我國纖維聚合物混凝土的研究現(xiàn)狀*

江潤東，徐曉沐，毛繼澤，劉宗民**

（1.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

綜述與專論Summarization and Special Comment

我國纖維聚合物混凝土的研究現(xiàn)狀*

江潤東1，徐曉沐2**，毛繼澤1，劉宗民1**

（1.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040）

纖維聚合物混凝土具有高強度、高抗?jié)B性、抗沖擊、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點，其在復(fù)雜環(huán)境工程中的應(yīng)用越來越廣。綜述了纖維和聚合物對混凝土的改性機理，以及目前我國在纖維聚合物混凝土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并討論了我國纖維聚合物混凝土研究中的一些不足之處。

纖維聚合物混凝土；改性機理；研究現(xiàn)狀

引言

普通水泥混凝土因具有較高的抗壓強度，以及施工方便、成本低廉等優(yōu)點，使其成為實際工程中應(yīng)用最廣、用量最多的建筑材料。但由于混凝土自身脆性大，抗彎、抗折強度低，抗?jié)B、抗沖擊性能不足等缺點，致使其在實際應(yīng)用中也受到一些限制[1]。為提高混凝土的韌性，抗彎、抗折強度，抗?jié)B、抗沖擊性能等，在實際工程應(yīng)用中往往加入纖維和聚合物乳液。單摻纖維雖然可以提高其抗折強度及韌性，但纖維與基體間的過渡區(qū)存在明顯的缺陷，致使試樣在破壞時，多數(shù)纖維被拔出,說明纖維的強度沒有被全部利用[2,3]。單摻聚合物乳液可以改善其折壓比、彎曲韌性及抗沖擊性能，但聚合物乳液價格昂貴，用量過高會使其性價比優(yōu)勢不明顯，大量研究表明：復(fù)摻纖維和聚合物乳液對混凝土抗沖擊性、耐磨、抗彎折的改善效果明顯優(yōu)于兩者的單摻效果[4～6]。

纖維聚合物混凝土是以聚合物作為膠粘材料，無機礦物為骨料，摻入適量的纖維、填料及稀釋劑等材料，通過聚合作用固化而成的一種纖維增強復(fù)合膠凝體材料[7]。與普通混凝土相比，這種材料具有高強度、高抗?jié)B性、抗沖擊、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點。

本文綜述了纖維和聚合物對混凝土的改性機理，以及目前我國在纖維聚合物混凝土領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并討論了我國纖維聚合物混凝土研究中的一些不足之處。

1 纖維和聚合物對混凝土的改性機理

1.1 纖維對混凝土的改性機理

自纖維增強混凝土問世后，諸多研究者對其改性機理進行了研究，目前爭議較少，且能比較準確反映纖維增強的機理有兩種，一種是復(fù)合材料理論，另一種是纖維間距理論，又稱纖維阻裂機理[8,9]。

（1）復(fù)合材料理論，該理論認為混凝土基體為各向同性均質(zhì)材料，纖維在混凝土中是沿受力方向均勻平行排列，并且認為纖維與混凝土基體變形協(xié)調(diào)一致，無相對滑移和錯動，纖維和混凝土可以共同承擔荷載，從而起到增強作用。

（2）纖維間距理論，該理論建立在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，認為在復(fù)合材料形成和破壞的過程中，纖維的加入可以有效地提高復(fù)合材料受力前后阻止裂縫引發(fā)與擴展的能力，達到纖維對混凝土增強與增韌的目的。

1.2 聚合物對混凝土的改性機理

由于研究所用的聚合物品種、摻量和研究方法的不同，得出的結(jié)論也有所不同，相應(yīng)的改性機理也有所不同。目前比較一致的看法是聚合物具有減孔作用、阻裂作用以及增韌作用[10～12]。

（1）聚合物的減孔作用，一方面聚合物作為塑化劑加入可大大降低水泥漿體在實際制備過程中的用水量，因此可有效減少這些多余水分形成的孔隙、孔洞。另一方面，聚合物本身具有很好的可塑性，它可以較容易地填充在一些無機基體的空隙中，起到填充、封閉孔隙的作用。

（2）聚合物的阻裂作用，聚合物通過兩個途徑起到阻裂的作用，一是聚合物封堵了混凝土中的孔隙，降低了水分蒸發(fā)的速度和數(shù)量；二是聚合物的加入，使混凝土內(nèi)部的裂縫上必然有一部分聚合物橫跨在裂縫上，阻止裂縫的進一步擴展。

