纖維混凝土耐久性能研究綜述

黃永根

陜西建工第十一建設(shè)集團(tuán)有限公司 陜西 咸陽 712000

纖維混凝土內(nèi)組分主要有水泥漿、砂漿、粗骨料，纖維作為增強(qiáng)材料分布在混凝土基體中。纖維可以控制混凝土基體內(nèi)裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展，從而提高抗裂和抗?jié)B性能，而且抗彎、抗拉和抗壓性能均優(yōu)于普通混凝土，因此纖維混凝土在土木建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用的高潮正在到來，而其耐久性必然是研究的熱點(diǎn)之一。本文主要綜述了纖維混凝土抗碳化性能、抗凍性能、抗氯離子性能和抗?jié)B性能等方面的耐久性研究，并進(jìn)一步提出纖維混凝土耐久性的研究方向。

1 纖維混凝土的抗碳化性能

程云虹等[1]研究表明，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的碳化深度最大，纖維混凝土的碳化深度比普通混凝土小；鋼纖維混凝土、耐堿玻璃纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的碳化深度與普通混凝土相比，分別減少了25%、32%、33%。王艷等[2]研究表明，碳化加速了酸雨侵蝕下混凝土的溶蝕，摻入適量的鋼纖維可提高混凝土的抗侵蝕能力，并且降低混凝土中性化的速度，當(dāng)纖維體積摻量在0%～2.0%之間變化時(shí)，混凝土抗碳化性能以鋼纖維體積摻量為1.5%最優(yōu)。朱海堂等[3]測(cè)試了不同碳化時(shí)間的混凝土和鋼纖維混凝土的力學(xué)性能以及碳化深度，研究了鋼纖維混凝土碳化性能的增強(qiáng)機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳化時(shí)間的增加，鋼纖維混凝土的碳化深度增大，而隨鋼纖維體積率和強(qiáng)度等級(jí)的增大，鋼纖維混凝土的碳化深度減小，鋼纖維混凝土相比于普通混凝土具有較高的抗碳化能力。

元成方等[4]通過對(duì)經(jīng)過高溫試驗(yàn)后的聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行碳化試驗(yàn)，研究表明適中的聚丙烯纖維摻量對(duì)混凝土的抗碳化能力有很好的改善效果，但是在400～600 ℃時(shí)，混凝土高溫?fù)p傷加劇，混凝土的抗碳化性能降低，隨著溫度的繼續(xù)升高，纖維摻量對(duì)混凝土的抗碳化性能的差異性影響很小。苗元耀[5]研究了水膠比以及纖維摻量對(duì)碳化深度的影響，研究表明鋼纖維混凝土的碳化深度隨著水膠比的增大而增大；混凝土中摻入鋼纖維，改善了混凝土機(jī)體的微觀孔結(jié)構(gòu)，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，提高了混凝土的抗碳化性能。

郭艷華等[6]的研究表明，混凝土基材中加入鋼纖維，可以限制混凝土中微裂縫的發(fā)展，提高混凝土基體的密實(shí)度，抑制CO2在混凝土中的滲透，提高混凝土的抗碳化能力，苗元耀的研究也得出類似結(jié)果。黃守輝等[7]等通過快速碳化試驗(yàn)研究表明，玻璃纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的碳化深度相比于基準(zhǔn)混凝土降低幅度很大，聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗碳化的改善效果優(yōu)于玻璃纖維，而鋼纖維對(duì)混凝土的碳化深度接近基準(zhǔn)混凝土。Mahyuddin Ramli等[8]在混凝土中加入椰子纖維研究其耐久性能，研究表明碳化深度隨纖維含量的增加而增大，碳化向內(nèi)傳播的速率與暴露時(shí)間的平方根成正比關(guān)系。

2 纖維混凝土的抗凍性能

蔡迎春等[9]分別在混凝土中摻加改性聚丙烯仿鋼絲纖維和聚丙烯混雜纖維進(jìn)行試驗(yàn)，單摻粗纖維或粗細(xì)混雜纖維對(duì)混凝土的抗凍性能有很好的改善效果；混凝土中摻入纖維后，動(dòng)彈性模量和相對(duì)動(dòng)彈性模量相對(duì)于質(zhì)量損失增加的更加明顯。單摻粗纖維時(shí)，混凝土破壞時(shí)的凍融循環(huán)壽命最大可達(dá)140次，而摻加相同質(zhì)量粗細(xì)混雜纖維的混凝土的壽命最大可達(dá)185次，通過比較得出，摻加混雜纖維的混凝土抗凍性能的改善效果優(yōu)于單摻纖維。陳愛玖等[10]通過正交試驗(yàn)研究表明，鋼纖維在混凝土內(nèi)部雜亂的分布，形成三維網(wǎng)格，有效地阻礙了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，同時(shí)，抑制了混凝土在振動(dòng)成型過程中氣泡的溢出?；炷粱w中含氣量增大但增幅較小，減小了凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力。霍俊芳[11]通過試驗(yàn)研究表明，在混凝土中加入混合纖維后，對(duì)輕骨料混凝土凍融后的強(qiáng)度損失有一定的改善作用。硅灰和粉煤灰摻入混合纖維輕骨料混凝土，很好地改善了界面過渡區(qū)，抗凍融性能提高明顯。硅灰摻入使水化充分，界面上有大量凝膠產(chǎn)物與纖維交織成致密網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，很好地消減了凍融循環(huán)過程中的應(yīng)力。

