场使用时在盾构千斤顶的作用下会出现注浆孔被拔出或顶裂的现象。根据多个城市地铁的调查，普通钢筋混凝土管片的破损主要原因是冲击力和拉应力过大，因此，除了减小外界冲击力和拉应力之外，最有效的方法就是提高管片自身的抗冲击性能和抗拉强度。而防水也是钢筋混凝土管片存在的突出问题，例如，郑州地铁一号线在前期施工当中一个区间出现管片渗漏的点多达六七处。这主要受管片生产材料、安装工艺、接缝防水材料等方面的制约。普通钢筋混凝土管片主要在隧道安装过程中衬砌内外两侧发生破损，其中，衬砌外侧破损主要位于管片与盾构机外壳的接触部位，内侧破损则普遍产生于管片的角部。管片的破损和裂缝使得地铁衬砌结构发生整体性破坏，如果在安装过程中注浆不到位的话渗漏和腐蚀现象会频繁出现，这对控制工程安全质量指标是很大的挑战。所以普通混凝土在设计时要合理地选择抗渗指标、配合比、使用塑化剂等，还要合理地控制含钢量和钢筋保护层厚度；同时，在管片生产时要注意振捣密实性、养护条件等，如果生产过程当中振捣不密实出现大量气泡，不仅管片外观达不到要求强度会受很大影响而且在管片使用过程当中对盾构刷的寿命也有很大影响，另外如果后期养护不达标对后期的使用也会产生较大影响，管片在开模时因为水化热的缘故管片温度较高如果直接入池水温与管片温差不能超过20度，如果超限极容易造成管片开裂，所以尽量防止因温度应力而导致的裂缝产生。抗火性能是衡量隧道安全性能的一个重要指标，普通钢筋混凝土管片未考虑火灾因素，其抗火能力未能得到改善，存在严重的火灾隐患，因此，对普通管片进行抗火性能的改善是非常必要的。同时，钢筋混凝土管片的生产需要较大的生产场地，且钢筋配置工序繁琐，生产效率很难提高，对模具的耗损也非常大。
3、混杂纤维混凝土管片的技术优势
3.1钢纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响
钢纤维掺量通常为30～200kg/m2,主要为直径0.3～0.7mm、长度15～60mm、长径比为40～100的钢纤维。
3.1.1钢纤维对混凝土管片力学性能的改善
普通混凝土本身的抗压强度高，在管片生产过程中开模强度一般能够达到23Mpa，待到28天强度一般可以达到55Mpa，满足了设计要求，但其抗拉、抗折、抗冲击性能均较差。目前设计要求抗拉强度 抗折强度 但在钢纤维加入后，混凝土的抗拉、抗折、抗冲击性能均得到提高，抗拉强度提高40%~80%，抗爆及耐疲劳性能也显著增强。钢纤维对混凝土力学性能的影响主要取决于形状、品种、掺量、长径比、基体混凝土性能等因素。在弹性阶段，混杂纤维混凝土的受压弹性模量和泊松比与普通混凝土没有明显差别，但在塑性阶段其变形性能有显著提高。钢纤维对混凝土基体抗压强度的影响主要取决于混凝土基体强度等级。钢纤维对普通混凝土的抗压强度影响不大，对高强混凝土的抗压强度影响比较明显。对于高强混凝土，聚丙烯掺量不变，当钢纤维体积率从0增加到2%时，混杂纤维高强混凝土立方体抗压强度较基体增长4.48%~30.54%，轴心抗压强度增长l1.76%~40.57%，。由于混杂纤维混凝土的抗拉强度较普通混凝土较大的提高，从而可以制备少筋或不使用钢筋的混杂纤维混凝土结构构件。
3.1.2钢纤维对混凝土管片耐久性能的改善
