纖維混凝土耐久性能研究綜述

汪一林 楊鼎宜 金意 孫博偉 鄒新興 陳露

摘要：綜述了國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于纖維混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀，分析結(jié)果表明：纖維在混凝土中的摻加，可以有效的改善混凝土的抗碳化性能、抗?jié)B透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能以及抗凍性能；纖維長(zhǎng)度、纖維摻量、纖維摻加方式、混凝土所處的環(huán)境溫度均能影響纖維混凝土的耐久性能；纖維長(zhǎng)度和纖維摻量對(duì)混凝土耐久性的影響呈現(xiàn)正態(tài)分布變化特征；摻加混雜纖維的混凝土比摻加單一纖維的混凝土耐久性能更好。

關(guān)鍵詞：纖維混凝土；抗碳化；抗?jié)B透；抗硫酸鹽侵蝕；抗凍

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

混凝土是如今世界上用途最廣、用量最大的人造土木工程材料，具有原材料來(lái)源豐富，造價(jià)低廉，抗壓強(qiáng)度高，耐久性、耐火性良好等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著將來(lái)的建筑向高層、大跨發(fā)展，以及人類(lèi)建筑活動(dòng)向地下和海洋的進(jìn)軍，傳統(tǒng)混凝土的性能已經(jīng)不再適用要求。混凝土今后的發(fā)展方向是：快硬、高強(qiáng)、輕質(zhì)、高耐久性、多功能、節(jié)能[1]。在這個(gè)背景下，纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)運(yùn)而生。

混凝土中摻雜纖維主要從以下兩個(gè)方面改善混凝土物理力學(xué)性能。第一，纖維能與混凝土共同承受外力。當(dāng)混凝土受力出現(xiàn)裂紋后，裂紋之間的纖維能繼續(xù)承受外力，從而提高混凝土的強(qiáng)度；第二，在混凝土硬化收縮時(shí)，纖維能有效抑制混凝土中微裂紋的發(fā)展和產(chǎn)生，從而增強(qiáng)混凝土的抗裂和抗?jié)B性能。

總而言之，混凝土中摻雜纖維既能改善混凝土受力時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變特性[4]，又能在混凝土硬化過(guò)程中影響其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

目前，研究和應(yīng)用較多的合成纖維有：聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺類(lèi)、芳族聚酰胺、聚酯類(lèi)和碳纖維，玻璃纖維，玄武巖纖維等。這些合成纖維對(duì)于混凝土力學(xué)性能，耐久性能的改善方面各有所長(zhǎng)。

1.纖維混凝土抗?jié)B透性能

尚剛等[5]采用水壓力滲透法，研究了鋼纖維的摻量對(duì)于高性能混凝土抗?jié)B透性能的影響，研究結(jié)果表明，摻加少量的鋼纖維時(shí)，就能夠明顯地提高高性能混凝土的抗?jié)B透能力。

陳歆等[6]針對(duì)玄武巖纖維和橡膠粉均會(huì)降低混凝土耐久性的問(wèn)題，展開(kāi)了不同摻量的玄武巖纖維和橡膠粉對(duì)于混凝土抗?jié)B透性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖纖維與橡膠粉合理復(fù)摻時(shí)，能消除彼此對(duì)混凝土耐久性的不利影響。

黃琪等[7]通過(guò)氯離子滲透實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了普通混凝土、玻璃纖維混凝土和玄武巖纖維混凝土的碳化周期、碳化深度及孔隙度的變化，研究了碳化周期與纖維摻入對(duì)于混凝土抗?jié)B透性能的影響，結(jié)果表明，摻加上述兩種纖維均能提高混凝土的抗碳化性能和抗?jié)B透性能，纖維的摻雜能夠改善混凝土的粒徑分布，使得混凝土的結(jié)構(gòu)更加致密。

張琦等[8]用聚丙烯纖維混凝土與素混凝土對(duì)比，研究了高溫作用下高強(qiáng)混凝土的抗氯離子侵蝕性能，研究表明，當(dāng)作用溫度在100-200℃時(shí)，摻雜聚丙烯纖維能夠提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能，當(dāng)作用溫度在300-400℃時(shí)，效果相反，其余溫度下的影響可忽略不計(jì)。