（3）聚合物的增韌作用，該作用是由于聚合物在水泥漿體與骨料間形成高黏結(jié)力、高韌性的膜，有效改善了界面過渡區(qū)[13]，界面間由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?，提高界面黏結(jié)性能，使其韌性得到加強。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 鋼纖維聚合物混凝土

唐瑞，等[14]利用鋼纖維增韌阻裂和超吸水聚合物自養(yǎng)護的作用，以高吸水樹脂和粉煤灰等材料制備了鋼纖維超吸水聚合物混凝土。通過正交試驗，研究粉煤灰、超吸水聚合物、鋼纖維對混凝土28d在干養(yǎng)和標養(yǎng)條件下抗壓強度的影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，在干養(yǎng)條件下復(fù)摻鋼纖維、超吸水聚合物能有效提高混凝土的抗劈裂和抗沖耐磨性能。

鄭順潮，等[15,16]采用理論推導(dǎo)與實驗研究相結(jié)合的方法，對實際工程上應(yīng)用的鋼纖維聚合物高強混凝土的溫度疲勞性能進行了研究，并與C60混凝土的溫度疲勞性能進行了對比。結(jié)果表明，理論計算可以有效地得出鋼纖維聚合物高強混凝土的疲勞壽命和疲勞極限，其抗疲勞性能較C60混凝土有了大幅度的提高。

張偉[17]從理論和試驗兩個角度分析鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力傳遞與增強機理。首先采用數(shù)字光彈性實驗分析鋼纖維界面的殘余應(yīng)力，得出直線形和彎鉤形鋼纖維聚合物混凝土的界面應(yīng)力最大值出現(xiàn)在埋入端位置的結(jié)論，其次進行了以鋼纖維長徑比和摻量為變量的力學(xué)試驗，結(jié)果表明，當鋼纖維的長徑比為定值時，聚合物混凝土的力學(xué)強度與鋼纖維的摻量成正比關(guān)系；當鋼纖維的摻量為定值時，聚合物混凝土的力學(xué)強度與鋼纖維的長徑比成反比關(guān)系。

胡若鄰，等[18]采用壓痕形鋼纖維和丁苯乳膠對混凝土進行改性，制備出鋼纖維增強聚合物改性高強混凝土?；谶吔缧?yīng)模型，采用不同邊界條件對其進行斷裂韌性試驗。試驗結(jié)果表明，混凝土抗壓、抗拉強度及失穩(wěn)斷裂韌性與鋼纖維含量和聚合物含量成正比關(guān)系；起裂斷裂韌性與鋼纖維含量無明顯關(guān)系。

羅立峰[19]采用改進的霍普金森壓桿裝置對普通混凝土、鋼纖維混凝土和鋼纖維增強聚合物改性混凝土進行了沖擊試驗，分析得出鋼纖維增強聚合物改性混凝土的抗沖擊性能最好，鋼纖維混凝土次之，普通混凝土最差。

劉敬福，等[20]對鋼纖維增強聚合物樹脂混凝土的力學(xué)性能進行了研究，得出鋼纖維含量與偶聯(lián)劑對鋼纖維增強聚合物樹脂混凝土強度的影響規(guī)律，即樹脂混凝土中加入鋼纖維可提高抗剪、抗壓、抗彎強度，韌性、耐磨性也有所提高。同時加入偶聯(lián)劑，鋼纖維增強聚合物樹脂混凝土力學(xué)性能進一步提高。

譚茶生，等[21]采用改性羧基丁苯乳膠和齊魯石化乳膠對鋼纖維混凝土進行改性，測試不同配比下纖維聚合物混凝土的抗折、抗壓、劈裂抗拉強度。試驗結(jié)果表明，乳膠的摻入，可以顯著提高鋼纖維混凝土的抗折、劈裂抗拉強度等性能。乳膠對其改性機理是它的加入能夠改善纖維表面與水泥砂漿基體性能，增加纖維與基體之間的界面粘結(jié)強度，使界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)致密，從而提高其抗折和劈裂抗拉性能。

高建明，等[22]為了研究聚合物乳液對纖維增強輕集料混凝土力學(xué)性能的影響，制備了纖維增強聚合物輕集料混凝土。以聚灰比和纖維種類為變量設(shè)計了12組試件，對其進行抗壓、抗折、劈裂抗拉試驗。試驗結(jié)果表明，摻入聚合物乳液雖然在一定程度上降低了抗壓強度,但可以顯著提高輕集料混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度。聚合物乳液的摻入可以有效提高纖維增強輕集料混凝土的韌性，韌度系數(shù)最高可提高32倍，同時借助SEM觀察發(fā)現(xiàn)，鋼纖維增強聚合物輕集料混凝土的界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)致密，聚乙烯纖維增強聚合物輕集料混凝土的界面過渡區(qū)仍存在一定的間隙，上述差別使得聚合物乳液對聚乙烯纖維增強輕集料混凝土的改性效果不及對鋼纖維增強輕集料混凝土的改性效果明顯。

