隧道衬砌纤维混凝土力学性能与耐久性能的研究进展

同月苹，王 艳，2，张少辉

(1.西安建筑科技大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710055； 2.西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055； 3.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055)

1 前 言

近年来，随着国家经济的快速发展，我国交通建设的规模和数量大幅增长，隧道可以克服地形障碍，缩短行驶距离，改善陆路交通，已然成为交通建设中不可或缺的重要组成部分，到“十三五”期末的2020年，我国计划修建5000条隧道，长度超过9000公里[1]。秦岭终南山隧道、港珠澳海底隧道、珠海拱北隧道等重要工程的顺利通车，标志着我国隧道技术日趋成熟[2]。但是由于地质条件、周边环境等因素作用，大多数隧道运营后普遍存在隧道结构裂损、衬砌渗漏水现象。Chia-Han Lee等[3]对中国、日本、德国及其它国家的266条隧道的衬砌病害进行了调查分析，发现存在裂缝的隧道高达82%，渗漏水的隧道占比44%。据统计我国现有的约5000余座隧道中，占总数三分之二的隧道出现过渗漏水、衬砌损害等现象，这些问题不仅加剧衬砌开裂，还会降低结构可靠性、影响隧道的安全运营，因此隧道建设中阻裂和抗渗工作尤为重要。

针对隧道衬砌混凝土渗漏水、开裂等问题，国内外研究人员对隧道的防裂方法开展了各种探索研究，结果证明在混凝土中掺入各类纤维是一种行之有效的方法。混凝土中掺加纤维，其抗拉强度与抗裂性能均可得到增强，例如绵茂公路篮家岩隧道、昆石公路小团山隧道、西康铁路高碥沟隧道均采用纤维混凝土衬砌支护，取得了良好的工程应用效果。目前金属纤维混凝土、合成纤维混凝土、天然纤维混凝土及各类混杂纤维混凝土在隧道结构中均有应用。金属纤维中应用最多的是钢纤维(steel fiber, SF)，合成纤维中聚丙烯纤维(polypropylene fiber, PPF)、玻璃纤维(glass fiber, GF)、聚乙烯醇纤维(polyvinyl alcohol fiber, PVA纤维)、玄武岩纤维(basalt fiber, BF)应用较多(见图1)，天然纤维在隧道工程中使用较多的是纤维素纤维。对于纤维增强混凝土目前的研究重点主要包括力学性能如抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度和弯曲韧性，以及抗渗性、抗碳化性等耐久性能，这些研究为纤维混凝土在隧道工程中的应用提供了理论基础。

图1 不同种类纤维(a：钢纤维 b：聚丙烯纤维 c：玻璃纤维 d：聚乙烯醇纤维 e：玄武岩纤维)Fig. 1 Different kinds of fibers (a: steel fiber; b: polypropylene fiber; c: glass fiber; d: polyvinyl alcohol fiber; e: basalt fiber)

2 隧道衬砌纤维混凝土的地力学性能研究

改善混凝土抗裂防渗的常用途径有两种，一是掺加矿物掺合料，通过提高混凝土的密实度，改善其抗裂防渗性能；二是通过纤维改性，大幅提高混凝土抗拉强度，以减少开裂达到防渗效果。近年来，大量实际工程证明采用纤维混凝土作为隧道衬砌阻裂效果显著。