周靜海等[9]利用自然擴(kuò)散法研究廢棄纖維再生混凝土的抗?jié)B透性能隨纖維摻量的變化規(guī)律，研究結(jié)果表明，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為0.16%，纖維長(zhǎng)度為19mm時(shí)，廢棄纖維再生混凝土的抗?jié)B透性能最好。

建筑材料摻入纖維的技術(shù)能有效的解決原材料在耐高溫、抗?jié)B透等方面的不足，使材料性能能夠得到最大的改善。纖維混凝土在國(guó)內(nèi)還處于研究階段，這項(xiàng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)混凝土技術(shù)突破的重大關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)其又一次興起的契機(jī)。本節(jié)提出的幾項(xiàng)纖維混凝土的實(shí)驗(yàn)，其本質(zhì)都是在鋼、混凝土材料中添加化學(xué)纖維，利用纖維增強(qiáng)機(jī)理實(shí)現(xiàn)材料性能的提高，對(duì)于抗?jié)B性，其關(guān)鍵在于纖維平均間距的大小，平均間距越小，纖維對(duì)裂縫的引發(fā)和擴(kuò)展的約束就越大、強(qiáng)度也就越高。當(dāng)基體體積內(nèi)的有效纖維數(shù)越多，基體內(nèi)的孔隙得到有效的“填充”，減小原有材料之間間距從而增強(qiáng)其密實(shí)度，提高其抗?jié)B透的能力。

2.纖維混凝土抗凍性能

孫家瑛[10]在研究聚丙烯纖維與植物纖維混凝土抗凍性能時(shí)，發(fā)現(xiàn)這兩種纖維的摻加均可以提高混凝土的抗凍性能，并且植物纖維在提高混凝土抗凍性能上明顯優(yōu)于聚丙烯纖維。

陳愛(ài)玖等[11]針對(duì)廢棄混凝土在北方的應(yīng)用問(wèn)題展開(kāi)研究，研究發(fā)現(xiàn)橡膠粗骨粒摻量與砂的體積比超過(guò)20%后，隨著體積比的增大，混凝土的孔隙度增大，使得抗凍性減弱。同時(shí)橡膠顆粒摻量還是影響混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的重要因素。

喬宏霞等[11]使用快速凍融試驗(yàn)對(duì)采用不同摻加方式的鋼纖維和聚甲醛纖維混凝土的抗凍性能展開(kāi)研究，同時(shí)采用SEM技術(shù)分析混凝土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同的纖維摻加方式會(huì)顯著地影響混凝土的抗凍性能，其中，混雜纖維混凝土優(yōu)于單一纖維混凝土，層布式纖維混凝土優(yōu)于整體式纖維混凝土。

肖琦等[13]通過(guò)快速凍融法研究混雜纖維混凝土的抗凍性，試驗(yàn)選用了8種摻量的纖維混凝土，分別進(jìn)行質(zhì)量損失和相對(duì)動(dòng)彈模量測(cè)定，研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土摻入適量的混雜纖維后，其相對(duì)動(dòng)彈模量將得到提高，質(zhì)量損失降低，能增強(qiáng)混凝土的抗凍性，但是如果纖維摻雜過(guò)多則會(huì)適得其反，使得混凝土內(nèi)部孔隙度增大，從而降低混凝土的抗凍性。

文可等[14]對(duì)比素混凝土和玄武巖纖維混凝土在100次凍融循環(huán)作用下的相對(duì)動(dòng)彈模量及質(zhì)量損失變化，研究玄武巖纖維混凝土的抗凍性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻雜，使得混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量是素混凝土的1.47倍，質(zhì)量損失是素混凝土的0.64倍，增強(qiáng)了混凝土的抗凍性能。

纖維混凝土的抗凍性一直都是難題，混凝土的凍融破壞的機(jī)理國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有四種理論研究——水的離析成層、水壓力、滲透壓、充水系數(shù)、混凝土破壞是這四種理論因素的共同作用。纖維混凝土其主要是在混凝土凍融工程中，細(xì)石混凝土基體凍脹開(kāi)裂以后，纖維就能夠發(fā)揮阻裂作用，緩和了混凝土內(nèi)部缺陷處的應(yīng)力集中，提高了混凝土的變形和韌性。我們利用纖維的“粘結(jié)”，在保證混凝土原有性能的基礎(chǔ)上有效提高抗凍性能。