2.2 玄武巖纖維聚合物混凝土

許金余，等[23～25]建立了玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土的型非線性黏彈性本構(gòu)模型，并通過試驗驗證了模型的正確性，采用Φ100mm分離式霍普金森壓桿裝置對玄武巖纖維普通硅酸鹽混凝土和不同基體強度的玄武巖纖維聚合物混凝土進行了沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維普通硅酸鹽混凝土與玄武巖纖維聚合物混凝土的強度和韌性隨應(yīng)變率的增加而提高；玄武巖纖維對于普通硅酸鹽混凝土的增強效果優(yōu)于聚合物混凝土，當纖維摻量為0.1%時，纖維對于普通硅酸鹽混凝土的增強和增韌效果相對較好；當纖維摻量為0.3%時，纖維對于聚合物混凝土的增韌效果相對較好；隨著基體強度的增加，玄武巖纖維聚合物混凝土在沖擊荷載作用下的變形能力降低，體積摻量為0.2%的玄武巖纖維聚合物混凝土的變形能力最好。

于英華，等[26,27]應(yīng)用損傷力學(xué)理論建立了玄武巖纖維樹脂混凝土的單軸抗壓本構(gòu)模型，對玄武巖纖維樹脂混凝土進行了單軸抗壓試驗，獲得了玄武巖纖維樹脂混凝土的準靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，模型曲線與試驗曲線吻合良好，證明所建立的本構(gòu)模型可以較好地描述玄武巖纖維樹脂混凝土的單軸抗壓的力學(xué)行為。同時為了研究玄武巖纖維對樹脂混凝土的改性效果，進行了玄武巖纖維樹脂混凝土和樹脂混凝土抗壓、劈裂抗拉的對比試驗。試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維樹脂混凝土較樹脂混凝土的抗壓強度提高了，劈裂抗拉強度高了。

劉全慶，等[28]通過混凝土電通量試驗，研究了不同摻量玄武巖纖維、丁苯乳液聚合物及兩者復(fù)摻對混凝土抗氯離子滲透性能的影響。試驗結(jié)果表明，單摻玄武巖纖維和丁苯乳液聚合物時，隨著摻量的增加，混凝土的氯離子滲透性能均呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢，二者復(fù)摻對混凝土抗氯離子滲透性能的改善效果優(yōu)于二者單摻的改善效果。當玄武巖纖維摻量為2.5kg/m3、丁苯乳液聚合物摻量為10%時，混凝土抗氯離子滲透性能最好。

李為民，等[29]為了研究玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土的高應(yīng)變率力學(xué)行為，采用Φ100mm分離式霍普金森壓桿裝置系統(tǒng)對玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土進行沖擊試驗以及按照GB/T50081-2002[30]進行準靜態(tài)力學(xué)性能試驗，結(jié)果與未摻玄武巖纖維的地質(zhì)聚合物混凝土進行比較。對比發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維對抗壓強度無明顯改善效果，韌性顯著提高，同時，玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土的強度、變形及能量吸收特性均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率相關(guān)性。

2.3 碳纖維聚合物混凝土

羅鑫，等[31]以礦渣與粉煤灰作為原材料，液體硅酸鈉與氫氧化鈉作為堿激發(fā)劑，配制纖維體積摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%的玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土和碳纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土，采用Φ100mm霍普金森壓桿試驗裝置測試了兩種材料3d、7d的沖擊力學(xué)性能，結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土的早期動態(tài)強度特性優(yōu)于碳纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土；隨著應(yīng)變率的增加，玄武巖纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土相對于碳纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土在吸收沖擊能上的優(yōu)勢越明顯。

范飛林，等[32]以礦渣和粉煤灰為原料、水玻璃和氫氧化鈉為堿激發(fā)劑、玄武巖纖維和碳纖維為增強材料，制備纖維增強混凝土。試件尺寸為150mm×150mm×150mm，采用壓力試驗機測試其抗壓強度。試驗結(jié)果表明，碳纖維對聚合物混凝土的增強效果優(yōu)于玄武巖纖維，碳纖維和玄武巖纖維對素混凝土沒有起到增強作用。

