建筑抗裂防水施工中耐久纖維的應(yīng)用方法

中鐵十一局集團(tuán)第六工程有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000

混凝土是建筑工程中的重點(diǎn)材料，施工期間如果缺乏行之有效的抗裂措施，微裂縫在應(yīng)力作用下將進(jìn)一步發(fā)展，由此擴(kuò)寬裂縫的覆蓋范圍，形成具有貫通性質(zhì)的裂縫，給水體的滲入提供通道，使混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能大打折扣。根據(jù)已有研究，裂縫的出現(xiàn)與荷載無(wú)明顯的關(guān)聯(lián)性，其主導(dǎo)因素主要有塑性收縮、干縮、溫差等，因此在防控裂縫時(shí)應(yīng)當(dāng)將此類因素作為重點(diǎn)考慮對(duì)象，通過(guò)材料的優(yōu)化、施工工藝的改進(jìn)等方式，降低不良因素的影響。

1 纖維混凝土微觀作用機(jī)理

在水泥基體中摻入適量纖維后，可發(fā)揮多重作用：第一，提高混合料整體的抗拉強(qiáng)度；第二，抑制微裂縫的發(fā)生與發(fā)展，以免出現(xiàn)大范圍裂縫；第三，提高整體的抗變形能力，維持混凝土結(jié)構(gòu)體的完整性。

在混凝土中，短纖維的摻入具有可觀的作用，其主要有以下兩種解釋模型。

1.1 纖維間距機(jī)理

纖維間距機(jī)理建立在線彈性斷裂力學(xué)的視域下，由此揭露纖維在抑制微小裂縫發(fā)展方面的作用。該機(jī)理認(rèn)為混凝土自身便存在內(nèi)部缺陷，若要切實(shí)提高其強(qiáng)度，則需要最大限度地減少缺陷的數(shù)量、縮小缺陷的范圍，提高韌性，降低應(yīng)力集中系數(shù)。既有研究表明，纖維的平均中心間距為關(guān)鍵控制指標(biāo)，其對(duì)纖維的作用效果具有顯著的影響，該值在7.6mm以下時(shí)，制得的混凝土具有相對(duì)較高的抗拉強(qiáng)度[1]。

1.2 復(fù)合材料機(jī)理

復(fù)合材料機(jī)理以復(fù)合材料的混合原理為立足點(diǎn)，在纖維的作用下將形成纖維強(qiáng)化體系，用于提高混凝土在抗拉和抗彎兩方面的強(qiáng)度，且該機(jī)理揭露了纖維混凝土強(qiáng)度的主要影響因素，如纖維的摻入量、方向、黏結(jié)力等。纖維在混凝土內(nèi)的分布較為廣泛，能夠有效圍護(hù)微裂縫，切斷其發(fā)展路徑，從而達(dá)到抗裂的效果。纖維強(qiáng)化體系宛如極具規(guī)模化的微細(xì)筋，能夠有效阻礙混凝土的開裂進(jìn)程，以保證混凝土具有足夠的抗裂韌性，而此方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是常規(guī)鋼筋所無(wú)法比擬的。

纖維在改善混凝土工程性能方面具有顯著的作用，同時(shí)不會(huì)對(duì)混凝土的化學(xué)性能造成影響，因此可有效保證混凝土的耐久性，是建筑工程領(lǐng)域混凝土抗裂工作中的重要應(yīng)用材料。

2 耐久纖維在混凝土中的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

（1）耐久纖維在較大的圍巖和土體變形作用下，仍然具有良好的整體性。耐久纖維的抗拉性能、抗彎程度、抗剪和抗扭的強(qiáng)度都較高，分別將其抗拉、抗彎和抗剪強(qiáng)度提高25%～50%、40%～80%、50%～100%，也能保持整體性。

（2）具有良好的抗沖擊能力。耐久纖維材料可以承受較大的沖擊或震動(dòng)，這種性能被稱作沖擊韌性。因?yàn)槟途美w維具有良好的抗沖擊能力，所以纖維混凝土的抗沖擊和抗壓韌性可以增強(qiáng)至27倍，而抗彎、抗拉韌性可以增強(qiáng)至幾十倍。

（3）具有改進(jìn)收縮能力。與普通混凝土收縮性能相比，纖維混凝土收縮值下降了7%～9%。

（4）具有較高的抗疲勞能力。與普通混凝土的抗彎和抗壓疲勞性能相比，纖維混凝土優(yōu)勢(shì)更大。當(dāng)纖維混凝土與普通混凝土都摻有1.5%纖維的抗彎疲勞壽命為1×106次時(shí)，二者的應(yīng)力比分別為0.68、0.51；當(dāng)摻有2%網(wǎng)纖維的混凝土抗壓疲勞壽命為2×106次時(shí)，二者的應(yīng)力比分別為0.92、0.56。纖維混凝土之所以能夠承受動(dòng)力荷載的機(jī)墩、抗震結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點(diǎn)等部位，是因?yàn)槠淇估瓘?qiáng)度、斷裂韌性和抗疲勞等性能比普通混凝土強(qiáng)。

