建筑抗裂防水施工中耐久纤维的应用方法

中铁十一局集团第六工程有限公司，湖北 襄阳 441000

混凝土是建筑工程中的重点材料，施工期间如果缺乏行之有效的抗裂措施，微裂缝在应力作用下将进一步发展，由此扩宽裂缝的覆盖范围，形成具有贯通性质的裂缝，给水体的渗入提供通道，使混凝土结构的抗渗性能大打折扣。根据已有研究，裂缝的出现与荷载无明显的关联性，其主导因素主要有塑性收缩、干缩、温差等，因此在防控裂缝时应当将此类因素作为重点考虑对象，通过材料的优化、施工工艺的改进等方式，降低不良因素的影响。

1 纤维混凝土微观作用机理

在水泥基体中掺入适量纤维后，可发挥多重作用：第一，提高混合料整体的抗拉强度；第二，抑制微裂缝的发生与发展，以免出现大范围裂缝；第三，提高整体的抗变形能力，维持混凝土结构体的完整性。

在混凝土中，短纤维的掺入具有可观的作用，其主要有以下两种解释模型。

1.1 纤维间距机理

纤维间距机理建立在线弹性断裂力学的视域下，由此揭露纤维在抑制微小裂缝发展方面的作用。该机理认为混凝土自身便存在内部缺陷，若要切实提高其强度，则需要最大限度地减少缺陷的数量、缩小缺陷的范围，提高韧性，降低应力集中系数。既有研究表明，纤维的平均中心间距为关键控制指标，其对纤维的作用效果具有显著的影响，该值在7.6mm以下时，制得的混凝土具有相对较高的抗拉强度[1]。

1.2 复合材料机理

复合材料机理以复合材料的混合原理为立足点，在纤维的作用下将形成纤维强化体系，用于提高混凝土在抗拉和抗弯两方面的强度，且该机理揭露了纤维混凝土强度的主要影响因素，如纤维的掺入量、方向、黏结力等。纤维在混凝土内的分布较为广泛，能够有效围护微裂缝，切断其发展路径，从而达到抗裂的效果。纤维强化体系宛如极具规模化的微细筋，能够有效阻碍混凝土的开裂进程，以保证混凝土具有足够的抗裂韧性，而此方面的应用优势是常规钢筋所无法比拟的。

纤维在改善混凝土工程性能方面具有显著的作用，同时不会对混凝土的化学性能造成影响，因此可有效保证混凝土的耐久性，是建筑工程领域混凝土抗裂工作中的重要应用材料。

2 耐久纤维在混凝土中的应用优点

（1）耐久纤维在较大的围岩和土体变形作用下，仍然具有良好的整体性。耐久纤维的抗拉性能、抗弯程度、抗剪和抗扭的强度都较高，分别将其抗拉、抗弯和抗剪强度提高25%～50%、40%～80%、50%～100%，也能保持整体性。

（2）具有良好的抗冲击能力。耐久纤维材料可以承受较大的冲击或震动，这种性能被称作冲击韧性。因为耐久纤维具有良好的抗冲击能力，所以纤维混凝土的抗冲击和抗压韧性可以增强至27倍，而抗弯、抗拉韧性可以增强至几十倍。

（3）具有改进收缩能力。与普通混凝土收缩性能相比，纤维混凝土收缩值下降了7%～9%。

（4）具有较高的抗疲劳能力。与普通混凝土的抗弯和抗压疲劳性能相比，纤维混凝土优势更大。当纤维混凝土与普通混凝土都掺有1.5%纤维的抗弯疲劳寿命为1×106次时，二者的应力比分别为0.68、0.51；当掺有2%网纤维的混凝土抗压疲劳寿命为2×106次时，二者的应力比分别为0.92、0.56。纤维混凝土之所以能够承受动力荷载的机墩、抗震结构的框架节点等部位，是因为其抗拉强度、断裂韧性和抗疲劳等性能比普通混凝土强。

