改性纖維對(duì)混凝土抗凍性能的影響研究進(jìn)展

許曉云，劉欣欣，彭雅娟，燕 琴

(南昌工學(xué)院 人居環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330108)

0 前 言

混凝土的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史演變，已逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代多功能混凝土，在近現(xiàn)代土木工程中發(fā)揮著無(wú)可替代的作用?；炷恋膬?yōu)點(diǎn)在于抗壓強(qiáng)度高、成本低廉且性能優(yōu)異，但也存在抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差、韌性小等劣勢(shì)，限制了其潛在的發(fā)展。近年來(lái)，隨著天然砂石資源的逐漸短缺，采用廢棄商品混凝土加工而成的再生混凝成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)，但再生混凝土的粗細(xì)骨料存在大量空隙，表面粗糙且棱角多，導(dǎo)致再生混凝土的性能及耐久性等性能劣化。鑒于上述狀況，學(xué)術(shù)界與工程界長(zhǎng)期以來(lái)一直在致力于研究改善混凝土性能(主要提高抗拉強(qiáng)度、增強(qiáng)韌性)的方法途徑。近年來(lái)，采用纖維增強(qiáng)混凝土的性能已成為當(dāng)前研究的熱門方向之一，其技術(shù)方案是將各種改性纖維拌和添加到混凝土中以改善其性能，主要包括聚丙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維和鋼纖維等材料。

1 纖維對(duì)普通混凝土抗凍性能的影響

混凝土是一種脆性材料，脆性基體材料開(kāi)裂時(shí)，由于其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于開(kāi)裂強(qiáng)度，且斷裂韌性較差容易形成失穩(wěn)破壞。大量實(shí)驗(yàn)證明，混凝土中摻入纖維，使混凝土的斷裂性能得到改善，從而導(dǎo)致混凝土破壞形式發(fā)生改變。

抗凍性是衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了多種有效的評(píng)價(jià)參數(shù)與測(cè)試方法研究了以凍融為主要因素對(duì)混凝土的耐久性。筆者通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)并進(jìn)行了總結(jié)，揭示了聚丙乙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維、鋼纖維等對(duì)混凝土抗凍耐久性能的影響。

聚丙烯纖維是一種具有伸長(zhǎng)率高、低彈性模量的纖維，通常被用于提高材料韌性、抗沖擊性能以及抗疲勞性能。周志云等[1]研究發(fā)現(xiàn)在100次凍融循環(huán)后，與摻入0.1 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土相比普通混凝土質(zhì)量損失超過(guò)10%，而聚丙烯纖維混凝土的質(zhì)量損失低于3%。王瑞興等[2]就聚丙烯纖維摻量(0～0.9 kg/m3)對(duì)混凝土的抗凍性的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，更能顯示出混凝土的優(yōu)越的耐久性。

玄武巖纖維是一種強(qiáng)度高、耐高溫、耐久性好、無(wú)污染的無(wú)機(jī)非金屬材料，受到了不少學(xué)者的關(guān)注。文可等[3]研究發(fā)現(xiàn)，在100次凍融循環(huán)后，玄武巖混凝土的相對(duì)彈性模量和質(zhì)量損失分別是普通混凝土的1.47和0.64倍。玄武巖纖維可優(yōu)化混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)，使混凝土外部的水難以滲透到空隙內(nèi)部，減少了空隙內(nèi)可結(jié)冰水，達(dá)到改善混凝土抗凍性能的作用。

碳纖維是一種性能優(yōu)良的新型纖維，其比彈性模量大、比強(qiáng)度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫且能導(dǎo)電，常用于改善材料的強(qiáng)度與剛度。曹梓煜等[4]研究了0、0.5%、0.7%、1.0%四種不同體積分?jǐn)?shù)碳纖維摻入混凝土的凍融試驗(yàn)，在凍融循環(huán)初期，碳纖維對(duì)混凝土性能改善作用不大，125次凍融循環(huán)后，摻入碳纖維能明顯改善混凝土抗凍性，在300次凍融循環(huán)后，摻入碳纖維的混凝土外形完整，平均重量損失為5.19%，相對(duì)彈性模量損失34%，發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為1%摻量的碳纖維對(duì)混凝土的抗凍性能改善最優(yōu)。