許金余，等[33,34]采用Φ100mm分離式霍普金森壓桿試驗裝置，研究了不同摻量碳纖維聚合物混凝土在不同應(yīng)變率下的沖擊壓縮強度與能量吸收的應(yīng)變率效應(yīng)、以及碳纖維摻量對碳纖維聚合物混凝土強度與吸能特性的影響。同時對比研究了碳纖維、玄武巖纖維對聚合物混凝土動態(tài)力學(xué)性能的改善效果。試驗結(jié)果表明，纖維增強聚合物混凝土屬于應(yīng)變率敏感材料，其沖擊壓縮強度與能量吸收特性均表現(xiàn)出近似的應(yīng)變率線性相關(guān)性；碳纖維對聚合物混凝土動態(tài)力學(xué)性能的改善效果優(yōu)于玄武巖纖維，當碳纖維體積產(chǎn)量為0.2%時，改善效果最佳。

2.4 合成纖維聚合物混凝土

陳文，等[35,36]選用玄武巖、聚丙烯腈纖維和改性瀝青作為原材料,設(shè)計并制備了高性能瀝青混凝土，使用旋轉(zhuǎn)壓實儀對其壓實成型，對其進行體積性能試驗、高溫穩(wěn)定性試驗和水敏感性試驗。試驗結(jié)果表明，聚合物纖維可以改善瀝青混凝土的路用性能，在使用纖維作為改性劑后,混合料的動穩(wěn)定度、劈裂強度等指標均有不同程度的提高。

閆煥英[37]為了研究聚合物乳液的摻入對單摻以及復(fù)摻纖維增強輕集料混凝土的抗壓強度、抗折強度、彈性模量與沖擊韌性的影響規(guī)律，以聚合物含量、纖維種類和纖維含量為變量設(shè)計出20組試驗構(gòu)件，對其進行力學(xué)試驗和抗沖擊試驗。試驗結(jié)果表明，加入聚合物乳液雖在一定程度上降低了輕集料混凝土抗壓強度及彈性模量，但可以顯著提高其抗折強度；聚合物乳液的加入也可以提高纖維增強輕集料混凝土的韌性、降低其脆性，沖擊韌性增強近3倍。

倉定仲，等[38]通過檢測聚合物纖維修復(fù)混凝土的抗壓強度、劈拉強度，研究了聚丙烯纖維、UEA膨脹劑、MA改性劑聚合物乳液同時摻入時對混凝土抗壓強度、劈拉強度等力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明UEA膨脹劑可以使混凝土后期強度有所提高，聚丙烯纖維的摻入極大地改善了混凝土塑性性能。

郭麗萍，等[39]發(fā)明了一種纖維和聚合物復(fù)合增韌混凝土，混凝土基本原材料為粗集料、細集料、硅酸鹽水泥、粉煤灰、聚羧酸減水劑，另外還添加有聚乙烯醇纖維和聚合物。聚合物的加入可以抑制微裂紋的萌生,減緩應(yīng)力集中，同時改善了纖維-水泥基體和骨料-水泥基體間的界面結(jié)構(gòu)，使纖維在拔出過程中需要克服更大的粘結(jié)力，從而得到高強度、高韌性、高抗裂性的復(fù)合水泥基材料。該種材料可以廣泛用于土木工程、公路、橋梁等建筑領(lǐng)域。

曾海燕，等[40]研究了呋喃聚合物混凝土中摻入不同體積含量的杜拉纖維后，其抗壓強度、抗折強度及劈裂抗拉強度的變化，確定了杜拉纖維的最佳摻量，其中杜拉纖維的材料為聚丙烯。結(jié)果表明，杜拉纖維的最佳摻量推薦采用0.7～0.9kg/m3。纖維摻量太少，增強作用不明顯；摻量太多，不易分布均勻及形成空隙。杜拉纖維的加入對提高混凝土的抗壓強度影響不大，其劈裂抗拉強度最高提升了15.5%，抗折強度最高提升了14.4%。

薛剛，等[41]研究了不同水膠比下普通混凝土、橡膠混凝土、塑鋼纖維橡膠混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度、抗折強度等力學(xué)性能。研究表明，摻入橡膠顆粒后，混凝土強度有所降低；摻入塑鋼纖維后，橡膠混凝土的抗壓強度得到提高；相同水膠比下，塑鋼纖維對橡膠混凝土的抗折強度和抗拉強度的提高作用明顯。

高丹盈，等[42]通過聚酯纖維瀝青混凝土小梁的彎曲蠕變試驗，研究纖維體積率和長徑比對瀝青混凝土黏彈性力學(xué)模型參數(shù)及黏彈性能的影響。結(jié)果表明，纖維含量特征參數(shù)能綜合反映纖維體積率和長徑比的影響，隨纖維體積率和長徑比的增大，纖維對瀝青混凝土彎曲蠕變變形的約束能力先增強后減弱，聚酯纖維瀝青混凝土的最佳纖維體積率為0.35%。

