背景

纖維增強混凝土作為新型復(fù)合材料經(jīng)過幾十年的發(fā)展，不論是纖維的品種、纖維增強理論的發(fā)展，還是纖維混凝土的推廣應(yīng)用都有了長足的進步。眾多試驗研究和工程實踐表明：摻入混凝土中的纖維不但具有增強、增韌的作用，而且其阻裂、限縮，以及改善混凝土基體孔結(jié)構(gòu)的作用?？梢悦黠@提高混凝土的抗?jié)B性。混凝土良好抗?jié)B性對地下結(jié)構(gòu)、大壩、水渠、污水處理池、 碼頭、跨海大橋等工程應(yīng)用具有重要意義。然而不同的纖維對混凝土性能的影響程度存在差異，主要取決于纖維的品種、纖維摻量、纖維長徑比、纖維在混凝土基體中的分布情況，纖維混凝土攪拌工藝，以及混凝土受力情況等因素。纖維在混凝土中的分散性好壞直接決定了 纖維混凝土抗裂性能的優(yōu)劣?。分散性越好，分布越均勻，混凝土抗裂性能越強。超纖維具有卓越的親水性能 使纖維單絲能均勻分布在混凝土中，分散性極好，在混 凝土攪拌和運輸時纖維均處于穩(wěn)定的分散狀態(tài)，無任何纏繞成團出現(xiàn)，可有效的改善混凝土結(jié)構(gòu)，提高了混凝土抗裂性能 。

京滬高鐵虹橋站是上海虹橋綜合交通樞紐工程的重要分支之一，也是地鐵西站的主要組成部分。西站結(jié) 構(gòu)為二層勁性柱結(jié)合混凝土柱框架結(jié)構(gòu)，局部三層(5、17號線地鐵、風井)，各層底板面標高分別為B1層：— 1 1．700m(亦為地下二層頂面標高)；B2層：一20．670m (亦為地下三層頂面標高)；B3層：一26．170m、 一27．160m、一27．970m、一29．1 10m。地下三層頂面標高為 一20．670m，地下二層頂面標高為一11．700m，地下一層頂面標高為一2．550m，各層的層高：B3～B2層為8．44 m (5、17號線)，B2～B1層為8．97 m，B1～零層為9．15 m。基礎(chǔ)形式采用樁基加筏板式基礎(chǔ)，工程樁為鉆孔灌 注樁，各層底板厚度分為B1層2000mm， B2層 3000mm，B3層2500mm。地下二、三層結(jié)構(gòu)延伸至上 部結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)為勁性鋼管柱，截面1400mm×1400mm； 地下一層結(jié)構(gòu)形式為鋼一混凝土組合結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)的 安全等級為一級，設(shè)計基準為50年，耐久。年限為100年，基本抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，本建筑抗震設(shè) 防類別為乙類，地震作用按基本抗震設(shè)防烈度計算，按8度采取抗震措施。上海虹橋綜合樞紐京滬高鐵的外墻 板用C40P8R56混凝土，外摻超纖維進行防裂改性。

超纖維防裂混凝土的研制

研制的技術(shù)路線

上海虹橋綜合樞紐京滬高鐵的外墻板用C40P8R56 混凝土，所處的是碳化環(huán)境，作用等級為T3。根據(jù)其 設(shè)計使用年限為100年，則混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計要滿 足鐵路規(guī)范對混凝土原材料品質(zhì)、配合比參數(shù)極限，以 及抗裂性等耐久性指標的要求。 采用粉煤灰和礦粉等雙摻技術(shù)改善混凝土的流動性和微觀結(jié)構(gòu)；摻加超纖維改善混凝土的抗裂性；通過 聚羧酸系高效減水劑提高混凝土的和易性和降低水膠 比。再以電通量和抗裂等指標來衡量虹橋綜合樞紐京 滬高鐵1=程用C40P8R56混凝土的耐久性。