2.1 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是隧道衬砌结构中应用最广的纤维混凝土，其力学性能是研究者重点关注的议题，主要包括强度与韧性，见表1。文献[4]研究表明，钢纤维掺入对混凝土抗压强度提高幅度不明显，最多仅提高1.7%，但劈裂抗拉强度可提高96.5%，表明钢纤维可显著改善混凝土的抗拉强度，是一种理想的隧道衬砌支护材料。祝文华[5]以渝宜摩天岭隧道为依托工程，通过现场试验研究了用于隧道单层衬砌钢纤维混凝土的力学特性，与普通喷射混凝土相比较，钢纤维喷射混凝土3 d、7 d抗压强度分别增长了17.6%和11.5%，1 d的抗压强度已达到了12.30 MPa；尤其是钢纤维喷射混凝土与Ⅱ级围岩的粘结抗拉强度比普通喷射混凝土提高了48.5%。王建伟[6]依托云山隧道工程进行现场试验，结果显示掺入钢纤维的喷射混凝土抗压强度得到显著提高，28d龄期平均可达41.6 MPa，劈裂抗拉强度为4.38 MPa。李振宇[7]的衬砌结构试验发现，当钢纤维体积掺量为0.5%时，其混凝土抗压强度高于其它掺量和不掺钢纤维的混凝土强度，且28 d龄期时提高幅度在20%左右。宋艳等[8]对钢纤维喷射混凝土进行了研究，发现体积掺量为0.8%的钢纤维，混凝土抗压强度仅增长11%，但劈裂抗拉强度显著提升，可达70%左右。钢纤维通过阻碍混凝土内部宏观裂缝和微裂缝的扩展，提高混凝土的强度。目前对于钢纤维能大幅提高隧道混凝土抗拉性能的观点一致，但对抗压强度提高幅度的讨论尚不统一，纤维的特征和掺量、混凝土的性能不同均会引起结果的差异。

表1 钢纤维增强混凝土力学性能试验结果Table 1 Test results of mechanical properties of steel fiber concrete

苏卿[9]通过试验发现当钢纤维体积掺量为0.6%时，混凝土抗裂性能较优，试件的平均初裂强度和最大弯曲荷载提高幅度分别达到10.1%和18.3%。田波[10]通过对香炉山隧道施工探究表明：采用湿喷工艺的钢纤维混凝土较素混凝土，抗拉强度和韧性均提高50%～80%，28 d收缩率减少近一倍，仅为0.4 mm/m，对于改善结构的抗裂性能极其有利，施工中回弹率也明显减少，仅在7%～15%之间。已有的研究结果显示，混凝土中掺入钢纤维对基体有较好的阻裂作用并能约束裂缝的进一步发展，抗裂性能显著增强[11]。

韧性是衡量混凝土受到荷载作用直至产生破坏或失效所吸收能量大小的指标，掺加纤维有助于提高混凝土的延性与开裂后的承载能力。梁英花[12]结合西山隧道实际情况，对钢纤维隧道混凝土的韧性进行了测试，当纤维掺量增加至0.9%，韧性增长幅度较大，达到了85.6%，经观察西山隧道投入使用至今未出现裂缝。王乐明[13]对用于隧道支护不同体积掺量的钢纤维混凝土开展了三分梁弯曲韧性试验，发现加入体积掺量为0.6%的钢纤维时，试件的极限抗弯强度最高，比素混凝土增长了80.6%。

2.2 合成纤维混凝土

近年来，合成纤维由于成本的优势在混凝土中的应用发展迅猛，已有的研究表明它能增强混凝土的韧性和抗冲击性、减少收缩。杰德尔别克等[19]通过试验发现，当聚丙烯纤维体积掺量为0.4%时，混凝土抗压强度提高了15.6%，其对混凝土抗压强度增强效果优于钢纤维。姚文杰等[20]对掺加聚丙烯纤维喷射混凝土初期支护的研究表明，其抗压强度变化甚微，但很大程度提高了混凝土劈裂抗拉强度，最大提高幅度达39.52%，当聚丙烯纤维体积掺量为0.1%时，混凝土力学性能与施工性能优异。刘瑞[21]以宝塔山隧道为依托，通过研究表明聚丙烯纤维不仅满足隧道喷射混凝土的力学性能，而且可以提高韧性从而较好地控制裂缝的发生。现有的研究结果表明，与钢纤维效果相似，聚丙烯纤维不仅在一定程度上提高了混凝土抗压强度，且能明显提升抗拉性能，是解决混凝土衬砌开裂行之有效的方法，虽不及钢纤维对混凝土在韧性和抗裂性能方面的增强效果，但成本低廉且也能满足工程要求[22-24]。

