混雜纖維增韌高性能混凝土的研究

賴震環, 胡 輝

暨南大學力學與土木工程系（510632）

1 概述

在當代工程材料中,混凝土的用量最大,應用范圍最廣泛。自1824年英國人J.Aspdin發明了波特蘭水泥以來,混凝土材料在近200年的歷史中,獲得了突飛猛進的發展,從最早的素混凝土發展到鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土、纖維混凝土、聚合物混凝土、高強混凝土、智能混凝土和高性能混凝土。

2 高性能混凝土

2.1 高性能混凝土的定義

高性能混凝土(High Performance Concrete,簡稱HPC)是20世紀90年代發展起來的高技術混凝土。HPC主要是通過原材料控制、配合比設計、拌合物生產制備以及施工方法來改善混凝土的脆性大、抗裂性和耐久性差等弱點。概括而言，高性能混凝土主要具有以下特點：高工作性，良好的穩定性，高強度（至少是中強度），高抗裂性，高耐久性，良好的施工工藝性和經濟性且綠色環保。

2.2 高性能混凝土的組分

高性能混凝土的配置主要是通過以下途徑得以實現的：首先選用優質原材料,如優質水泥與粉煤灰、超細礦渣與礦粉、優質高效減水劑和具有優異力學性能且級配良好的骨料；其次在配合比設計時,減少水泥用量；最后施工時,嚴格控制施工、強化質量[2]。可見，HPC除了水、水泥、砂、石等基本組分外，還含有優質高效減水劑和超細礦粉等新組分。

3 混雜纖維在高性能混凝土中的作用

我國混凝土材料專家、中科院院士吳中偉教授指出,HPC是當前水泥基材料發展的主要方向,其中復合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強是其核心，對高強水泥基材料增加韌性、抗沖擊性等起關鍵作用,復合化的技術思路—超疊加效應對纖維增強混凝土高性能化有重要意義,可用公式“1+23”表示。混雜纖維高性能混凝土是復合思想—超疊加效應在水泥基復合材料中的又一突破性應用,它將進一步推動混凝土高性能化和思想化[3]。采用高模量纖維可提高混凝土的強度,而低模量、大變形纖維摻入混凝土后可明顯提高其韌性，欲同時提高混凝土的強度和韌性,用單一纖維難以實現[4]。選用高彈性纖維如鋼纖維，則體積含量受到限制、分散、攪拌困難，用低彈高延性纖維如聚丙烯纖維可提高復合材料的韌性，但增強作用不明顯。因此，近年來，開始研究將高彈纖維和高延性纖維混雜共同增強混凝土的嘗試，獲得了具有優異綜合力學性能的混雜纖維增強混凝土[5-6]。混雜纖維混凝土方面的研究,主要是試圖把具有不同性能和優點的纖維混雜，取長補短，在不同層次和受荷階段發揮“正混雜效應”來增強混凝土，以適應不同工程的需要。目前，應用最廣泛的是用鋼纖維和有機纖維混雜,常用的有機纖維有聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維等。

4 實例分析

本研究主要采用鋼纖維和聚丙烯纖維混雜作為增強材料，力求配制出高性能混凝土。主要采用正交分析實驗法進行研究，選擇聚丙烯纖維摻量、鋼纖維摻量、水膠比和粉煤灰摻量等作為主要影響因素,以坍落度值與抗折強度值作為考察指標，最后采用功效系數法來考核各指標的優劣情況。正交試驗設計、試驗結果和考核指標分析見表1所示。試驗結果表明，最佳的試驗條件是A2B1C3D3，聚丙烯纖維摻量為0.10%、鋼纖維摻量0.6%、水膠比為0.38、粉煤灰摻量為20%。研究表明，在最佳實驗條件下，可以配置出和易性與抗折強度優異的高性能混凝土。

5 結論

一般而言,采用鋼纖維與其他有機合成纖維混雜是節省造價、減輕自重的一種有效途徑。鋼纖維增強、增韌效果均很好,但價格較高；合成纖維增強效果較差,增韌效果較好,價格便宜,可通過合理的材料設計，經纖維混雜，相互取長補短，在不同層次和受荷階段發揮“混雜效應”來增強混凝土。因此,采用鋼纖維與聚丙烯纖維混雜是節省造價、減輕自重和提高綜合性能的一種重要途徑。目前,混雜纖維混凝土是混凝土研究的一個新興領域,在許多方面尚待進一步系統探討和研究。

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[3]何曉達.低摻量鋼纖維/聚丙烯纖維高性能混凝土試驗研究[M].大連理工大學工程碩士學位論文,2002(9)

表1 正交試驗設計、試驗測試結果及考核指標表

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