材料設(shè)計

原材料品質(zhì)好壞是京滬高鐵混凝土是否具有高耐 久性的前提。因此，首先需慎重選擇混凝土用原材料， 并對各種原材料檢測。所有樣品由監(jiān)理見證，送上海市 建筑科學研究院檢測站檢測。

水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥P·042．5，其技術(shù)要求滿足國家標準，具體見表1。

 

粉煤灰

其中的一種礦物摻和料選用品質(zhì)穩(wěn)定的II級低鈣粉煤灰，其技術(shù)要求符合國家標準和耐久性要求，具體滿足國家標準，具體見表2。

礦粉

礦粉的技術(shù)要求滿足相應(yīng)的國家標準及耐久性要求，具體可見表3所示。

外加劑

外加劑選用了減水率較高、保坍性好、適量引氣且 能提高混凝土耐久性聚羧酸系減水劑，性能指標見表4所示。

骨料

強度、吸水率、堅固性和有害物質(zhì)含量等指標都符合耐粗骨料選用了連續(xù)級配的5～25mm碎石，其抗壓久性要求，具體見表5。

原材料及性能

而細骨料選用了符合國家標準及耐久性要求的中級的細度模數(shù)。

配合比參數(shù)極限

上海虹橋綜合交通樞紐所處環(huán)境為碳化環(huán)境，高鐵用混凝土C35和C40的部位外界環(huán)境分別屬于T2和T3．設(shè)計年限為100年，為了保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久， 其混凝土要滿足最大水膠比和最小膠凝材料用量的要 求，具體見表6所示。

混凝土耐久性能研究

混凝土密實性能的研究

在保證強度的前提下，混凝土的密實性與電通量和 抗?jié)B性能有著較大的關(guān)聯(lián)。通過比較流動性和耐久性 (56d電通量)性能指標，調(diào)整外加劑類型、膠凝材料總量及比例等技術(shù)來改善京滬高鐵用混凝土性能。同 時，C40混凝土膠凝材料總量不宜高于450 kg／m3首先， 使用上一節(jié)的原材料，外摻加中效減水劑配制防裂混凝 土C40P8R56，具體見表7。

表7的三個配比通過調(diào)整膠凝材料總量和比例及外加劑摻量，改善混凝土的施工性和耐久性，其中對應(yīng)的混凝土耐久性指標如表8。

由表8可知，水膠比和膠凝總量都符合京滬高鐵用 混凝土的要求，但是摻加超纖維的編號為C40—3的配 比對應(yīng)的56d電通量大于鐵路規(guī)范要求的1500C，不符合高鐵混凝土耐久性要求，所以此配比不能被采用。由 于受膠凝材料總量不宜超過450kg／m。，又為了須保證良 好的流動性及耐久性要求，目前最好方式是改變外加劑類型或摻量。其一，可以通過提高中效減水劑的摻量， 減少用水量；其二，選用高效減水劑，這樣可以在保證 良好的流動性前提下，大幅度的減少混凝土拌合用水， 提高混凝土密實性，降低電通量，達到京滬高鐵用混凝土技術(shù)要求。具體的試驗配比見表9。

由表9、表10和表11可知，編號為C40—6配比所對應(yīng)的混凝土耐久性和強度及抗?jié)B性都是滿足設(shè)計要求。膠凝材料總量(只有440kg/m ³)和水膠比都滿足配合比參數(shù)極限要求，又沒有大于450kg/m³ ，還有摻纖維的C40—6的56d電通量1118C，滿足電通量耐久性要求。

同時，從表9和表10可知，超纖維會影響混凝土 的電通量性能，還有對流動性也存在一些負面影響。然而，由表11可知，摻加超纖維對于強度影響不大，特別對混凝土后期的強度幾乎沒有影響。

塑性收縮開裂效果對比

混凝土的抗裂性是高鐵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最重要的指標之一，使用超纖維可大幅度的提高混凝土的抗裂性，塑性收縮開裂性能是混凝土防裂效果的重要表現(xiàn)形式之一，在此利用混凝土的塑性收縮開裂進行試驗研究。

