纖維增強多孔混凝土的研究及發(fā)展

趙洪 侯偉 饒美蘭 李洋

（湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院）

纖維增強多孔混凝土的研究及發(fā)展

趙洪 侯偉 饒美蘭 李洋

（湖南工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院）

多孔混凝土由于其多孔結(jié)構(gòu)的存在，會導(dǎo)致其力學(xué)性能相對較弱，而纖維是一種能夠改善混凝土材料的韌性和抗沖擊性、防止混凝土發(fā)生脆性破壞的材料，從而可以考慮利用纖維對多孔混凝土進(jìn)行增強增韌處理。這一應(yīng)用會在一定程度上拓展多孔混凝土的工程應(yīng)用范圍。本文分析和總結(jié)了幾種纖維材料在多孔混凝土中增強增韌的試驗研究進(jìn)展，并指出：適用于普通混凝土的增強增韌方法同樣也適用于多孔混凝土，其中的天然纖維具有經(jīng)濟性和力學(xué)性能兼具的特質(zhì)，再加上這種綠色的天然纖維非常適合循環(huán)經(jīng)濟和建材行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，更加值得我們做進(jìn)一步的探索并應(yīng)用。

纖維；多孔混凝土；增強增韌；研究進(jìn)展

1 引言

隨著現(xiàn)代文明城市的建設(shè)，我們的居住環(huán)境被越來越多的鋼筋混凝土材料所包圍，這些鋼筋混凝土在帶給我們生活便利的同時也給我們帶來了諸多的負(fù)面影響：熱島效應(yīng)使得我們居住的環(huán)境越來越熱；太多的不透水材料鋪裝，導(dǎo)致地表徑流，使得我們的城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，土壤濕度、溫度失去了原有的自然態(tài)等等不利影響。而多孔混凝土材料的出現(xiàn)，因為它的透水、透氣性能使得我們在現(xiàn)代文明城市建設(shè)和生態(tài)居住環(huán)境之間找到了很好的平衡點，較好地緩解了這系列問題。但是多孔混凝土和普通混凝土相比具有特殊的多孔結(jié)構(gòu)，為了減少多孔結(jié)構(gòu)帶來的強度損失，擴大多孔混凝土的應(yīng)用范圍，需要對其進(jìn)行專門的增強增韌研究。本文回顧和總結(jié)了前人利用纖維對多孔混凝土增強增韌的研究成果，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

2 多孔混凝土的特點與分類

多孔混凝土有很多名稱，又叫生態(tài)混凝土、無砂大孔混凝土、透水混凝土等等，其特點就是由單一粒徑的粗骨料作為骨架，將水泥凈漿直接包裹在粗骨料表面，粗骨料在水泥凈漿的膠結(jié)作用下，互相之間以粘結(jié)點的形式組成的具有蜂窩多孔狀結(jié)構(gòu)的一類混凝土材料。多孔混凝土的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)混凝土密不透風(fēng)、顏色單調(diào)的屬性，使得混凝土具有了與居住環(huán)境溝通和交流的功能。

多孔混凝土的最早分類，來源于1995年日本混凝土協(xié)會提出的生態(tài)混凝土的分類方法，他們對生態(tài)混凝土分為環(huán)境友好型生態(tài)混凝土和生物相容型生態(tài)混凝土兩大類[1]。其中環(huán)境友好型主要體現(xiàn)在多孔混凝土的多孔結(jié)構(gòu)可以帶來低環(huán)境負(fù)荷的效果，諸如透水、吸聲、吸濕和吸收儲存熱量，以及能夠截留一些介質(zhì)對水、大氣等進(jìn)行凈化處理等等。生物相容型主要體現(xiàn)在多孔混凝土的多孔結(jié)構(gòu)可以為植物、細(xì)菌微生物等的生長和棲息帶來空間和場地。