（5）具有更強(qiáng)的耐久性能。纖維混凝土比普通混凝土更適用于地下室防滲等工程，因?yàn)槠淇沽研院驼w性較高，收縮率較低，并且防水性、防滲性、耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性比普通混凝土更優(yōu)。當(dāng)纖維混凝土與其他條件相同的普通混凝土都經(jīng)150次凍融循環(huán)時(shí)，纖維混凝土的抗壓和抗彎強(qiáng)度只降低了約20%，而普通混凝土卻下降60%以上；當(dāng)纖維混凝土承受200次凍融循環(huán)后，試件仍具有整體性。與普通混凝土耐磨程度相比，摻量為1%、強(qiáng)度等級(jí)為CF35的鋼纖維混凝土降低了30‰；而較其他條件相同的高強(qiáng)混凝土，摻有鋼纖維的高強(qiáng)混凝土抗氣蝕能力明顯增強(qiáng)了1.4倍；普通鋼筋混凝土的鋼筋銹蝕后，混凝土?xí)驗(yàn)殇P蝕層體積膨脹而脹裂。纖維混凝土在空氣、污水中也具較強(qiáng)的耐腐蝕能力，試件在污水中5年的碳化深度小于5m，并且產(chǎn)生銹斑的只有表層的鋼纖維，而內(nèi)部鋼纖維并沒有出現(xiàn)銹蝕問題。鋼纖維混凝土由于使用性高、使用壽命較長(zhǎng)，但維修費(fèi)較低，能夠提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

3 工程實(shí)例

地鐵工程與一般地下工程的混凝土裂縫具有明顯的共性，但在處理裂縫難度上有不同。地鐵工程通常會(huì)大體積灌注混凝土，并且地鐵車站具有跨度大、埋深大且層間距大的特點(diǎn)，混凝土裂縫也處于約束狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土裂縫問題加劇，影響因素也變得復(fù)雜化。同時(shí)，地鐵混凝土多為超長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)并存在基坑沉降問題，地鐵側(cè)墻和頂板的開裂風(fēng)險(xiǎn)較大，因此養(yǎng)護(hù)難度增加。據(jù)此分別對(duì)各結(jié)構(gòu)實(shí)施控溫防裂控制，監(jiān)測(cè)各結(jié)構(gòu)溫度及結(jié)構(gòu)尺寸，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)部位及尺寸

在建筑工程建設(shè)領(lǐng)域，澆筑了混凝土的地下室和屋面應(yīng)當(dāng)具有抗裂防水的特性，而在摻入耐久纖維后，可以有效滿足此方面的要求，傳統(tǒng)混凝土施工中普遍存在的滲漏與裂縫問題得到了有效的解決[2]。

在節(jié)能環(huán)保發(fā)展理念的驅(qū)動(dòng)下，新型輕質(zhì)墻體材料相繼被應(yīng)用于建筑工程中，例如加氣混凝土、空心砌塊等的應(yīng)用比例均逐步加大，但其局限性在于易形成裂縫，且抗?jié)B性能不足。對(duì)此，在外墻或內(nèi)墻抹灰施工期間，可在混凝土拌制過(guò)程中摻入適量的耐久纖維，利用該材料阻止細(xì)微裂縫的發(fā)展，加強(qiáng)混凝土的抗?jié)B效果。從工程實(shí)踐來(lái)看，在合理應(yīng)用耐久纖維后，施工便捷性有所提高，具有抗裂、防灰漿跌落等多重效果，并兼顧施工質(zhì)量、施工效率、施工效益方面的要求[3]。

4 耐久纖維的經(jīng)濟(jì)效益

4.1 材料成本

在同體積條件下，摻入耐久纖維后，混凝土所需的材料成本高于普通混凝土。對(duì)于普通混凝土路面，假定造價(jià)為C元/m2，在相同質(zhì)量要求（厚度需保持一致）的條件下，摻入耐久纖維后的混凝土路面所需造價(jià)為

式中：V1為耐久纖維摻入量，kg/m3；A1為耐久纖維的單價(jià)，元。

總體來(lái)看，耐久纖維的經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)佳，與普通混凝土施工相比，其施工工藝并未發(fā)生改變，增加的成本僅體現(xiàn)在耐久纖維材料方面。

根據(jù)市場(chǎng)行情，聚丙烯纖維的單價(jià)多集中在80000～100000元/t，施工中假定其摻量控制標(biāo)準(zhǔn)為0.8kg/m3，結(jié)構(gòu)層高厚度按26cm算，經(jīng)計(jì)算后得知所增加的造價(jià)為20元/m2。若在鋪裝或是面層修復(fù)施工中，所需的水泥混凝土厚度有所減小，造價(jià)則有較大幅度的下降。

4.2 全壽命期綜合成本

材料、施工、管養(yǎng)等方面的費(fèi)用均是組成全壽命期綜合成本的關(guān)鍵要素。相比于混凝土路面工程，耐久纖維混凝土路面的施工程序與之存在差別，對(duì)施工技術(shù)也提出了更高的要求。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，耐久纖維混凝土路面的綜合性能更為優(yōu)越，其兼具穩(wěn)定性強(qiáng)、耐久性好等特點(diǎn)，因此在路面設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)為之投入的養(yǎng)護(hù)管理費(fèi)用較低。總體來(lái)看，盡管耐久纖維混凝土路面的建設(shè)成本略高，但總造價(jià)是比較低的，能夠節(jié)約成本，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，混凝土的性能是建筑工程施工期間的重點(diǎn)控制對(duì)象，混凝土的密實(shí)性、完整性在拌制過(guò)程中摻入適量的耐久纖維后有顯著的提升，并能夠有效抑制裂縫的形成與發(fā)展，解決混凝土結(jié)構(gòu)易開裂、易滲漏的問題。在后續(xù)的建筑工程施工中，可根據(jù)需求適當(dāng)應(yīng)用耐久纖維，充分發(fā)揮出耐久纖維的作用，以便更高效地完成施工作業(yè)，提高建筑工程的整體建設(shè)品質(zhì)。