碳纖維廢絲混凝土在川藏鐵路應用及展望

聶紅賓　譚平

基金項目：陜西鐵路工程職業技術學院教改課題（2018JG-28）陜西鐵路工程職業技術學院科研課題（2014-44）。

渭南作為一個農業城市，在臨渭區、大荔、富平，合陽等陽光充足、溫度適宜的黃河流域地區種植棉花[1]，紡織工業曾經一度發達[2]，產生了大量的工業廢水及織物纖維廢絲，由于紡織技術落后，廢物處理不當，對環境危害較大[3]，越來越多的紡織企業面臨倒閉或者轉為紡紗企業，最終淪為南方服裝絲織品經濟發達省份的原料供應商，為南方服裝企業提供價格低廉的棉絨原料（這種棉絨原料生產也會產生纖維，但一般小作坊較隱蔽，污染很難查處），直接制約著我市棉花產業及紡織企業的壯大發展。而南方企業將棉絨服裝織物再以高價傾售到西安、渭南等我省主要城市，以獲得高額利潤，這種利潤模式對直接制約著我市、乃至我省的經濟發展，同時廢棄的衣物纖維對環境造成了二次污染。[4]

本著振興我市棉花產業鏈、變廢為寶，依托中煤科工集團西安煤炭研究院、西安科技大學的科研優勢及全國纖維合成中心（浙江富陽特種材料研究所）產業優勢，將棉花及紡織工業廢料、廢棄衣物廢料加塑脂固化，形成再生化纖纖維，再經過提煉得到混雜碳纖維廢絲，將碳纖維廢絲加入到混凝土最終得到碳纖維廢絲增強混凝土（waste carbon fiber reinforced concrete，簡稱：W-CFRC）。這種纖維與傳統碳纖維相比，纖維長短不一、離散度大、長徑比復雜，具有強度高、抗裂性強、抗凍抗滲耐高溫等優點，且受力各向異性小。[5]與鋼纖維、聚丙烯、玄武等纖維從力學性能、耐久性等方面相比較，高應力潮濕環境下鋼纖維在混凝土中易生銹，耐久性差，嚴重影響混凝土受力性能[6-7];聚丙烯易老化[8]，玄武纖維硬而脆。因此，碳纖維廢絲應用于隧道初期支護中噴射混凝土用于抵抗極低溫、鹽類腐蝕成為可能。

川藏鐵路作為我國《十三五規劃》重點項目的重要組成部分，李克強總理在考察時強調：川藏鐵路對西藏的發展建設和生態保護意義重大，不僅是西藏人民的期盼，也是全國人民的心愿。川藏鐵路對于提高西藏綜合交通運輸能力，推動西藏經濟社會跨越式發展，增強民族團結，逐步完善進出西藏鐵路通道，改善區域鐵路路網布局，加快西藏改革開放步伐，加快西藏經濟發展，提高沿線各族人民生活水平意義重大。[9]

川藏鐵路線路從成都經雅安、林芝、山南到拉薩，依次穿越二郎山、沙魯里山、芒康山、他念他翁山、色季拉山等8座高山，經過大渡河、金沙江、瀾滄江、怒江、易貢藏布江、雅魯藏布江等7大江河，全線建筑長度1 742.39 km，全線隧道共計198座，總長1223.451 km，占線路總長的70.2%[10];隧道面臨的工程難題主要有高地應力巖爆、高地溫和活動斷裂、極低溫季節性凍融土層以及以硫酸鹽為主的地下水侵蝕[11]。高地溫、季節低溫的水-鹽凍融耦合環境稱為極溫環境。

將工業廢料（碳纖維廢絲）摻入川藏鐵路隧道噴射混凝土初期支護中，形成了一種塑性和韌性好、承載力高、施工方便的一種新型柔性支護模式-碳纖維廢絲與大流動性的混凝土形成組合結構，用來抵抗川藏鐵路隧道中極溫環境（極低溫凍融及硫酸鹽凍耦合）作用對隧道進出口初期支護帶來的影響。利用試驗、理論計算及有限元模擬的方法，研究川藏鐵路中碳纖維廢絲噴射混凝土初期支護在-18℃至-40℃的凍融環境下地下水、硫酸鹽凍耦合侵蝕環境下碳纖維廢絲混凝土最佳理論摻量，確保隧道結構安全。

對于川藏鐵路這種世界級工程而言，將碳纖維廢絲應用于隧道出入口噴射混凝土中抵抗凍融產生的拉力，主要存在以下問題：

川藏鐵路隧道占比70.2%，工程量巨大;極低溫季節性凍融土層厚1.7米，隧道內圍巖地溫高達87℃，隧道進出口位置形成巨大的溫度差（這種溫度稱為川藏極溫環境），嚴重損傷隧道襯砌混凝土結構，同時活動地裂縫多，地下水豐富，部分有侵蝕，主要以硫酸鹽為主，工程難度大。

川藏線處于極低溫季節性凍融土層，外界溫度平均可達到-40℃，地溫最高可達87℃，噴射混凝土處于內高外低的極溫環境中。目前，研究混凝土凍融最低溫度是依據《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008規定，規范要求-18℃±2℃，因此，對-40℃超低溫下混凝土早期強度研究較少。

我省作為棉花、絲麻大省，紡織企業現在僅僅能為南方服裝提供棉紗原料，而我省又作為南方棉絨服裝傾銷市場，同時棉絨纖維、廢舊衣物化纖都嚴重污染環境，將廢料制作的纖維應用到噴射混凝土，力學性能有待研究。

以硫酸鹽為凍融液的混凝土凍融損傷有一定的研究，但是對于損傷強度模型研究較少、溫度限制有限，不適用川藏鐵路工程應用。

傳統的碳纖維混凝土作為隧道噴射混凝土一種材料，噴射時易結團，施工時會造成堵管，施工不便。

參考文獻

[1]張永紅.氣候變化對陜西省棉花生產的影響[ D].南京氣象學院，2003.

[2]劉鵬. 延續與革新：民國時期關中手工棉紡織業研究[D].陜西師范大學，2017.

[3]張辰，荊慧娟等.不同栽培措施對棉花產量及纖維品質的影響[ J].中國棉花，2019，46（06）：23-27