混雜纖維混凝土的研究現(xiàn)狀*

蔣威，姜景山，滕長龍，馬冰艷，黃鑫，王震博，曹鈺

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院 南京 江蘇 211167）

0 引言

在建筑工程領(lǐng)域中，素混凝土有抗拉強(qiáng)度低，易開裂，應(yīng)變低等特點。現(xiàn)階段研究表明，向素混凝土中加入一種纖維，混凝土中的纖維就可以利用橋接作用，高效率改善混凝土的抗裂性能。同時當(dāng)混凝土受到外壓時，纖維所吸收的能量可以高效改善混凝土的力學(xué)性能和沖擊性能。在素混凝土中摻入單一纖維可在有效范圍內(nèi)對抗應(yīng)變和裂紋，在混凝土開裂時具有顯著的阻裂作用，例如摻入有機(jī)纖維的混凝土韌性明顯優(yōu)于普通混凝土，如聚丙烯纖維混凝土。此外，在素混凝土中摻入部分纖維還能夠提高混凝土的耐腐蝕性能。例如，往混凝土中摻入鋼纖維可利用纖維本身化學(xué)特性，在混凝土成型后抑制腐蝕離子擴(kuò)散，進(jìn)而大幅度提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

但單摻纖維對混凝土無法充分發(fā)揮增強(qiáng)和增韌作用，只能夠在有限范圍內(nèi)對抗應(yīng)變和裂紋，研究者指出，兩種纖維或多種纖維即混雜纖維的摻入可將纖維各自的作用進(jìn)行互補(bǔ)和提高，例如可將彈模低質(zhì)輕的聚丙烯纖維與高彈模的玄武巖纖維同時摻入混凝土，可在不同方面發(fā)揮纖維增強(qiáng)效果，進(jìn)而達(dá)到理想強(qiáng)化效果；可將能夠提高混凝土韌性與抗拉強(qiáng)度的鋼纖維、質(zhì)量輕且不與基體發(fā)生反應(yīng)的聚丙烯纖維摻入混凝土，充分利用兩者自身優(yōu)勢，從而實現(xiàn)正混雜效應(yīng)。研究表明，在混凝土中摻入多種纖維不僅能夠充分發(fā)揮單一纖維各自已有優(yōu)勢，而且混凝土工作性能以及力學(xué)性能等多方面均能得到顯著提高。在20世紀(jì)70年代，國外學(xué)者Walton等開展了無機(jī)纖維和有機(jī)纖維共同工作時對混凝土基體的抗拉性能和沖擊性能的研究。由于纖維制造受到生產(chǎn)力水平，科技水平等多重因素的影響，我國在21世紀(jì)初才進(jìn)行有關(guān)研究。近年來，隨著中國生產(chǎn)力水平提高，混雜纖維混凝土受到工程領(lǐng)域人士廣泛重視，相關(guān)研究也日趨增多。

1 力學(xué)性能

惠存等[1]作者通過探究混雜玄武巖纖維以及PVA纖維對混凝土的影響，試驗表明加入纖維后的混凝土的抗折強(qiáng)度和韌性都得到明顯增強(qiáng)。同時得出0.1%的玄武巖纖維以及0.2%的PVA纖維對混凝土的抗折強(qiáng)度提升最佳。

楊健輝[2]等作者通過研究混凝土中加入聚丙烯纖維（簡稱PP纖維）和仿鋼纖維后力學(xué)性能受到的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)仿鋼纖維體積率在一定范圍內(nèi)時，混凝土的抗壓、抗折強(qiáng)度與纖維的摻量成線性相關(guān)，當(dāng)其超過一定范圍時，混凝土的有關(guān)摻量不滿足線性關(guān)系。并且通過實驗得出PP纖維在仿鋼纖維體積率為0.3%時，凝土的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度最佳。

權(quán)長青[3]等作者在對鋼纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰的摻量對C40級混雜纖維混凝土（HFRC）的影響。得出鋼纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰分別在摻量為4%、0.1%、30%時最大程度提高混凝土的劈拉抗拉強(qiáng)度（%）：31.5%、5.4%、3.5%。由此可見，鋼纖維的作用效果最佳，其次為聚丙烯纖維，粉煤灰作用效果最差。

黃國棟[4]等作者在對混雜纖維混凝土力學(xué)性能的分析中，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以明顯地改善混凝土的力學(xué)性能。聚丙烯纖維的加入可以增大混合料的相互作用力，從而改善混凝土的抗裂強(qiáng)度，進(jìn)一步抑制早期裂縫的形成。

駱冰冰[5]在對混雜纖維自密實混凝土的性能研究中得出，單摻玄武巖纖維摻量為3.650kg/m3時會比素混凝土的劈裂強(qiáng)度降低6.39%。如在上述玄武巖纖維混凝土中再適量摻入聚丙烯纖維后，混凝土劈裂強(qiáng)度卻呈“反彈”趨勢。