3 纖維增強多孔混凝土的研究進(jìn)展

20世紀(jì)60年代中期，人們開始在水泥混凝土中摻入鋼纖維形成鋼纖維與混凝土的復(fù)合材料，隨著我們對纖維在混凝土材料應(yīng)用機理的研究逐步加深，越來越多的纖維材料被廣泛應(yīng)用到混凝土材料中。接下來，本文將綜述幾種纖維在多孔混凝土中應(yīng)用的研究及發(fā)展情況。

3.1 聚合物纖維增強多孔混凝土

聚合物纖維在普通混凝土中的應(yīng)用十分廣泛，而且也取得了不錯的應(yīng)用效果，那么，在多孔混凝土中摻入聚合物纖維是否能夠改善其性能，眾多國內(nèi)外科研工作者進(jìn)行了相關(guān)試驗探索。

有學(xué)者[2～3]將聚丙烯纖維加入到多孔混凝土中，發(fā)現(xiàn)在摻量超過每方1.5kg時，纖維的弱界面效應(yīng)表現(xiàn)超過了阻裂效應(yīng)，由此得出低摻量的聚丙烯纖維對多孔混凝土具有一定的力學(xué)性能改善作用，而且不會影響到其多孔結(jié)構(gòu)。有文獻(xiàn)將剛性聚合物纖維[4～6]摻入到多孔混凝土中，發(fā)現(xiàn)剛性聚合物纖維對透水系數(shù)的影響最大，隨著剛性聚合物纖維的摻量增加，其透水率會有一個先增后降的過程。但是控制剛性纖維摻量在一定范圍內(nèi)，就會帶來透水系數(shù)的增加而不降低抗壓強度的效果。同時，剛性纖維具有抑制多孔混凝土干縮和開裂的能力。而且剛性纖維與鋼纖維相比，不會生銹，與普通聚丙烯纖維相比，則更容易在混凝土材料中分散，可見，其在多孔混凝土中具有一定的實用性。

可以看出，聚合物纖維對多孔混凝土材料增強具有一定的效果，只要控制好摻量，就可以做到在不影響其透水效果的情況下，達(dá)到對多孔混凝土材料增強增韌的力學(xué)效果。

3.2 天然纖維增強多孔混凝土

天然纖維具有其獨特的經(jīng)濟環(huán)保性，在混凝土中的使用比較常見的有亞麻纖維、劍麻纖維以及竹筋材料。筆者曾做過竹筋對多孔混凝土預(yù)制板力學(xué)性能的增強增韌探索工作[7]，以期獲得一個大尺寸預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行快速施工。竹筋的摻入能較好的分散外力對多孔混凝土預(yù)制構(gòu)件的作用，從而起到提高韌性的工程效果，在大尺寸構(gòu)件的制作中具有一定的可應(yīng)用性。但是對于這類天然材料在多孔混凝土的耐久性這一方面尚缺必要的探討，同時，很多文獻(xiàn)[8～9]對其他天然纖維材料諸如亞麻、劍麻等在普通混凝土的增強效果進(jìn)行了試驗研究，增強效果顯著，那么天然纖維是否對多孔混凝土也具有同樣的增強增韌效果，非常值得進(jìn)一步試驗研究和探索。

3.3 鋼纖維增強多孔混凝土

在混凝土材料中最先使用的纖維就是鋼纖維，有學(xué)者將鋼纖維、玻璃纖維和聚合物（PPS）纖維[10]分別摻入到多孔透水混凝土中進(jìn)行相應(yīng)的試驗研究，結(jié)果表明：鋼纖維對多孔透水混凝土的增強效果最明顯；對于所有的纖維來說，其增強增韌效果都存在一個最佳摻量值，一旦超過該最佳摻量就會產(chǎn)生相反效果。另外，也有學(xué)者對比了在高孔隙率（30%）下鋼纖維和聚合物（聚丙烯腈）纖維[11]對多孔混凝土力學(xué)性能的影響，以期獲得一個在不犧牲自身強度的前提下對孔隙率進(jìn)一步提升的工程效果，他的研究結(jié)果表明：纖維材料有助于提高多孔混凝土的抗壓強度，其中鋼纖維的效果最好，但是孔隙率一旦超過30%，增強效果就大打折扣，甚至?xí)荒軡M足工程強度的需要。還有國外學(xué)者為了探討鋼材料在多孔混凝土內(nèi)的抗碳化和耐腐蝕能力[12]，設(shè)計了普通鋼筋、鍍鋅鋼筋以及覆蓋水泥凈漿鋼筋三種形式進(jìn)行試驗研究，結(jié)果表明：鋼筋表面預(yù)處理能夠帶來耐久性的增強；采用表面覆蓋水泥凈漿的形式相對于普通鋼筋內(nèi)置可以提高耐腐蝕能力3倍以上。