混杂纤维混凝土的抗弯性能最能反映钢纤维的增韧效果。由于钢纤维的跨接和桥连作用限制了宏观裂纹的失稳扩展，缓解了裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩展阻力，提高了混凝土的断裂能，使其承载力随裂缝宽度而不断增大，体现了延性破坏的特征。在一定掺量范围内，随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维增强混凝土材料的循环应变发展起始和疲劳前的残余变形均可提高，其抗弯疲劳寿命次数约为普通混凝土的10倍左右。同时，混杂纤维能明显提高混凝土的抗渗性能，纤维混杂层次越多，混凝土的抗渗性能越好，相对抗渗系数可降低56%。
3.2、聚丙烯纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响
3.2.1聚丙烯纤维对混凝土管片抗收缩性能的改善
聚丙烯加入后，在混凝土内部形成均匀密集分布的三维乱向搭接牵扯体系，加强了混凝土材料介质的连续性和匀质性，在混凝土硬化收缩和自由水分挥发收缩时，聚丙烯纤维能够阻止微裂缝的发展，有效抑制混凝土的早期干缩裂纹和离析裂纹的产生和发展，大大提高混凝土抗裂性能。同时，优化了混凝土的孔隙结构，减少了毛细孔个数及内部空隙率，使材料更加密实，从而有效地降低了收缩，在相当程度上消除或减少了非结构性有害裂缝。
3.2.2聚丙烯纤维对混凝土管片抗冲击性能的改善
聚丙烯纤维能与水泥基材紧密的结合在一起，在混凝土受到冲击时，聚丙烯纤维能大量吸收能量，有效减少应力集中，阻止裂缝扩展，即使在初裂后，其抗冲击性能下降幅度也较小，材料不易被冲击断裂，有效地提高了混凝土的抗冲击能力。
结束语
综合上述，近年来，我国正在进行大规模的基础建设，越来越多的城市都在进行地铁建设，混杂纤维混凝土地铁管片的研制迫在眉睫，此研究成果将会填补国内无筋管片的技术空白，对节省工程投资、提高工程质量具有重要意义。
参考文献
[1] 宁博,欧阳东,易宁,等. 混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用[J].混凝土与水泥制品，2011(1)：50-53.
[2] 鞠丽燕,王量,张雄.地铁隧道复合纤维混凝土管片新技术[J].混凝土,2004（8）:69-71.
关键词：混杂纤维混凝土；地铁管片；技术缺陷；技术优势
中图分类号：TU198 文献标识码： A 文章编号：
引言
随着纤维混凝土技术的进步，纤维混凝土材料应用经验的累积以及人们对普通钢筋混凝土管片存在问题的认识，将纤维混凝土应用于地铁管片预制已是大势所趋。目前国内纤维混凝土地铁管片技术的应用研究大多是通过试验手段进行的。尽管通过大量的试验数据可以判断混杂纤维混凝土管片的力学性能是否满足要求，但是试验费用昂贵、周期长，且试验研究受试验条件（如边界条件、模型尺度等）影响较大。
1、混杂纤维混凝土的类型
1.1钢纤维混凝土
钢纤维混凝土是在普通混凝土中按随机状态均匀分布等效直径为0.3-0.8mm、长度为15-60mm、长径比为40-100的短钢纤维所形成的一种复合建筑材料。钢纤维混凝土中纤维的主要作用在于阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。可以明显改善混凝土的强度和韧性,从而可以用于半承重及承重结构。
1.2合成纤维混凝土
