纖維改性自密實混凝土性能研究綜述★

王 鈞 李 婷

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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纖維改性自密實混凝土性能研究綜述★

王 鈞 李 婷

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

論述了自密實混凝土性能的優勢與弱點，并針對其弱點提出了纖維改性的可行方法，通過比較宏觀纖維、微觀纖維對自密實混凝土工作性能的影響，從力學、抗裂、耐久等方面，探討了纖維改性自密實混凝土的性能，并大膽設想了纖維改性自密實混凝土未來的研究方向。

纖維，自密實混凝土，力學性能，抗裂性能，耐久性能

在自身重力作用下，能夠流動、密實，不需要附加振動即可成型的混凝土被定義為自密實混凝土。自密實混凝土的應用解決了由于過密配筋、薄壁、復雜形體等結構下振搗困難的施工問題，同時，節省了勞動力資源，提高了施工效率；在綠色環保方面，降低了能源消耗，并消除了因振搗而帶來的噪聲污染。因其滿足當下行業高效、節能的發展理念，而引起了廣泛關注。然而，自密實混凝土和普通混凝土同樣存在抗裂性差、韌性差、低抗拉強度、低抗拉應變，易產生干縮裂紋和溫度裂紋的弱點。研究表明：纖維對于水泥基復合材料有增韌、增強、阻裂的作用[1-3]，這使得纖維改性自密實混凝土成為高性能自密實混凝土的發展趨勢之一。

1 改性纖維的分類

改性纖維大致可分為兩種，一種是高模量纖維，也稱鋼性纖維，通過其進行改性后的自密實混凝土在強度、韌性、抗裂性能等方面均有增強。國內、外用于改性自密實混凝土的鋼性纖維有鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、碳納米纖維等；另一種是低模量纖維，也稱柔性纖維，這類纖維改性自密實混凝土在增韌、阻裂方面表現突出，但在增強方面的作用不大[4，5]。國內、外用來改性自密實混凝土的柔性纖維有聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維等。將國內、外常用改性纖維的重要參數列于表1中。

表1 常用纖維的性能參數

2 纖維改性自密實混凝土性能的影響

2.1 力學性能

自密實混凝土的抗壓強度、劈拉強度、抗折強度和韌性均是衡量自密實混凝土力學性能的重要的技術指標。

文獻[4]中分別摻入鋼纖維和聚丙烯腈纖維改性自密實混凝土，通過增加外加劑的摻量制備符合工作性能的纖維改性自密實混凝土，并進行了抗壓試驗、劈拉試驗。試驗研究表明：鋼纖維體積摻量在0.8%時，纖維能均勻分散于自密實混凝土中，自密實混凝土的抗壓強度提高在5%以內，同時鋼纖維自密實混凝土的劈拉強度隨鋼纖維體積摻量在一定范圍內增大而增大，劈拉強度提高可達31%，增強效果明顯。相比于鋼纖維，聚丙烯腈纖維摻量較小時，對自密實混凝土抗壓強度的影響可以忽略不計，但當聚丙烯腈纖維摻量增大到一定程度時，其抗壓強度反而會略有下降。隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，劈拉強度先增加后降低，最大可提高9.68%，最優摻量約為0.9 kg/m3。文獻[5]中提到的聚丙烯纖維對于自密實混凝土的改性趨勢和文獻[4]中的聚丙烯腈纖維的基本一致，聚丙烯纖維改性自密實混凝土的劈裂強度可提高24%，纖維的最優摻量約為0.10%。文獻[6]將0.5 kg/m3和1.0 kg/m3的玻璃纖維分別摻入自密實混凝土中，研究表明：玻璃纖維可以在一定程度上降低混凝土的脆性，抗折強度分別提高了12%和10%，劈拉強度分別提高了12%和9%。文獻[7]通過帶切口自密實混凝土梁三點彎曲試驗，測得了不同摻量的鋼纖維和聚丙烯腈纖維對自密實混凝土斷裂能的影響。得出兩點結論，自密實混凝土的斷裂能隨著鋼纖維摻量的增加而線性增加，鋼纖維摻量為1.5%時，斷裂能達到最大，增益比為43.36；自密實混凝土的斷裂能隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加呈現非線性增加，聚丙烯腈纖維摻量為0.9 kg/m3時，斷裂能達到最大，增益比為1.51。

2.2 抗裂性能

為了滿足自密實混凝土具有良好的工作性能，配合比設計時需增加膠凝材料的用量，提高砂率，這導致自密實混凝土比普通混凝土更易發生塑性開裂，而與此同時會使混凝土的耐久性下降。纖維具有阻裂的性能，且在自密實混凝土中能更好的分散，兩者相輔相成，纖維改性自密實混凝土已成為高性能自密實混凝土發展趨勢之一。