除聚丙烯纤维混凝土以外，柴琦龙[25]、孔迎春[26]结合青岛崂山隧道工程，通过试验和现场监测，发现在混凝土中添加玻璃纤维，对混凝土强度也有增强效果。当掺加体积掺量为1%的玻璃纤维，抗拉强度达最大值；并通过监测发现掺加玻璃纤维后隧道衬砌隔墙中的裂缝明显减少。段兆臣等[27]还针对崂山隧道玻璃纤维混凝土隔墙的开裂状态建立模型，提出了玻璃纤维混凝土抗裂计算方法。

玄武岩纤维是由天然火山玄武岩岩石熔融、拉丝而成的一种绿色环保型合成纤维，其抗拉强度和韧性优异。奂光坤[28]以永祥隧道为背景，向混凝土中掺入玄武岩纤维，研究纤维对混凝土强度的改善效果，发现与普通混凝土相比，玄武岩纤维喷射混凝土内部更加密实，抗压强度增长率为17.6%，并提出隧道初期支护混凝土中纤维较优体积掺量为0.4%。崔光耀等[29]对掺有玄武岩纤维的混凝土衬砌力学行为开展试验，结果表明纤维混凝土较不掺纤维的混凝土抗压强度和抗折强度分别增长了20.86%、17.39%；此外，玄武岩纤维混凝土衬砌结构韧性得到增强，其初裂荷载提高了20%，且衬砌初裂后仍可承担较大的变形。还有一些学者[30]把玄武岩纤维应用到干热环境隧道的混凝土中，起到了增强和阻裂作用，可见玄武岩纤维可有效减少隧道在干热环境下遭受的危害。各学者对玄武岩纤维混凝土的力学性能研究成果的表述较为一致：玄武岩纤维能改善混凝土的抗压强度、抗折强度，并且在干热的环境中应用效果优良，但是对此类纤维的增强机理研究较少，尚不明确。

聚乙烯醇纤维强度较高，弹性模量和断裂伸长率较低，特别是与水泥的粘结性能好，在工程应用上优于聚酯纤维、聚丙烯纤维等。Amin等[31]研究了聚乙烯醇纤维体积掺量对混凝土强度的影响，结果显示这种纤维对混凝土抗压强度影响不大；但当体积掺量为0.25%时，劈裂抗拉强度增长了32.5%。银英姿等[32]的研究发现，聚乙烯醇纤维降低了混凝土的抗压强度，并随纤维掺量的增加抗压强度下降更显著；但抗折强度和劈裂抗拉强度均随纤维的掺加而增大，且抗折强度在纤维体积掺量为0.03%时，增长了41.9%，纤维掺量为0.05%，劈裂抗拉强度增长幅度最大，达到32.2%。由此可见，这种纤维使得混凝土抗压强度无增强效果甚至降低，但抗拉强度和抗折强度增长明显。这可能是由于聚乙烯醇纤维在混凝土内部分布不均匀，搅拌过程中引入气泡，而抗压强度与密实度有关，从而导致混凝土抗压强度降低。

不同合成纤维增强混凝土在性能上各有优势：聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维可明显提高混凝土抗拉性能，聚丙烯纤维的增强效果更加优异，且成本较低，对它进行研究与工程应用也最多；同体积掺量下，玄武岩纤维较聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的增强效果更好，并且在干热地质条件的隧道衬砌应用中效果显著。合成纤维不仅能明显改善混凝土早期收缩裂缝，并对混凝土后期强度和受力裂缝也有所改善，加之成本较低，在隧道工程领域有广阔的应用空间。

2.3 天然纤维混凝土

随着资源的日益减少和全球污染问题的日渐严重，近年来天然纤维在混凝土中的应用越来越受到重视，目前使用较多的是天然纤维素纤维。例如黄麻纤维、剑麻纤维、椰子纤维分别从植物的韧皮、叶、果实中提取得到，主要化学成分是纤维素，因此均属于纤维素纤维(如图2所示)。Chakraborty S等[33]发现，黄麻纤维能使混凝土抗拉强度和弯曲强度分别增加9%和16%。Bao等[34]得到剑麻纤维对混凝土抗折强度有明显改善，最佳质量掺量为3 kg/m3。王雪等[35]认为质量掺量为2 kg/m3的剑麻纤维能最大程度地增强混凝土抗压强度，增长率为9%左右。