（5）具有更强的耐久性能。纤维混凝土比普通混凝土更适用于地下室防渗等工程，因为其抗裂性和整体性较高，收缩率较低，并且防水性、防渗性、耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性比普通混凝土更优。当纤维混凝土与其他条件相同的普通混凝土都经150次冻融循环时，纤维混凝土的抗压和抗弯强度只降低了约20%，而普通混凝土却下降60%以上；当纤维混凝土承受200次冻融循环后，试件仍具有整体性。与普通混凝土耐磨程度相比，掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土降低了30‰；而较其他条件相同的高强混凝土，掺有钢纤维的高强混凝土抗气蚀能力明显增强了1.4倍；普通钢筋混凝土的钢筋锈蚀后，混凝土会因为锈蚀层体积膨胀而胀裂。纤维混凝土在空气、污水中也具较强的耐腐蚀能力，试件在污水中5年的碳化深度小于5m，并且产生锈斑的只有表层的钢纤维，而内部钢纤维并没有出现锈蚀问题。钢纤维混凝土由于使用性高、使用寿命较长，但维修费较低，能够提高综合经济效益。

3 工程实例

地铁工程与一般地下工程的混凝土裂缝具有明显的共性，但在处理裂缝难度上有不同。地铁工程通常会大体积灌注混凝土，并且地铁车站具有跨度大、埋深大且层间距大的特点，混凝土裂缝也处于约束状态会产生较大的收缩应力，导致混凝土裂缝问题加剧，影响因素也变得复杂化。同时，地铁混凝土多为超长薄壁结构并存在基坑沉降问题，地铁侧墙和顶板的开裂风险较大，因此养护难度增加。据此分别对各结构实施控温防裂控制，监测各结构温度及结构尺寸，如表1所示。

表1 监测部位及尺寸

在建筑工程建设领域，浇筑了混凝土的地下室和屋面应当具有抗裂防水的特性，而在掺入耐久纤维后，可以有效满足此方面的要求，传统混凝土施工中普遍存在的渗漏与裂缝问题得到了有效的解决[2]。

在节能环保发展理念的驱动下，新型轻质墙体材料相继被应用于建筑工程中，例如加气混凝土、空心砌块等的应用比例均逐步加大，但其局限性在于易形成裂缝，且抗渗性能不足。对此，在外墙或内墙抹灰施工期间，可在混凝土拌制过程中掺入适量的耐久纤维，利用该材料阻止细微裂缝的发展，加强混凝土的抗渗效果。从工程实践来看，在合理应用耐久纤维后，施工便捷性有所提高，具有抗裂、防灰浆跌落等多重效果，并兼顾施工质量、施工效率、施工效益方面的要求[3]。

4 耐久纤维的经济效益

4.1 材料成本

在同体积条件下，掺入耐久纤维后，混凝土所需的材料成本高于普通混凝土。对于普通混凝土路面，假定造价为C元/m2，在相同质量要求（厚度需保持一致）的条件下，掺入耐久纤维后的混凝土路面所需造价为

式中：V1为耐久纤维掺入量，kg/m3；A1为耐久纤维的单价，元。

总体来看，耐久纤维的经济效益表现佳，与普通混凝土施工相比，其施工工艺并未发生改变，增加的成本仅体现在耐久纤维材料方面。

根据市场行情，聚丙烯纤维的单价多集中在80000～100000元/t，施工中假定其掺量控制标准为0.8kg/m3，结构层高厚度按26cm算，经计算后得知所增加的造价为20元/m2。若在铺装或是面层修复施工中，所需的水泥混凝土厚度有所减小，造价则有较大幅度的下降。

4.2 全寿命期综合成本

材料、施工、管养等方面的费用均是组成全寿命期综合成本的关键要素。相比于混凝土路面工程，耐久纤维混凝土路面的施工程序与之存在差别，对施工技术也提出了更高的要求。但从长远的角度来看，耐久纤维混凝土路面的综合性能更为优越，其兼具稳定性强、耐久性好等特点，因此在路面设计寿命期内为之投入的养护管理费用较低。总体来看，尽管耐久纤维混凝土路面的建设成本略高，但总造价是比较低的，能够节约成本，提高社会经济效益。

5 结束语

综上所述，混凝土的性能是建筑工程施工期间的重点控制对象，混凝土的密实性、完整性在拌制过程中掺入适量的耐久纤维后有显著的提升，并能够有效抑制裂缝的形成与发展，解决混凝土结构易开裂、易渗漏的问题。在后续的建筑工程施工中，可根据需求适当应用耐久纤维，充分发挥出耐久纤维的作用，以便更高效地完成施工作业，提高建筑工程的整体建设品质。