試驗數據表明：聚丙烯腈纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維的摻入都能顯著提高自密實混凝土早期抗裂性能，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強，推遲了出現裂縫的時間，裂縫更少且更細。當聚丙烯腈纖維摻量為1.2 kg/m3，鋼纖維摻量為1.5%，聚丙烯纖維的摻量在1.2 kg/m3時，與無纖維改性的自密實混凝土相比，開裂面積都能減小約90%[4，8，9]。

2.3 耐久性能

混凝土的耐久性是指混凝土在實際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長期保持強度和外觀完整性的能力[10]。混凝土的耐久性包括抗滲、抗凍、抗磨、抗侵蝕等。

2.4 智能性

混凝土結構在長期使用過程中將不可避免地產生損傷積累、抗力衰減，因此，有必要對重要結構進行實時的健康監測，或使混凝土具有自我修復的功能，從而有效的避免突發事故的發生，延長結構的使用壽命。

文獻[15][16]通過試驗揭示了碳納米纖維自密實混凝土在抗壓、抗彎、劈裂和循環荷載試驗中電阻變化與應力應變之間的關系。研究表明：碳納米纖維自密實混凝土試件具有良好的壓敏特性，可直接反映所在結構部位混凝土的工作狀態，當結構內部應力接近損傷區或破壞區時，即可自動報警，實現在線監測，使其成為具有自監測功能的智能混凝土。文獻[17]通過在自密實混凝土梁受拉區內置成束的注入膠粘劑的空心玻璃纖維，制得了具有自修復功能的免振搗混凝土簡支梁，并對梁進行了三分點純彎試驗，根據梁修復前后承載力的變化，證實了內置注入膠粘劑的空心玻璃纖維對簡支梁的承載力具有恢復和提高的能力。

3 纖維對自密實混凝土工作性能的影響

摻入宏觀纖維在提高混凝土的粘聚性、抗離析性和抗泌水能力的同時，也降低了自密實混凝土的流動性[4-9，11-14]。當纖維體積摻量超過基于工作性能的體積摻量范圍后，導致混凝土不滿足自密實要求。研究表明：摻入納米級纖維可以增加自密實混凝土的堆積密度，進而使得水在減水劑的作用下能夠更有效的對顆粒進行潤滑，致使自密實混凝土的流動性能不降反升[18]。

根據CECS 203—2006自密實混凝土應用技術規程，應對自密實混凝土的工作性能進行進一步的測試，其工作性能包括流動性、離析性、填充性，可分別通過坍落擴展度試驗，V漏斗試驗或T50試驗、U型箱試驗進行工作性能的測定，來驗證試驗指標是否滿足CECS 203—2006自密實混凝土應用技術規程所要求的自密實性能等級指標，如混凝土的自密實性不滿足要求，可在試配中采用增加減水劑用量、膠凝材料用量、水膠比、砂率等方式改善其工作性能。

4 問題與展望

纖維改性自密實混凝土可使自密實混凝土向高性能化、智能化發展，然而，纖維改性混凝土仍存在一些問題尚需解決。

1)宏觀纖維、微觀纖維對自密實混凝土進行改性，可提高其力學、抗裂、耐久、智能化等性能，納米級纖維的摻入將使自密實混凝土的工作性能更加優異。2)對比柔性纖維，鋼性纖維能更好的提高自密實混凝土的性能，在土木工程中的應用也更廣，但其相對較高的費用投入，會大大提高鋼性纖維改性混凝土的成本。隨著我國國內相應生產技術的改進、升級和批量化生產模式的進一步擴大，其成本將會逐漸降低，最終可使纖維改性混凝土更廣泛應用于工程中。3)通過不同種類的纖維改性，使得自密實混凝土于單方面和多方面表現優異，因此將纖維進行混摻，可達到通過多層次的相互補充從而更好的改善混凝土性能的目的。

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Research survey of fiber modified self-compaction concrete performance★

Wang Jun Li Ting

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper indicates the advantages and weakness in the self-compaction concrete performance, points out the feasible methods from its weakness, explores the performance of the fiber modified self-compaction concrete from the dynamics, crack resistance and durability by comparing the influence of the macro fiber and micro fiber on the self-compaction concrete’s performance, and designs the research orientation for the fiber modified self-compaction concrete.

fiber, self-compaction concrete, dynamics performance, crack resistance, durability performance

1009-6825(2016)22-0111-03

2016-05-29

★:黑龍江省博士后科研啟動基金項目(項目編號：LBH-Q15011)；黑龍江省應用技術研究與開發計劃項目(項目編號：2013G0763)

王 鈞(1967- )，女，博士生導師，教授； 李 婷(1993- )，女，在讀碩士

TU528

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