由上面的分析可以看出，在多孔混凝土當(dāng)中，鋼纖維完美地延續(xù)了其在普通混凝土中優(yōu)異的增強增韌特質(zhì)，同時，我們可以采用在相對低的孔隙率（30%）狀態(tài)下使用鋼纖維和表面預(yù)處理鋼纖維的形式達(dá)到對多孔混凝土增強增韌最優(yōu)化的應(yīng)用效果。

3.4 新型纖維材料增強多孔混凝土

我國學(xué)者有將纖維素纖維摻入到多孔混凝土中進(jìn)行增強性能的研究[13]，發(fā)現(xiàn)纖維素纖維不會降低多孔混凝土的抗壓強度和透水能力，但是可以顯著地提高多孔混凝土抗折、抗拉強度。美國學(xué)者[14]將碳纖維摻入到透水混凝土中，并就其表面耐磨性能、抗壓、劈裂抗拉、抗碳化等性能進(jìn)行了一系列的試驗，發(fā)現(xiàn)碳纖維能較好地對多孔混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行改善、增強。

以上科研工作初步給我們展示了新型纖維材料可以同樣適用于多孔混凝土的增強增韌應(yīng)用的概念，但是這個過程中還有更多的性能有待進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，比如更多齡期的力學(xué)性能、耐久性等等，同時新型纖維的經(jīng)濟性能是否適合加入到多孔混凝土材料中，也值得我們做進(jìn)一步的探討。

4 總結(jié)與展望

多孔混凝土打破了傳統(tǒng)混凝土給人的認(rèn)知，為我國創(chuàng)建海綿城市帶來可能，可以讓我們城市達(dá)到人與自然和諧共處的境界，非常符合可持續(xù)發(fā)展觀的要求，也非常值得我們做進(jìn)一步的探索工作去大力研發(fā)并推廣應(yīng)用。從以上的總結(jié)和歸納中可以看出，適用于普通混凝土的增強增韌方法同樣也適用于多孔混凝土。針對以上國內(nèi)外對多孔混凝土增強增韌的方法做進(jìn)一步的總結(jié)，筆者提出以下展望供參考：

⑴聚合物、鋼纖維以及新型纖維材料對多孔混凝土增強都具有一定的實際效果，但是在其抵抗各種介質(zhì)的侵蝕性、經(jīng)濟性等方面有待做進(jìn)一步的試驗探索和工程研究，這些工作仍是我們后續(xù)需要繼續(xù)努力研究的一個方向。

⑵天然纖維屬于可再生資源，綠色環(huán)保，而且對于有些天然纖維來說，能就地取材的特質(zhì)非常適合作為我們混凝土用原材料。多孔混凝土的多孔結(jié)構(gòu)注定了其特殊的使用場合，我們應(yīng)該充分發(fā)揮天然纖維的經(jīng)濟性能和力學(xué)性能，對其在增強多孔混凝土中的應(yīng)用做進(jìn)一步的探索和研發(fā)，使得多孔混凝土的制備達(dá)到經(jīng)濟性和力學(xué)性能均優(yōu)異的工藝水平。

⑶多孔混凝土具有與周邊環(huán)境交流與溝通的特質(zhì)，是未來城市建設(shè)中非常需要的新型水泥基材料，但是其力學(xué)性能限制了其使用范疇，需要廣大科技工作者和工程技術(shù)人員加大對其性能增強的試驗探索，以獲得更廣泛的應(yīng)用前景?！?/p>

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湖南工學(xué)院科研項目（HY15004）；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（16C0429）