3.纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

王學(xué)志等[15]用單摻和三種不同混雜比例混摻的方式將玄武巖、聚丙烯混雜纖維摻入混凝土進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕實(shí)驗(yàn)。研究表明，隨硫酸鹽侵蝕齡期不同，單一纖維還是混雜纖維的最佳摻量均不同。整體而言，混雜纖維摻入對(duì)混凝土抗硫酸鹽性能改善作用優(yōu)于摻入單一纖維的改善效果。

何曉達(dá)等[16]對(duì)在不同硫酸鹽濃度的溶液中養(yǎng)護(hù)28 d后的鋼-聚丙烯混雜纖維高性能混凝土的抗壓及劈拉強(qiáng)度進(jìn)行研究。試驗(yàn)表明，當(dāng)SO42-濃度為2500 mg/L時(shí)，普通高性能混凝土較聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度下降幅度大的多，而鋼纖維和混雜纖維混凝土基本無(wú)變化；當(dāng)SO42-濃度為5000 mg/L時(shí)，混雜纖維混凝土抗壓強(qiáng)度略有提高，其余類(lèi)型混凝土強(qiáng)度均有降低，；相同腐蝕條件下，混凝土劈拉強(qiáng)度大都呈現(xiàn)統(tǒng)一的規(guī)律性，與劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果相符。侵蝕養(yǎng)護(hù)條件不同，普通性能混凝土和聚丙烯纖維混凝土劈拉強(qiáng)度略有升高但幅度極小，可視作基本不變化。

黃國(guó)棟等[17]分別研究了素混凝土、單摻粉煤灰混凝土與層布式混雜纖維混凝土對(duì)飽和濃度硫酸鹽和飽和濃度氯鹽侵蝕破壞的抵抗能力。試驗(yàn)結(jié)果表明單摻粉煤灰和混雜纖維都能提高混凝土的抗?jié)B性從而改善抗侵蝕性能。但同時(shí)摻入粉煤灰、聚丙烯纖維和鋼纖維，抗侵蝕效果卻相較單摻粉煤灰混凝土的抗侵蝕效果有所降低。從硫酸鹽侵蝕后的抗壓試驗(yàn)與抗折試驗(yàn)可以得出，層布式混雜纖維混凝土的抗侵蝕性?xún)?yōu)于單摻粉煤灰混凝土與素混凝土，并且層布式纖維總體上改善了混凝土的脆性。另一方面，三種纖維混凝土受氯鹽的影響遠(yuǎn)小于硫酸鹽侵蝕溶液的影響。三種混凝土同時(shí)受硫酸鹽與氯鹽侵蝕的試驗(yàn)表明，單一硫酸鹽溶液的侵蝕效果大于兩種溶液的共同作用。

何銳等[18]研究了不同摻量混雜纖維混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能，對(duì)聚乙烯纖維（PE）與聚丙烯粗合成纖維（HPP）混凝土進(jìn)行硫酸鹽干濕循環(huán)腐蝕和長(zhǎng)期浸泡侵蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，不同纖維摻量的混凝土在硫酸鹽腐蝕作用下均出現(xiàn)了不同程度的損傷，但受損程度均弱于素混凝土；干濕循環(huán)的腐蝕作用較長(zhǎng)期浸泡腐蝕混凝土的腐蝕損傷則較為明顯，聚乙烯纖維和聚丙烯粗合成纖維以0.8%+1.2%摻入時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度也比素混凝土抗壓強(qiáng)度高。分析得出纖維對(duì)于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力的緩解，孔隙、通道等缺陷的分散以及纖維之間的捆綁橋聯(lián)都顯著的提高了混凝土抗硫酸鹽腐蝕性。

張爽等[19]將試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合，對(duì)摻入聚丙烯纖維混凝土和玄武巖纖維混凝土試件進(jìn)行硫酸鹽侵蝕快速試驗(yàn)。結(jié)果表明混雜纖維混凝土受硫酸鹽侵蝕后，其抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、相對(duì)動(dòng)彈性模量等性能指標(biāo)均優(yōu)于素混凝土。并得出SO42-離子濃度隨侵蝕深度變化的模型。