图2 不同天然纤维形貌照片(a: 剑麻纤维 b: 剑麻纤维截面c: 椰子纤维 d: 椰子纤维截面)Fig. 2 Micro-morphology of fibers (a: sisal fibers; b: sisal fiber section; c: Coconut fibers；d: coconut fiber section)

Majid Ali[36]还讨论了椰子纤维增强混凝土在各种工程中的适应性，认为椰子纤维可对混凝土抗拉强度、抗折强度和断裂韧性有改善作用。Mahyuddin[37]的试验结果显示，椰子纤维掺入后，结构的抗压强度和抗弯强度分别提高了13%和9%。Islam等[38]发现混凝土中掺入体积掺量为0.5%的椰子纤维后，其弯曲强度提高了60%。Baruah等[39]的研究表明，向混凝土中加入长度为50 mm、体积掺量为2%的椰子纤维，其抗压强度提高了13.7%、劈裂抗拉强度增长了22.9%。虽然纤维素纤维对混凝土强度提高效果有限，但是原材料来源广泛、可再生、对环境更加友好以及工程成本更低(相当于玻璃纤维价格的1/5，聚丙烯纤维的1/10)，是纤维混凝土未来发展的一个重要方向。但是，由于天然纤维易腐蚀的缺点，在应用于混凝土之前须用弱酸对纤维进行酸碱中和预处理[40]，也可使用掺合料代替部分水泥，降低水泥本身带来的碱性环境，从而更有效地提高混凝土性能。

2.4 混杂纤维混凝土

混凝土开裂是一个裂缝发生、扩展并贯通的多层次过程，混凝土的多级开裂可通过使用不同类型纤维混杂来阻止。研究人员将不同特性的纤维混杂掺入混凝土中，纤维在不同层次上抑制裂缝的产生与扩展，发挥出1+1>2的功效。目前研究较多的混杂纤维增强混凝土是将高弹模的金属纤维与低弹模的合成纤维进行混掺，主要包括钢-聚丙烯纤维、钢-碳纤维、钢-玄武岩纤维的复合混凝土。

梅国栋[41]研究得出钢纤维、聚丙烯纤维分别为1%、0.1%的体积掺量时可明显提高混凝土的弯曲韧性和抗裂性能。Afroughsabet[42]研究结果显示，将体积掺量0.85%的钢纤维和0.15%聚丙烯纤维混杂，能取得最优增强效果。Ganesan等[43]指出，添加体积掺量分别为1%、0.15%的钢纤维和聚丙烯纤维，能最大程度改善混凝土的极限强度和延性系数(如图3所示)；与普通混凝土相比，混杂纤维混凝土试件的韧性和延性系数分别提高了3.6倍和3.1倍。夏冬桃等[44]对钢-聚丙烯纤维增强高性能混凝土进行研究，得出钢纤维、聚丙烯纤维以体积掺量分别为0.8%、0.11%混掺时增强效果较优。陶成云等[45]将钢纤维和碳纤维混杂加入衬砌混凝土中，纤维混凝土的抗冲击性较普通混凝土显著提高，钢纤维和碳纤维掺入体积掺量分别为1.5%、0.6%时，改善效果最佳，约增长3.5倍。

图3 荷载-挠度包络线[43]Fig. 3 Envelope of load-deflection plots[43]

倪嵩陟[46]依托广甘高速杨家山隧道，对钢-玄武岩纤维混凝土隧道二衬的力学性能开展了研究，相比素混凝土，钢-玄武岩纤维混凝土的抗压强度增加了11.1%，抗剪强度增加了19.1%，初裂荷载提高了20%，破坏荷载提升了100%。Banthia等[47]为改善沉管隧道混凝土的抗剪强度和变形能力，开展了钢-玄武岩纤维混凝土的弯曲韧性试验，钢纤维和玄武岩纤维质量掺量分别为180 kg/m3、4.5 kg/m3时抗剪强度和韧性最好。