馬保國(guó)等[12]采用快凍法研究了聚合物粗纖維混凝土100次凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失、動(dòng)彈性模量變化和抗彎性能。研究結(jié)果表明，聚合物粗纖維可有效提高混凝土抗凍性能，而且還發(fā)現(xiàn)，凍融后的聚合物粗纖維混凝土和未凍融混凝土均具有獨(dú)特的“撓度回彈”特性，可以在混凝土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)自行恢復(fù)，提高結(jié)構(gòu)的安全耐久性。杜向琴等[13]研究表明，在凍融循環(huán)條件下，隨著鋼纖維體積摻量的增加，混凝土抗凍性提高，當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.6%時(shí)，混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)動(dòng)彈性模量損失僅為素混凝土的一半。

孫家瑛[14]研究結(jié)果表明，混凝土中摻加聚丙烯纖維和植物纖維后，混凝土的抗凍性能均得到提升，而且植物纖維混凝土抗凍性能的提升優(yōu)于聚丙烯纖維混凝土，此外，摻0.9 kg/m3植物纖維混凝土的平均孔徑明顯小于未摻纖維和摻0.6 kg/m3聚丙烯纖維混凝土，這種孔結(jié)構(gòu)有可能降低混凝土的冰點(diǎn)，從而改善混凝土的抗凍性。余紅發(fā)等[15]研究表明，在水凍條件下，在混凝土中摻入2%的鋼纖維，凍融壽命延長(zhǎng)了31%，而把體積摻量為0.1%高強(qiáng)高模聚乙烯纖維摻入混凝土后，反而削弱了高性能混凝土的抗凍性能，與基準(zhǔn)混凝土相比凍融壽命降低了40%。蔣喆[16]研究表明，在凍融試驗(yàn)初期，玄武巖纖維對(duì)沙漠砂混凝土的抗凍性能影響較小，相對(duì)動(dòng)彈性模量降幅很小，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)逐漸增加時(shí)，玄武巖纖維顯現(xiàn)出改善抗凍性能的優(yōu)越性。

3 纖維混凝土的抗氯離子性能

黃琪等[17]在碳化環(huán)境下對(duì)普通混凝土、玻璃纖維增強(qiáng)混凝土、玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土進(jìn)行氯離子滲透試驗(yàn)。結(jié)果分析表明，碳化反應(yīng)改善了混凝土抗氯離子滲透性能；碳化過程中摻入纖維可以改善混凝土的孔徑分布，使其微觀結(jié)構(gòu)更加致密，玻璃纖維與玄武巖纖維都能夠提高混凝土的抗氯離子滲透性能。周靜海等[18]采用長(zhǎng)期浸泡法對(duì)廢棄纖維再生混凝土中摻入不同纖維體積和不同纖維長(zhǎng)度的抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為19 mm，體積摻量為0.16%時(shí)，廢棄纖維再生混凝土的抗氯離子滲透性最優(yōu)。張琦等[19]對(duì)在經(jīng)過100～700 ℃高溫作用后的混凝土抗氯離子進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過摻入聚丙烯纖維的C80高強(qiáng)混凝土和素混凝土對(duì)比分析，得出當(dāng)作用溫度在100～200 ℃時(shí)，摻入聚丙烯纖維會(huì)減小高強(qiáng)混凝土的抗氯離子能力，作用溫度在300～400 ℃時(shí)會(huì)提高抗氯離子能力，其余溫度下影響不大。

