合成粗纤维复合管片在美国的首次工程应用

合成粗纤维技术发展

合成粗纤维最早开发于30年前，其产品进入市场已有20多年。合成粗纤维最早由美国3M公司在1989年开发，随后技术逐渐推广，应用于工程行业。日本萩原工业在20世纪90年代末开发了压花合成粗纤维，其高韧性与黏结性为该技术树立了全新性能标准。澳大利亚率先使用合成粗纤维补强喷射混凝土进行矿山地层加固，目前同类工程几乎100%采用。挪威作为20世纪90年代湿喷混凝土技术开发的领军国家，引领合成粗纤维进入民用隧道应用领域。如今，全球已有许多隧道采用含有合成粗纤维的钢筋混凝土衬砌与喷射混凝土衬砌。

材料优势

经济性： 合成粗纤维与同性能钢筋相比成本更低。

有效性： 合成粗纤维更适用于地层加固，耐久性更强。

延展性： 合成粗纤维与其他形式的混凝土加固材料相比，具有更强的韧性与延展性。

处理： 合成粗纤维更轻，易于运输和处理。

耐久性： 地层中的地下水渗透、氯化物与硫酸盐会对传统的钢筋有腐蚀性，导致其性能下降，因此许多矿山工程已改用合成纤维代替钢筋。

长期性能： 高质量合成纤维不会随着时间的推移出现裂纹，进而影响性能。相比之下，钢替代品由于基体的后硬化效应(也称为脆化)，可能表现出残余性能的损失。

工程应用

日前，美国密苏里州黑蛇湾雨洪排放隧道工程首次使用了合成粗纤维复合混凝土管片。该隧道隶属于城市综合下水道溢流长期控制计划，旨在改善密苏里河水质，全长2 km，内径2.74 m，使用勒沃森(辽宁三三工业海外子公司)土压平衡盾构掘进。

俄亥俄州欧几里德湾CSO隧道曾于2015年使用合成粗纤维现浇混凝土终衬，之后研发团队进行了一系列试验，将合成粗纤维混凝土应用于管片生产，在黑蛇湾雨洪排放隧道工程进行了工程验证。

工程需求

工程中的管片衬砌原定使用钢纤维增强，但钢纤维供应无法满足工程要求，因此采用了BarChip 54合成粗纤维补强，作为钢纤维或传统钢筋补强材料的替代品。合成纤维需满足41.4 MPa的抗压强度；28 d最小弯曲拉伸强度必须超过4.62 MPa；裂纹后最小残余弯曲拉伸强度需超过3.17 MPa。

管片生产与测试

每环衬砌由6块管片组成，内径2.74 m，环宽1.2 m，厚190.5 mm，楔形量12.7 mm，适应300 m转弯半径；管片密度7 kg/m3，长宽比为8.1，低于公认极限10，确保临时荷载稳定；使用C40、C50混凝土制成，蒸汽固化4.5 h后具有14 MPa的冲击强度。

研发团队应用法向力-弯矩曲线及力-推力容量极限曲线进行了管片在极限状态下的设计，并对管片所有临时载荷(包括盾构掘进区间对于管片的顶升力等)的极限情况进行了分析模拟。

应用情况

盾构于2018年底在直径15 m的工作井内始发，并为盾构始发进行了管片的半环拼装。2019年3月中旬，掘进完成610 m(30%)，拼装了约500环管片，单日施工12～14 m。

始发后的掘进施工阶段证明合成粗纤维管片强度可承受运输、吊装、搬运和拼装过程中遭遇的临时载荷。施工方在盾构顺利始发后检查了用于始发的半环管片，并未发现损坏。

合成粗纤维的应用降低了材料成本，同时减少了材料腐蚀，增加了衬砌使用寿命，减少了未来基础设施维护成本。