合成纤维可用于纤维混凝土的品种有很多,其中研究最早用应用广泛的是聚丙烯纤维。聚丙烯纤维是一种结构规整的结晶型聚合物,为乳白色、无味、无毒、质轻的热塑性塑料,密度为900~910kg/m3,不溶于水、不吸水,熔点为165~170e。聚丙烯,与酸、碱和有机溶剂接触不发生作用,化学、物理机械性能良好。聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布可以削弱混凝土的塑性收缩,从而增强混凝土的韧性,减少混凝土塑性收缩引起的裂縫。无数的纤维丝形成的支撑体系可以有效阻碍骨料的离析,从而阻碍了沉降裂缝的形成,有效地降低了混凝土的孔隙率,避免了连通毛细孔的形成,因而对于普通混凝土而言,提高了混凝土的抗渗性能。在混凝土中掺入聚丙烯纤维,当温度超过了聚丙烯纤维的熔点165e时,混凝土内的聚丙烯纤维挥发逸出,在混凝土所留下的孔道对于混凝土构件内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的,因此聚丙烯纤维改善了混凝土构件的防火性能。
1.3复合纤维混凝土的特点
复合纤维混凝土是以钢纤维与以聚丙烯纤维为代表的合成纤维复合添加,作为增强材料制作的纤维混凝土。钢纤维和合成纤维各自赋予混凝土不同的优良特性,既充分利用钢纤维混凝土的抗拉、抗剪强度和抗裂、抗冲击、抗疲劳等性能,并能兼有合成纤维混凝土的对非结构性裂缝的控制、弯曲韧性、抗火性的性能。
2、普通钢筋混凝土管片的技术缺陷
在国内，目前较为常用的普通钢筋混凝土管片厚度为30cm或35cm，宽度是1.2m或1.5m，管片重量一般在（4-5吨）随着工程实践的增多，普通混凝土材料的缺陷逐渐暴露出来，钢筋混凝土管片在开模过程中边角容易受损，止水条位置也极容易损坏，在入池时因夹具铁质原因而且前期出模强度在23Mpa容易造成管片局部破损而且在后期倒运和安装过程中边缘容易破损，运至现场使用时在盾构千斤顶的作用下会出现注浆孔被拔出或顶裂的现象。根据多个城市地铁的调查，普通钢筋混凝土管片的破损主要原因是冲击力和拉应力过大，因此，除了减小外界冲击力和拉应力之外，最有效的方法就是提高管片自身的抗冲击性能和抗拉强度。而防水也是钢筋混凝土管片存在的突出问题，例如，郑州地铁一号线在前期施工当中一个区间出现管片渗漏的点多达六七处。这主要受管片生产材料、安装工艺、接缝防水材料等方面的制约。普通钢筋混凝土管片主要在隧道安装过程中衬砌内外两侧发生破损，其中，衬砌外侧破损主要位于管片与盾构机外壳的接触部位，内侧破损则普遍产生于管片的角部。管片的破损和裂缝使得地铁衬砌结构发生整体性破坏，如果在安装过程中注浆不到位的话渗漏和腐蚀现象会频繁出现，这对控制工程安全质量指标是很大的挑战。所以普通混凝土在设计时要合理地选择抗渗指标、配合比、使用塑化剂等，还要合理地控制含钢量和钢筋保护层厚度；同时，在管片生产时要注意振捣密实性、养护条件等，如果生产过程当中振捣不密实出现大量气泡，不仅管片外观达不到要求强度会受很大影响而且在管片使用过程当中对盾构刷的寿命也有很大影响，另外如果后期养护不达标对后期的使用也会产生较大影响，管片在开模时因为水化热的缘故管片温度较高如果直接入池水温与管片温差不能超过20度，如果超限极容易造成管片开裂，所以尽量防止因温度应力而导致的裂缝产生。抗火性能是衡量隧道安全性能的一个重要指标，普通钢筋混凝土管片未考虑火灾因素，其抗火能力未能得到改善，存在严重的火灾隐患，因此，对普通管片进行抗火性能的改善是非常必要的。同时，钢筋混凝土管片的生产需要较大的生产场地，且钢筋配置工序繁琐，生产效率很难提高，对模具的耗损也非常大。
3、混杂纤维混凝土管片的技术优势
3.1钢纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响