張君等[20]研究結(jié)果表明，干濕循環(huán)條件下，鋼纖維混凝土氯離子侵蝕現(xiàn)象更加明顯，干濕循環(huán)10次后其裂縫處氯離子含量能達(dá)到連續(xù)浸泡后的3倍左右。高延性低收縮材料的抗氯離子侵蝕性能在連續(xù)浸泡和干濕循環(huán)環(huán)境中優(yōu)于鋼纖維混凝土，干濕循環(huán)環(huán)境中更突出。王晨飛[21]研究結(jié)果表明，適量的聚丙烯纖維可提高混凝土的抗氯離子能力，在干濕交替和長(zhǎng)期浸泡作用下混凝土中氯離子峰值含量差異不大，但是長(zhǎng)期浸泡作用下混凝土中氯離子峰值出現(xiàn)于混凝土表面，而干濕交替作用下混凝土中氯離子峰值距離表面有一定的深度。李晗等[22]研究結(jié)果表明，隨鋼纖維、SiO2、CaCO3摻量增加，各齡期纖維納米混凝土抗氯離子能力呈增大趨勢(shì)，隨混凝土基體強(qiáng)度降低，各齡期混凝土抗氯離子能力逐漸降低，將適量的纖維和納米礦粉摻入混凝土中，對(duì)混凝土的抗氯離子性能提升效果顯著。張俊芝等[23]通過研究表明，單摻粉煤灰、火成巖纖維時(shí)混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時(shí)間衰減系數(shù)均增大，對(duì)氯離子擴(kuò)散性能的衰減影響明顯。Morteza等[24]研究表明，玻璃纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維的摻量與混凝土抗氯離子性能成反比關(guān)系，當(dāng)僅有玻璃纖維摻量為0.15%時(shí)，抗氯離子性能得到了提高，其余摻量下均降低其性能。Ramezanianpour等[25]通過快速氯離子滲透試驗(yàn)研究表明，聚丙烯纖維混凝土的庫(kù)倫值明顯小于普通混凝土，即聚丙烯纖維混凝土提高了混凝土抗氯離子性能，原因可能是纖維混凝土內(nèi)部有著較小的毛細(xì)孔隙率。

4 纖維混凝土的抗?jié)B性能

Kakooei等[26]通過四電極法來測(cè)量纖維混凝土的滲透性，結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增大，混凝土的抗?jié)B能力整體上是增大的，而且比素混凝土的抗?jié)B能力都要好，摻量為2 kg/m3時(shí)性能最佳。Zhang等[27]研究結(jié)果表明，聚丙烯纖維的摻量對(duì)混凝土滲透性的影響是顯著的，當(dāng)摻量從0%增加到0.12%時(shí)，滲透水的長(zhǎng)度從8.7 mm降到7 mm。纖維均勻地分布在混凝土中使其形成一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，減少了基體中的滲流通道，改善了混凝土抗?jié)B性能。董如夢(mèng)[28]采用BY-HS168智能型混凝土抗?jié)B儀測(cè)試噴射纖維混凝土的滲透性，結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，噴射聚丙烯纖維混凝土的滲透高度下降，即纖維摻量的增加提高了混凝土的抗?jié)B性，滲透高度在纖維摻量為0.9 kg/m3之前急劇下降，之后降低幅度較小，得到噴射混凝土聚丙烯纖維最優(yōu)摻量為0.9 kg/m3。Ramezanianpour等[25]研究結(jié)果表明，隨著纖維摻量的增加，混凝土的滲透性先減小后增大，當(dāng)纖維摻量為0.7 kg/m3時(shí)抗?jié)B能力最好，抗?jié)B能力相較于素混凝土提高了約30%。

5 展望

綜上所述，影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的因素很多，我們要在標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法下對(duì)纖維混凝土在單因素作用下的耐久性能進(jìn)行更深層次的研究，然后開展纖維混凝土多因素耦合作用下的耐久性研究，如凍融-碳化耦合試驗(yàn)、硫酸鹽-干濕循環(huán)耦合試驗(yàn)等。此外，實(shí)際工程中的混凝土結(jié)構(gòu)往往處于受力狀態(tài)下，這就要求我們還要進(jìn)行環(huán)境與結(jié)構(gòu)荷載耦合下的耐久性研究，如凍融-彎曲應(yīng)力-碳化耦合試驗(yàn)、凍融-彎曲應(yīng)力-氯離子耦合試驗(yàn)、彎曲應(yīng)力-氯離子-硝酸耦合試驗(yàn)等。

混凝土中摻入2種甚至2種以上纖維得到的混雜纖維混凝土，目前還處在理論研究階段，有關(guān)其耐久性能研究相對(duì)較少。因此，纖維混凝土的耐久性研究應(yīng)首先對(duì)單因素作用進(jìn)行深化研究，進(jìn)一步探索耐久性損傷機(jī)理，然后開展環(huán)境和荷載多因素耦合作用下的耐久性研究。此外，還應(yīng)開展混雜纖維混凝土的耐久性試驗(yàn)研究，研究混雜纖維的種類、比例、摻量等對(duì)混凝土在不同侵蝕環(huán)境下耐久性能的提升作用。

因此，纖維混凝土耐久性問題需要大量的試驗(yàn)研究和理論分析來驗(yàn)證，任重而道遠(yuǎn)。