2.5 其他纖維聚合物混凝土

任韋波，等[43]以礦渣和粉煤灰為主要原料，制備了陶瓷纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土，為了研究陶瓷纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土強度、波速、頻譜特征以及溫度裂縫的變化規(guī)律，以溫度、纖維摻量為變量，進行了抗壓強度試驗、超聲波測試和裂縫寬度檢測。試驗結(jié)果表明，高溫后陶瓷纖維增強地質(zhì)聚合物混凝土抗壓強度降低，縱波波速和聲阻抗減小，溫度裂縫寬度增大；纖維體積摻量為0.3%時，陶瓷纖維對地質(zhì)聚合物混凝土的高溫性能具有良好的改善效果。

白文峰，等[44]采用玻璃纖維來增強聚合物混凝土，并通過一組正交試驗測定了不同配比玻璃纖維增強聚合物混凝土試樣的抗壓強度。結(jié)果表明，玻璃纖維長度和玻璃纖維用量對材料的抗壓強度影響較大，隨它們的增加抗壓強度先增加后減??；環(huán)氧樹脂用量、增韌劑用量和骨料級配的影響相對較??；玻璃纖維長度為20mm時，增強效果最佳。

曾夢瀾，等[45]采用變截面分離式霍普金森壓桿試驗裝置對普通瀝青混凝土、玻璃纖維瀝青混凝土、木質(zhì)素纖維瀝青混凝土和3個摻量的聚酯纖維瀝青混凝土進行了3種應(yīng)變率的沖擊壓縮試驗研究。試驗結(jié)果表明，纖維瀝青混凝土動力抗壓強度及韌性指標增長率隨應(yīng)變率提高有遞減趨勢，聚酯纖維摻量為0.2%的瀝青混凝土動力抗壓強度及韌性最佳。

3 結(jié)語

纖維聚合物混凝土具有高強度、高抗?jié)B性、抗沖擊、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點，在復(fù)雜環(huán)境工程中的應(yīng)用越來越廣。關(guān)于纖維聚合物混凝土的研究，學(xué)者從纖維種類、纖維摻量、聚合物種類、聚合物摻量等方面入手，對其進行了試驗和分析。但針對纖維聚合物混凝土的研究，還有一些尚待改善之處：

（1）國內(nèi)學(xué)者對纖維聚合物混凝土的研究往往停留在材料宏觀的力學(xué)性能方面，應(yīng)加強纖維聚合物混凝土在微觀結(jié)構(gòu)和改性機理方面的研究。

（2）纖維聚合物混凝土的制備均在實驗室中完成，但施工現(xiàn)場不同于實驗室，聚合物黏度大，硬化速度較快以及纖維不易分散均勻都是纖維聚合物混凝土在現(xiàn)場施工中面臨的問題。

（3）纖維聚合物混凝土具有優(yōu)異的力學(xué)特性，尤其在復(fù)雜環(huán)境中這些特性就體現(xiàn)得更加明顯。但在實際工程中，多以試驗指標來指導(dǎo)纖維聚合物混凝土的工程應(yīng)用。目前我國缺乏纖維聚合物混凝土的行業(yè)標準與規(guī)范，隨著纖維聚合物混凝土的不斷發(fā)展與應(yīng)用，我國纖維聚合物混凝土材料的標準化工作任重而道遠。

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Research Status of Fiber Polymer Concrete in China

JIANG Run-dong1,XU Xiao-mu2,MAO Ji-ze1and LIU Zong-min1
（1.College of Aerospace and Civil Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China）

Fiber polymer concrete has the advantages of high strength,high impermeability,impact resistance,corrosion resistance,abrasion resistance and so on,which is more and more widely used in complex environment engineering.The modification mechanism of fiber and polymer on concrete,and the current research status of fiber polymer concrete in China were described in this paper.Meanwhile,some deficiencies in the research of fiber polymer concrete in China were discussed.

Fiber polymer concrete;modification mechanism;research status

TU528.572

A

1001-0017（2017）03-0205-05

2017-01-13 *基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（編號：E201415）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目（編號：HEUCF160207）。

江潤東（1993-），男，內(nèi)蒙古扎蘭屯人，在讀碩士研究生，從事混凝土耐久性方面的研究。

**通訊聯(lián)系人：徐曉沐（1976-），女，高級工程師，碩士，主要從事高分子材料方面的研究，E-mail:xuxm3@sina.com.cn。劉宗民（1976-），男，副教授，博士，主要從事新型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析研究，E-mail:liuzongmin@hrbeu.edu.cn。