3 隧道衬砌纤维混凝土耐久性能研究

隧道衬砌混凝土除长期经受围岩压力作用外，还受地下水作用，当地下水中含有腐蚀介质时，将会对混凝土产生严重损伤。特别是作为隐蔽工程的初期支护，直接与围岩中渗出的腐蚀介质接触，损伤更加迅速，逐渐丧失对永久性支护的保护，在内外双向腐蚀因素作用下隧道衬砌的损伤速度加快，最终导致结构的安全性下降。已有的研究表明，采用纤维混凝土作为隧道衬砌支护，能够细化裂缝，使混凝土内部结构得到改善，混凝土硬化阶段的裂缝宽度明显减小，渗透通道变窄，混凝土的抗渗性能更加优异[48]；提高了混凝土的抗离子侵蚀性能，大幅度降低隧道工程因环境侵蚀作用而面临的安全风险。

3.1 钢纤维混凝土的耐久性

宋卫民[49]对隧道二衬纤维混凝土的抗渗性进行了研究，发现分别掺入体积掺量为1.5%的钢纤维或0.3%的碳纤维，混凝土抗渗性分别提高了36.3%和32.2%，钢纤维混凝土的抗渗性能更为优异。杜向琴[50]也发现掺入钢纤维的混凝土渗水高度明显降低，体积掺量为1.4%时抗渗性能最优，降低了52.4%。张翰南[51]将钢纤维混凝土应用于篮家山隧道初期支护，当纤维体积掺量分别为0.5%、1%时，抗渗性提高了20%，但掺量增加到1.5%、2%时，抗渗等级反而有所降低，但仍高于素混凝土。不难发现，隧道混凝土中掺入钢纤维，可明显提升混凝土的抗渗性能，但应注意纤维掺量问题，超过体积掺量为2%的纤维可能会因拌合不均匀导致粘结，达不到预期效果。

氯盐会引起钢筋锈蚀，显著降低混凝土耐久性。邵根大[52]分别从某隧道衬砌的内外表面进行取样，研究了抗氯离子渗透性能，结果表明钢纤维混凝土的氯离子扩散系数比普通混凝土减小了34%～41%，钢纤维能有效阻止氯离子在混凝土中的扩散，且位于隧道内侧效果更好。钢纤维对混凝土抗氯离子侵蚀性的提高与其阻裂效果密切相关，混凝土中随机分布的钢纤维降低了生成贯通性裂缝的可能性，使隧道衬砌的抗氯离子渗透性得以显著增强。

3.2 合成纤维混凝土的耐久性

宋荣礼[53]结合九龙河某一引水隧道，研究了聚丙烯纤维喷射混凝土的抗渗性能，结果显示，体积掺量为0.1%的聚丙烯纤维，使得混凝土渗水高度减少32%，对试件检测发现纤维混凝土内部多呈现小孔，而普通混凝土试件则大孔较多。向阳开等[54]的研究也表明，含0.1%体积掺量的聚丙烯纤维隧道混凝土的渗水高度比素混凝土降低了13.6%，但掺量过高反而会减弱混凝土抗渗能力。聚丙烯纤维在掺入量较少时可改善混凝土微观结构，减少混凝土的初始裂纹并使裂纹扩展受阻，减少混凝土渗水通道；但当聚丙烯纤维含量较高时，纤维易团聚，并影响混凝土施工性能，混凝土的密实性也受到不利影响，抗渗性降低。当前研究结果显示，聚丙烯纤维在体积含量为0.1%时，对隧道衬砌混凝土的抗渗性改善效果明显。