2 耐久性能

2.1 抗?jié)B性以及耐腐蝕

黃杰[6]等通過研究混雜纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響，試驗結(jié)果表明當(dāng)混凝土摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，其抗?jié)B性能得到明顯改善，其中聚丙烯纖維抗?jié)B性較為顯著。最后得出當(dāng)鋼纖維摻量為0.5%，聚丙烯纖維摻量為0.3%時，混凝土的抗?jié)B性能達(dá)到最佳。

王艷[7]等通過研究混雜纖維對混凝土抗?jié)B性能的影響，實驗數(shù)據(jù)表明混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能明顯優(yōu)于普通混凝土，混雜適量的玄武巖和聚丙烯兩種纖維的混凝土，其抗?jié)B性明顯提高，但過多的玄武巖纖維會導(dǎo)致抗?jié)B性能下降。

趙兵兵[8]通過研究玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土的抗?jié)B性能實驗，結(jié)果表明：摻入聚丙烯纖維的混凝土抗?jié)B性能比摻入玄武巖纖維的混凝土好，且最佳摻量在0.6%左右，能提升14.6%的抗水滲透性。玄武巖-聚丙烯比例為2:1、摻量為0.3%的混雜纖維抗?jié)B透性能最強(qiáng)。

楊禮明[9]等通過對比普通混凝土和硫酸鎂混凝土在硫酸鎂溶液中的抗腐蝕能力，得出摻入高性能混雜纖維的混凝土其抗腐蝕性較強(qiáng)；而在干濕循環(huán)下將混凝土浸泡在硫酸鎂中，摻入高性能混雜纖維的混凝土，其抗腐蝕能力差。

2.2 抗疲勞能力

王佶[10]等通過研究層布式纖維對混凝土彎曲疲勞性能的影響，分析數(shù)據(jù)表明：混雜纖維中的聚丙烯腈纖維發(fā)揮作用，減緩裂縫的產(chǎn)生速度，使得在相同配合比的情況條件下，層布式混雜纖維在抗疲勞新能方面明顯優(yōu)于層布式鋼纖維。

潘少林[11]等通過研究混雜纖維對混凝土材料彎曲疲勞性能的影響，數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：普通混凝土的應(yīng)變變化曲線隨著加載時間呈曲折變化，混雜纖維混凝土的應(yīng)變曲線呈較為平穩(wěn)的狀態(tài)。最終結(jié)果：混雜纖維提高混凝土的抗疲勞性能，延長混凝土的壽命。

鄧宗才[12]對混凝土的彎曲疲勞新能進(jìn)行探究，結(jié)果表明摻入玻璃纖維混雜纖維混凝土的疲勞強(qiáng)度有所改善，混雜纖維混凝土的疲勞強(qiáng)度更是有顯著的提高。

2.3 碳化性能

張頊[13]等通過研究混雜纖維的碳化性能試驗，試驗結(jié)果表明：摻入鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土更加密實，使得抗碳化性能提高，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，0.06%的聚丙烯摻量為最佳，過多聚丙烯纖維會導(dǎo)致混凝土抗碳化性能下降。

曹二偉[14]等通過研究混雜纖維對碳化性能的影響，對比顯示：不同的纖維混雜在一起能進(jìn)行互補(bǔ)，進(jìn)而產(chǎn)生大于普通混凝土的性能效果。最后總結(jié)出混雜纖維能夠改善混凝土孔隙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗碳化性能。

程米春[15]等對混雜纖維混凝土的碳化試驗進(jìn)行研究，分析總結(jié)摻入不同的纖維對混凝土碳化性能提高程度不同，并且通過線性方程得出摻入混雜鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土碳化性能良好。

2.4 抗凍性

周祎[16]等通過研究混雜纖維混凝土抗凍性能的影響，探究得出纖維通過改善混凝土結(jié)構(gòu)防止水的滲入從而提高混雜纖維混凝土的抗凍性能。

肖琦[17]等通過研究混雜纖維對混凝土抗凍性能的影響，得出結(jié)論：混凝土中摻入聚丙烯纖維和鋼纖維能夠有效緩解相對動彈性模量損失率，從而影響其抗凍性能，但是摻加過多會產(chǎn)生反效果。

牛荻濤[18]等人通過研究快凍法研究凍融循環(huán)次數(shù)對鋼纖維混凝土后質(zhì)量損失、相對動彈性模量變化、劈裂強(qiáng)度損失的影響，同時探究凍融環(huán)境下鋼纖維對混凝土的增強(qiáng)機(jī)理。試驗結(jié)果表明鋼纖維混凝土在300次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率僅是普通混凝土的50%；加入鋼纖維的混凝土能夠抑制混凝土內(nèi)部不斷產(chǎn)生微裂縫，從而延緩了相對動彈模量的下降；鋼纖維的摻入提高了混凝土的劈裂強(qiáng)度，同時減緩了凍融后混凝土劈裂強(qiáng)度下降速率。