混雜纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究開(kāi)展較廣，且涉及的纖維品種較多，并大多同時(shí)具有相應(yīng)的機(jī)理分析，在纖維混凝土耐久性的多個(gè)研究方向中相對(duì)較為深入?，F(xiàn)今研究的結(jié)論較為統(tǒng)一，摻入混雜纖維能使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕功能得到明顯提升。

4.纖維混凝土抗碳化性能

張頊等[20]對(duì)鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土抗碳化性能進(jìn)行的研究表明，鋼纖維與聚丙烯纖維的摻入能顯著提高混凝土的密實(shí)度，并有效優(yōu)化CO2的滲透路徑從而加強(qiáng)混凝土的抗碳化能力。在聚丙烯纖維摻量一定時(shí)，混雜纖維混凝土抗碳化能力隨鋼纖維摻量的增加而提高；在鋼纖維摻量一定時(shí)，混雜纖維抗碳化能力隨聚丙烯纖維摻量增加，先增加后降低。

董衍偉等[21]對(duì)摻入不同種類(lèi)鋼纖維的鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土進(jìn)行抗碳化性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同類(lèi)型的混雜纖維混凝土碳化深度隨碳化時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。不同混雜類(lèi)型的纖維混凝土碳化28天后的抗壓強(qiáng)度均高于基準(zhǔn)混凝土，但并不因?yàn)閾饺氲睦w維種類(lèi)不同而產(chǎn)生明顯差別；劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。數(shù)據(jù)表明混雜纖維混凝土碳化14天的劈拉強(qiáng)度高于碳化28天的強(qiáng)度，即劈拉強(qiáng)度隨碳化齡期增長(zhǎng)而下降；另一方面，無(wú)論哪個(gè)齡期，混雜纖維混凝土碳化深度均小于基準(zhǔn)混凝土，即抗碳化能力較強(qiáng)。

程云虹等[22]對(duì)不同種類(lèi)纖維混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的碳化深度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d的碳化深度最大，混雜纖維混凝土的碳化深度小于素混凝土。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較素混凝土，分別減少25%、32%、33%?？梢?jiàn)纖維混凝土的抗碳化能力優(yōu)于素混凝土。

綜合以上摻入不同纖維的混凝土碳化實(shí)驗(yàn)，纖維混凝土碳化深度小于基準(zhǔn)混凝土，即纖維混凝土抗碳化能力強(qiáng)。然而纖維混凝土的碳化試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容大多是針對(duì)摻入聚丙烯纖維和鋼纖維后的性能，研究廣度尚有欠缺；另一方面，由于纖維混凝土多組分、多尺度層次以及各向異性的結(jié)構(gòu)特征，使得摻入單一纖維能提供的增強(qiáng)改性作用相當(dāng)局限。如何發(fā)揮混合纖維在混凝土中不同結(jié)構(gòu)和不同性能層次上的逐級(jí)強(qiáng)化，綜合提高混凝土的耐久性，還需要進(jìn)一步的研究。

5.結(jié)論

（1）纖維在混凝土中的適量摻雜可以改善混凝土的耐久性、強(qiáng)度、抗劈拉性能等。

（2）影響纖維混凝土耐久性的因素很多，并且影響機(jī)理復(fù)雜。系統(tǒng)的研究需要通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法，進(jìn)行系列的，有規(guī)律的研究。

（3）除混凝土自身組成成分的因素，其所在環(huán)境亦對(duì)耐久性能產(chǎn)生不同程度的影響。對(duì)纖維混凝土耐久性的研究需要對(duì)多個(gè)影響因素控制變量，兼?zhèn)渖疃扰c廣度。

（4）現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)纖維混凝土的研究較為散亂，尚未具備相互兼容的系統(tǒng)性，實(shí)用性較為不足，未來(lái)對(duì)該問(wèn)題的研究仍任重而道遠(yuǎn)。

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基金項(xiàng)目：本文系揚(yáng)州大學(xué)2018年度大學(xué)生科創(chuàng)基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：x20180385。

（作者單位：揚(yáng)州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院）