钢纤维掺量通常为30～200kg/m2,主要为直径0.3～0.7mm、长度15～60mm、长径比为40～100的钢纤维。
3.1.1钢纤维对混凝土管片力学性能的改善
普通混凝土本身的抗压强度高，在管片生产过程中开模强度一般能够达到23Mpa，待到28天强度一般可以达到55Mpa，满足了设计要求，但其抗拉、抗折、抗冲击性能均较差。目前设计要求抗拉强度 抗折强度 但在钢纤维加入后，混凝土的抗拉、抗折、抗冲击性能均得到提高，抗拉强度提高40%~80%，抗爆及耐疲劳性能也显著增强。钢纤维对混凝土力学性能的影响主要取决于形状、品种、掺量、长径比、基体混凝土性能等因素。在弹性阶段，混杂纤维混凝土的受压弹性模量和泊松比与普通混凝土没有明显差别，但在塑性阶段其变形性能有显著提高。钢纤维对混凝土基体抗压强度的影响主要取决于混凝土基体强度等级。钢纤维对普通混凝土的抗压强度影响不大，对高强混凝土的抗压强度影响比较明显。对于高强混凝土，聚丙烯掺量不变，当钢纤维体积率从0增加到2%时，混杂纤维高强混凝土立方体抗压强度较基体增长4.48%~30.54%，轴心抗压强度增长l1.76%~40.57%，。由于混杂纤维混凝土的抗拉强度较普通混凝土较大的提高，从而可以制备少筋或不使用钢筋的混杂纤维混凝土结构构件。
3.1.2钢纤维对混凝土管片耐久性能的改善
混杂纤维混凝土的抗弯性能最能反映钢纤维的增韧效果。由于钢纤维的跨接和桥连作用限制了宏观裂纹的失稳扩展，缓解了裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩展阻力，提高了混凝土的断裂能，使其承载力随裂缝宽度而不断增大，体现了延性破坏的特征。在一定掺量范围内，随着钢纤维掺量的增加，混杂纤维增强混凝土材料的循环应变发展起始和疲劳前的残余变形均可提高，其抗弯疲劳寿命次数约为普通混凝土的10倍左右。同时，混杂纤维能明显提高混凝土的抗渗性能，纤维混杂层次越多，混凝土的抗渗性能越好，相对抗渗系数可降低56%。
3.2、聚丙烯纤维对混杂纤维混凝土管片性能的影响
3.2.1聚丙烯纤维对混凝土管片抗收缩性能的改善
聚丙烯加入后，在混凝土内部形成均匀密集分布的三维乱向搭接牵扯体系，加强了混凝土材料介质的连续性和匀质性，在混凝土硬化收缩和自由水分挥发收缩时，聚丙烯纤维能够阻止微裂缝的发展，有效抑制混凝土的早期干缩裂纹和离析裂纹的产生和发展，大大提高混凝土抗裂性能。同时，优化了混凝土的孔隙结构，减少了毛细孔个数及内部空隙率，使材料更加密实，从而有效地降低了收缩，在相当程度上消除或减少了非结构性有害裂缝。
3.2.2聚丙烯纤维对混凝土管片抗冲击性能的改善
聚丙烯纤维能与水泥基材紧密的结合在一起，在混凝土受到冲击时，聚丙烯纤维能大量吸收能量，有效减少应力集中，阻止裂缝扩展，即使在初裂后，其抗冲击性能下降幅度也较小，材料不易被冲击断裂，有效地提高了混凝土的抗冲击能力。
结束语
综合上述，近年来，我国正在进行大规模的基础建设，越来越多的城市都在进行地铁建设，混杂纤维混凝土地铁管片的研制迫在眉睫，此研究成果将会填补国内无筋管片的技术空白，对节省工程投资、提高工程质量具有重要意义。
参考文献
[1] 宁博,欧阳东,易宁,等. 混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用[J].混凝土与水泥制品，2011(1)：50-53.
[2] 鞠丽燕,王量,张雄.地铁隧道复合纤维混凝土管片新技术[J].混凝土,2004（8）:69-71.