姚文杰[19]等人對丙烯纖維并進(jìn)行凍融試驗，通過復(fù)合材料力學(xué)理論和斷裂力學(xué)纖維間距理論對纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行了解釋。凍融試驗表明，當(dāng)纖維摻量較低時，混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著纖維摻量的增加而大幅度增大，但當(dāng)纖維摻量達(dá)到某一值后又都會隨纖維維摻量的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。通過多組試驗，得出0.9kg/m3的聚丙烯纖維摻量為最佳摻量，此時的混凝土多種力學(xué)性能達(dá)到最佳。

3 耐高溫性能

高超[20]等人通過對鋼纖維混凝土高溫后力學(xué)性能的研究，得出混凝土的基體強(qiáng)度隨溫度升高呈下降趨勢。同時對比鋼纖維混凝土高溫后自然、噴水兩種冷卻方式的關(guān)系，得出自然冷卻下的基體強(qiáng)度比噴水冷卻下的高。

李晗[21]通過對混雜纖維對混雜混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響，試驗表明混雜纖維的各項力學(xué)性能隨著溫度的升高均有所下降，但是降幅明顯低于素混凝土。同時得出400℃內(nèi)混雜纖維混凝土強(qiáng)度損失小，超過400℃混凝土各強(qiáng)度指標(biāo)明顯降低。

余嬋娟[22]對高溫下混凝土的彎曲性能進(jìn)行研究，試驗表明混雜纖維自密實混凝土在高溫下彎曲性能優(yōu)于普通自密實混凝土和摻纖維自密實混凝土?；祀s纖維自密實混凝土可以提高混凝土的承載能力和防爆性。

隨著混雜纖維的摻入，混凝土的工作性能會有較大地改變?；炷恋墓ぷ餍阅芾绾鸵仔?、保水性和粘聚性明顯改善，但混雜纖維混凝土的流動性較小使得高層施工混凝土的泵送難以進(jìn)行?？偟膩碚f適量的混雜纖維對其工作性能起著積極的作用。

混雜纖維的摻量對混凝土有著正負(fù)混雜效應(yīng)，摻入適量的混雜纖維，使得混凝土力學(xué)性能以及耐久性能得到不同程度的改善，混凝土由原來的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的塑性破壞。而摻入過量的混雜纖維則會使得混凝土的孔隙率增多，因而各方面性能均有不同程度的損失。同時，在高溫條件下，相較于素混凝土以及單摻某一纖維，混雜纖維的力學(xué)性能和耐久性能均有明顯改善。

4 混雜纖維混凝土存在的一些問題以及對應(yīng)的解決方法

（1）摻入混雜纖維后，隨摻量的增加混凝土的流動性、塌落度都會降低，適當(dāng)提高砂率、適量添加減水劑都可以使混雜纖維混凝土的工作性能能到改善。

（2）混雜纖維在混凝土中在攪拌時極易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)的問題，從而破壞成型的混凝土力學(xué)性能以及耐久性能。通過實驗表明：控制纖維的摻量和攪拌方法，可避免結(jié)團(tuán)問題。同時得出摻入少量的粉煤灰，纖維與混凝土的界面結(jié)構(gòu)能夠得到改善。

（3）部分纖維表面光滑，直接摻入混凝土中性能將會大打折扣。使用之前應(yīng)當(dāng)先用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ蛊浔砻娓男栽鰪?qiáng)其與混凝土界面的黏聚性。

5 結(jié)語

（1）摻入一定量的混雜纖維雖然對混凝土抗拉抗折強(qiáng)度有小幅度地提升，但抗壓強(qiáng)度主要還是由普通混凝土來決定。對現(xiàn)有纖維的外觀以及性能進(jìn)行改良，使其更全面地改善混凝土的性能，這是個未來值得研究的方向。

（2）對混雜纖維混凝土耐久性的研究大都是在實驗室模擬單一環(huán)境進(jìn)行分析，但在實際工程中，混凝土所處環(huán)境并不是單一環(huán)境作用而是多種因素共同作用。因此研究混雜纖維混凝土在多重因素作用下的耐久性是必不可少的。其次就是對于混雜纖維混凝土抗震性能的研究有待補(bǔ)充。

（3）目前的大量研究表明，不同種類纖維對混凝土都起著改良的作用。在不同纖維之間的“正負(fù)混雜效應(yīng)”方面的研究還在初步狀態(tài)，部分研究表明纖維間的相互影響有利于合理搭配纖維從而提升混凝土的性能。

（4）迄今為止，已有不在少數(shù)的學(xué)者對纖維改良混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能進(jìn)行了實驗研究，但纖維對混凝土的強(qiáng)化機(jī)理方面的理論研究還不夠完善，而且給出的理論還缺乏更具說服力的驗證過程。同時，混雜纖維混凝土構(gòu)件的本構(gòu)關(guān)系仍需進(jìn)一步完善。

（5）國內(nèi)外運用ABQUS軟件對鋼纖維增強(qiáng)混凝土梁以及梁受剪破壞機(jī)理的研究相對全面，然而對混雜纖維增強(qiáng)混凝土梁以及梁受剪理論模型的建立還未規(guī)范化、體系化，仍需要綜合考慮各種因素進(jìn)一步分析，為推動混雜纖維混凝土的發(fā)展提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)。