纖維素纖維具有彈性模量大、親水性強(qiáng)、與水泥基體之間附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。徐海賓等[5]通過(guò)凍融試驗(yàn)研究摻入纖維素纖維對(duì)混凝土的耐久性的影響，研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)300次后，普通混凝土和摻入聚乙烯纖維的混凝土都發(fā)生凍融破壞，混凝土中摻入0.9～1.3 kg/m3纖維素纖維未發(fā)生凍融破壞，纖維摻量的增加，明顯改善了混凝土的抗凍性能。

鋼纖維是一種彈性模量大且強(qiáng)度高的高性能纖維，被廣泛地用于混凝土道路中。董振平等[6]通過(guò)凍融試驗(yàn)研究鋼纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土抗凍性的影響，經(jīng)過(guò)300次凍融循環(huán)后，在凍融循環(huán)作用下混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了滲透壓應(yīng)力與溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。根據(jù)復(fù)合材料理論，鋼纖維摻入混凝土后，提高了混凝土的彈性模量，且鋼纖維可以抵抗混凝土裂縫的發(fā)展，從而抵抗凍融破壞。

2 纖維對(duì)再生混凝土抗凍耐久性的影響

Roumiana Zaharieva等[7]和 A Gokce等[8]，指出再生混凝土的抗凍性能低于普通混凝土，其主要原因是再生混凝土骨料自身的缺陷。摻入纖維能改善再生混凝土骨料自身的缺陷，也可形成一種新型材料，是研究建筑材料可持續(xù)發(fā)展的方向之一。

任磊等[9]通過(guò)凍融試驗(yàn)研究摻入玄武巖改善再生混凝土抗凍性的最佳摻量，結(jié)果表明再生骨料最佳取代率為50%、玄武巖纖維最佳摻量為4 kg/m3。100次凍融循環(huán)作用后，摻量為4 kg/m3的玄武巖再生混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯高于普通混凝土。

顏勝?gòu)?qiáng)等[10]就纖維素再生混凝土抗凍性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)纖維素纖維的摻入可以改善再生混凝土的抗凍性能，當(dāng)摻量為0.6%時(shí)，效果最為顯著。

霍俊芳等[11]通過(guò)凍融試驗(yàn)研究鋼纖維對(duì)再生混凝土抗凍性的影響，研究發(fā)現(xiàn)鋼纖維摻量為0.5 kg/m3時(shí)對(duì)再生混凝土抗凍性能改善最為顯著。摻入鋼纖維后，鋼纖維再生混凝土抗凍等級(jí)大于F300。

綜上所述，玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維、鋼纖維都可以改善混凝土與再生混凝土的抗凍性能。其改善機(jī)理大致相同，主要包括：①混凝土中摻入纖維后，纖維能形成各種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以優(yōu)化混凝土的孔結(jié)構(gòu)；②數(shù)目眾多的纖維能阻礙連通孔洞的形成，使水的遷移困難，大量纖維錯(cuò)綜復(fù)雜地分布在混凝土內(nèi)部可以改善其含氣量和含水量，從而可以降低混凝土內(nèi)部的滲透壓和靜水壓；③纖維的彈性模量高于混凝土彈性模量，纖維的摻入可以增大混凝土的彈性模量；④混凝土受到外界荷載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂縫，纖維的摻入導(dǎo)致混凝土裂縫發(fā)展時(shí)，其平均距離內(nèi)都會(huì)有一根纖維阻止裂縫的發(fā)展(纖維間距理論)。

3 結(jié)論與展望

纖維作為改善混凝土性能的新型材料，再生混凝土中摻入纖維，對(duì)混凝土的性能有顯著影響。當(dāng)纖維和其他添加劑混合或多種纖維混和摻入時(shí)對(duì)混凝土和再生混凝土的力學(xué)性能改善明顯比單摻纖維改善混凝土的力學(xué)性能效果好，纖維可明顯改善混凝土和再生混凝土的抗凍性，而且對(duì)再生混凝土性能的改善程度明顯強(qiáng)于普通混凝土。目前國(guó)內(nèi)建筑垃圾資源化利用率存在很大的發(fā)展空間，再生混凝土是一種綠色建筑建材符合可持續(xù)發(fā)展理念的新型材料，是未來(lái)建筑材料發(fā)展的重要方向之一。

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