王宏伟[55]对不同种类合成纤维混凝土的抗渗性进行了对比试验，玻璃纤维混凝土的抗渗性提高了约78%，聚丙烯纤维混凝土提高了86%；钢纤维混凝土的抗渗性不如合成纤维混凝土，钢纤维混凝土的渗水高度是合成纤维混凝土的2倍左右。Behfarnia等[56]通过对比掺入钢纤维或聚丙烯纤维后混凝土在水工隧道的应用效果(如图4(a)所示)，得出聚丙烯纤维提高混凝土的抗水渗、抗氯离子渗透性能效果优于钢纤维。余红丽[57]对不同纤维混凝土抗渗性进行了研究(如图4(b)所示)，发现聚丙烯纤维、玻璃纤维及钢纤维混凝土的渗水高度比素混凝土分别降低了86.5%，77.6%，65.1%，聚丙烯纤维混凝土抗渗透性能最佳，应用于某隧道二衬效果良好。由此可见，合成纤维混凝土的抗渗性在一定程度上优于钢纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土在合成纤维混凝土中抗渗透性能最好。

图4 (a) 各种混凝土的氯离子渗透深度[56]；(b) 不同纤维混凝土的渗水高度[57]Fig. 4 (a) Chloride penetration depth of concrete[56]; (b)penetration height of fiber concrete[57]

尹玉龙[58]的研究表明，玄武岩纤维在改善混凝土抗渗性能上存在最佳掺量，0.1%体积掺量的纤维使得混凝土渗水高度降幅最大，可降低18%左右。何军拥等[59]的研究表明，当玄武岩纤维质量掺量分别为0.9 kg/m3、1.2 kg/m3时，混凝土的抗渗性能提高系数分别为35.3%和39.2%，略优于同掺量下的聚丙烯纤维混凝土。张鹏[60]采用电通量指标对二次衬砌玄武岩混凝土的抗渗性进行了研究，掺入量为0.1%的纤维混凝土的电通量值最小，较普通混凝土下降了37.7%，但体积掺量超过0.1%时抗渗性反而变差。

3.3 天然纤维混凝土的耐久性

纤维素纤维在我国的高铁隧道衬砌、水工隧道等地下工程中均有应用，徐海宾等[61]研究了不同体积掺量(0.9%、1.1%、1.3%)纤维素纤维(如图5(a)所示)混凝土的抗渗性能，相比普通混凝土分别提高了43.4%、56.1%、65.1%，证明了纤维素纤维可适用于大面积的衬砌工程。曹擎宇等[62]依托贵广某隧道二次衬砌工程进行现场试验，发现使用体积掺量为0.9%纤维素纤维，其混凝土在56 d的电通量相比普通混凝土降低了7.4%，。郭丽萍等[63]根据某一隧道的实际情况，研究了纤维素纤维混凝土的抗氯离子渗透及抗碳化性能，当纤维体积掺量为0.1%时，抗氯离子渗透性能提高了25%，不同龄期碳化深度减小了0.9～2.5 mm。

纤维素纤维因其表面的亲水特性，在新拌混凝土中能够吸附自由水，其独特的空腔结构(如图5(b)所示)也可储存部分自由水，这些水分在水泥水化过程中缓慢释放，促进水泥水化，补偿混凝土收缩，优化混凝土内部孔隙结构；均匀分布的纤维还能有效减缓混凝土凝结硬化过程中因收缩产生的微裂纹。良好的孔结构及微裂缝的减少均能提高混凝土的抗渗性，降低外部侵蚀性介质向混凝土内部的传输速率，提高混凝土抗侵蚀性能。

图5 纤维素纤维(a)和纤维素纤维截面的SEM图像(b) [62]Fig. 5 Images of (a) cellulose fibers and (b) cellulose fiber section[62]

3.4 混杂纤维混凝土的耐久性

采用混杂纤维部分或全部替代混凝土中的钢筋，已成为隧道衬砌的一种设计方案，混杂纤维对于隧道的防水抗渗有很好的实用效果。

李文武[64]依托十堰市白鹤隧道，研究了隧道衬砌钢-聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能，结果显示，钢纤维、聚丙烯纤维体积掺量分别为0.5%、0.3%混掺时抗渗性均优于普通混凝土和单掺聚丙烯纤维混凝土，渗水高度仅为5.1 cm。Selvi[65]的研究结果表明，单掺聚丙烯纤维混凝土表面存在微小气孔，抗渗性较差，但掺入钢纤维后，改善效果较为明显。但也有研究表明这两种纤维混杂掺加对混凝土抗渗透性能改善效果不明显[66]。朱安标[67]的研究表明，钢-聚丙烯纤维混凝土的渗透高度均高于普通混凝土，钢纤维与聚丙烯纤维以体积比2∶1混杂且体积率为0.75%时，比普通混凝土的抗渗性降低了169%。可见纤维以不同体积比进行混杂会显著影响改善效果。