根據(jù)ICC AC217(ASTM C1579)標準，對高鐵用耐久性混凝土進行抗裂性能的研究，特別是混凝土的塑性收縮開裂。測試用試模見圖1所示。

利用圖1的試模，中間具有凸起的矩形板狀，再模擬一種惡劣的環(huán)境(利用風扇產(chǎn)生一股穩(wěn)定的溫暖氣流達到指定的蒸發(fā)率)使混凝土快速發(fā)生塑性收縮，針對摻加超纖維與不摻加纖維的混凝土塑性開裂效果進行對比試驗；同時，纖維摻量取0.3kg/m³ 、0.6 kg/m³ 、 0.9kg/m³ 等三種不同摻量分別進行試驗，開裂的程度大小以裂縫面積(mm)來表示?；炷了苄蚤_裂對比試驗結(jié)果見圖2所示。

由圖2可知，當超纖維摻量增加到0.9kg后，混凝 土的塑性開裂面積比基準的降低了85％以上，若再增加纖維摻量，降低混凝土開裂空間已較??；同時，隨著纖維摻量的增加對混凝土的工作性會帶來一定的負面影響，因此高鐵用纖維摻量選擇0.9kg/m³。

干燥收縮開裂效果對比

干燥收縮是混凝土產(chǎn)生收縮開裂的最主要原因之一 。利用C40P8的基準配合比配制基準混凝土，同時在基礎(chǔ)混凝土配合比上再摻加0．9kg/m3混超纖維，分別制作成一塊3m×7m×0.3m的混凝土板，構(gòu)成一組對比樣。經(jīng) 過相同的試驗條件，2天后基準混凝土產(chǎn)生了裂縫，而摻超纖維的混凝土板還未出現(xiàn)裂縫，如圖3和圖4所示。

由混凝土的塑性開裂與干燥收縮開裂對比試驗可知，超纖維確實能夠較好的改善混凝土的開裂效果。這可能是由于超纖維具有天然的親水能力和巨大的比表面積，有效的阻止了混凝土的塑性收縮開裂和早期的收縮開裂，大大的減少了混凝土早期的缺陷，較好的提高了混凝土的抗裂性，改善了混凝土的耐久性。

超纖維防裂混凝土的功能化應(yīng)用

利用上述優(yōu)化的混凝土配合比，制備出性能優(yōu)異的超纖維防裂混凝土，主要應(yīng)用高耐久性的京滬高鐵外墻板。工程應(yīng)用中的混凝土情況，可見圖5、圖6和圖7所示。從中可知，超纖維防裂混凝土在高鐵工程的應(yīng)用中，混凝土表面平整無裂縫。

結(jié)論

(1)超纖維混凝土56d電通量控制在1118C以內(nèi)， 遠小于設(shè)計1500C的耐久性指標。

(2)超纖維在混凝土中的摻量為0．9kg/m³對混凝土的強度性能幾乎沒有影響，同時混凝土的塑性開裂面積比基準(不摻入超纖維配比)的降低r 85％以上。

(3)超纖維混凝土在干燥收縮試驗過程中，大大改善了不摻纖維的基準混凝土開裂性能，在制作成一組3m X 7m×0.3m的對比混凝土板。經(jīng)過相同的實驗條件， 2天后基準混凝土產(chǎn)生了裂縫，而摻超纖維的混凝土板 還未出現(xiàn)裂縫。

(4)超纖維防裂混凝土在高鐵工程中成功應(yīng)用， 混凝土表面平整無裂縫。

超纖維可有效改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減少混凝土的內(nèi)外部缺陷，解決混凝土塑性開裂，大幅度的減少混凝土的微裂縫；目前，超纖維防裂混凝土在配制技術(shù)已得到一定程度的改進，在上海虹橋綜合交通樞紐工程中已得到廣泛的應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用成果。然而，關(guān)于該特種混凝土的許多理論和應(yīng)用問題尚待今后進一步研究、完善和推廣。

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