除钢-聚丙烯纤维混杂外，尹健等[68]还开展了钢纤维、碳纤维复合对二次衬砌混凝土抗渗性能影响的研究，结果表明：两种纤维混杂的改善效果优于单掺纤维混凝土。有文献[49]表明体积掺量分别为1.0%、0.1%的钢纤维、碳纤维复掺时表现效果最佳，相对渗透系数较素混凝土降低了34%。陶成云[45]依托某一地铁暗挖隧道，对钢-碳纤维混杂混凝土的抗渗性能进行了相关研究，将体积掺量分别为1.5%、0.6%的钢纤维与碳纤维混杂，混凝土的渗透系数比普通混凝土降低了约53%，总体积掺量较高的纤维混杂抗渗性能更好。

目前多数研究认为混凝土中掺入纤维可改善混凝土的抗渗性，主要是由于纤维弹性模量高于凝结初期混凝土的弹性模量，提高了混凝土塑性阶段、硬化初期的抗拉强度，能有效抑制早期干缩裂缝的产生和扩展，混凝土内部微裂纹减少，内部结构得到改善；其次，纤维在混凝土内部形成的网状结构阻碍了水泥基体内部水分迁移，使得毛细管失水收缩形成的毛细管张力降低，减少开裂。但当纤维掺量过大时则表现出不利的效果，过量纤维的加入增加了与混凝土的粘结界面，降低混凝土的密实性，抗渗性与抗离子渗透性下降。

各类纤维用于隧道衬砌混凝土中，都有其独特的优点：钢纤维对混凝土劈裂抗拉强度与韧性的提高比较明显，能有效阻止结构中的荷载裂缝；合成纤维、天然纤维对于混凝土力学性能提高幅度不大，但对混凝土抗渗性的改善效果优异；混杂纤维混凝土融合了不同纤维的优势，合适的比例和掺量能使混凝土的力学性能与耐久性能优于单掺纤维混凝土。

4 存在的问题及展望

我国隧道建设工程量巨大，虽然初步的研究已经显示纤维混凝土对隧道衬砌的力学性能与耐久性能有显著的改善作用，但有些方面研究并不完善，也不系统，难于满足大量实际工程建设的需求。

4.1 存在问题

当前的力学性能研究重点关注了隧道纤维混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度及韧性性能，缺乏对隧道纤维混凝土的本构关系的研究，并缺乏对隧道衬砌结构增强的机理分析。

在耐久性研究方面，对隧道纤维混凝土的抗水渗和抗氯离子渗透性进行了深入研究，但实际工程中隧道混凝土所处环境很复杂，地下水中不仅含有氯盐还可能有大量的硫酸盐等，已有的耐久性研究仅局限在单因素层面，未能将环境因素综合加以考虑，更没有考虑荷载对耐久性的影响，与实际情况存在差别，需开展隧道纤维混凝土多因素作用下的耐久性研究。

4.2 展望

1.后续的研究需包括隧道纤维混凝土增强机理研究以及本构关系的研究，例建立应力-应变、荷载-挠度关系曲线及本构方程，为纤维混凝土在隧道衬砌结构中的设计计算提供理论基础。

2.在隧道纤维混凝土耐久性方面，为更符合实际情况，需对多因素作用下的隧道混凝土耐久性进行研究，不仅仅停留在性能提高幅度层面，更需要对耐久性损伤机理、发展规律开展深入研究，为耐久性设计提供支撑。

3.现阶段对隧道纤维混凝土的研究更多的是围绕材料层面进行的，对纤维混凝土衬砌结构的受力、变形及耐久性能尚未涉及，有待进一步在这些方面开展研究，以推动纤维衬砌混凝土结构更广泛的工程应用。