混雜纖維自密實混凝土的應用研究進展

韓園圈 董學超

[摘要]近年來，混雜纖維復合材料以優良的性能優勢和較為明顯的成本優勢，在各個領域得到快速應用與發展。因纖維之間存在著交互作用，混雜纖維復合材料性能的表現要超過所有單摻纖維的疊加。本文對國內外有關研究進行總結，重點分析了混雜纖維自密實混凝土的性能優勢，并對其發展方向進行了展望。

[關鍵詞]混雜纖維；纖維復合材料；性能優勢；成本優勢 文章編號：2095-4085（2018）06-0007-02

混凝土材料具有抗壓強度高、剛度較大和耐久性能好等優點，但也存在著明顯的缺點，混凝土材料的抗拉強度偏低，特別容易發生脆性破壞，因此可以在混凝土中摻雜纖維以起到增強混凝土的作用。目前將水泥基材料復合化是提高其性能的主要途徑，纖維可以發揮增加強度、韌性和延緩開裂的作用[1]。

查閱文獻可知，摻雜某種單一纖維以增強混凝土強度的作用通常較為有限，不能全方位彌補混凝土的缺點，而多種纖維混雜可以促進纖維協同工作，有效解決混凝土抗拉、抗彎強度低，易開裂等問題[2]。

混雜纖維復合材料具有不同纖維的優點，取長補短，既能優化綜合力學性能，又能有效降低成本。

1 工程應用

相比于國外而言，我國研究混雜纖維混凝土起步較晚，在研究和應用方面都遠遠不及發達國家。近年來，由于國內基礎建設發展迅速，對混凝土材料性質的要求也有所提高，我國開始關注混雜纖維混凝土的研究并對其進行嘗試與應用[3]。目前，國內多項工程應用單一纖維摻雜強化的混凝土材料，應用效果良好，達到預期目標。混雜纖維混凝土目前的工程應用尚處于起步階段，但具有廣闊的應用前景。

我國的南水北調中線輸出建筑物渡槽為了避免極大溫差引起混凝土結構物的內應力發生顯著改變，導致普通混凝土受拉開裂，研制了一種高性能復合纖維與細灰增強混凝土，其是由不同長度的聚丙烯纖維進行混雜，加入到特種水泥中，經由強力攪拌之后混合形成的復合材料。

上海地鐵建設公司與同濟大學一起合作，開展研究地鐵隧道復合纖維混凝土管片技術，開啟了我國地鐵隧道復合纖維管片技術之先河，并在綜合研究地鐵隧道復合纖維管片新技術的基礎上于上海M6地鐵實施試驗段[4]。

2 國內研究現狀

近幾年來，隨著國內纖維混雜研究熱度的上升，混雜纖維自密實混凝土有關實驗的數量增多，研究成果也越來越突出。華淵等分別實驗了聚丙烯纖維與碳纖維混雜、聚丙烯纖維與鋼纖維混雜、抗堿玻璃纖維與聚乙烯纖維混雜三種混雜方式，相互對照以研究混雜效應。實驗通過假定混雜系數，計算抗拉強度，抗壓強度和抗彎強度，利用計算結果分析混雜效應的體積率和纖維體積分數之間的關系，最終得出利用高延性高彈纖維進行混雜的自密實混凝土力學性能優良的結論[5]。

為使高強混凝土彎曲性能增強，焦楚杰混雜鋼纖維和聚丙烯纖維，配制混雜纖維自密實高強混凝土。實驗結果表明，從初裂強度、韌性和抗彎強度等性能進行衡量，混雜纖維自密實混凝土性能優于普通高強混凝土，相比于單一摻雜鋼纖維的高強自密實混凝土也具有明顯優勢[6]。

丁一寧、董香軍等設置單一摻雜鋼纖維、單一摻雜聚丙烯纖維和摻雜混雜纖維的三組自密實混凝土材料，通過實驗進行對比三組自密實混凝土材料的抗彎韌性和強度的研究。實驗結果表明：相比于鋼纖維混凝土，混雜纖維混凝土具有更好的韌性，而且破壞形態也得到明顯改善，其原因在于充分發揮聚丙烯纖維的抗拉性能，從而有效延緩混凝土開裂之后鋼纖維的拔出過程[7]。

3 國外研究現狀

Feldman等組合研究鋼纖維和聚丙烯纖維后發現，兩種纖維提升混凝土性能的側重點不同：鋼纖維彈性模量大，能提高混凝土抗拉強度；聚丙烯纖維彈性模量較低但延性好，有效提高混凝土的韌性以及混凝土開裂后的應變性能[8]。

Glavind等利用鋼纖維和聚丙烯纖維兩種材料進行混雜，研究發現這兩種纖維的混雜對提高復合材料極限壓應變具有顯著作用。

Banthia等利用普通混凝土與多種類型纖維進行混雜實驗，得出彈性模量低的各向同性瀝青基碳纖維和彈性模量高的自旋相瀝青基碳纖維之間協同效應較強；在增韌方面，聚丙烯纖維和自旋相的碳纖維表現出的協同作用最大；采用較低的纖維總體積率相比于較高的纖維總體積率更容易得到混雜效應[9]。

4 結論和展望

混雜纖維的摻入，能有效改善混凝土的力學性能，改善的程度與混雜纖維的品質，幾何形態，產量比例，基本強度等因素息息相關。而且混雜纖維的摻入還能提高混凝土的黏聚性及保水性，雖然會對混凝土拌合物的流動性產生負面影響，但從總體上來講，混雜纖維混凝土拌合物還是具有良好且穩定的和易性，其工作性能得到了改善。

從混雜效應的角度來看，有正負混雜效應兩種，故存在著最優混雜纖維類型和摻量組合。其破壞形態明顯得到改善，由普通混凝土的脆性破壞變為明顯的延性破壞。

將不同尺度與性能的纖維混雜，取長補短，在混凝土受荷的不同階段和層次上發揮混雜效應，協同作用，從而強化韌性混凝土，得到綜合力學性能良好的高性能混凝土，將是建筑科學領域具有廣闊前景的研究發展方向之一，目前對混雜纖維混凝土的研究還處于試驗研究階段，理論研究還有待深入，很多問題尚待解決。

參考文獻：

[1]王振波.聚乙烯醇——鋼纖維混雜增強水泥基復合材料力學性能研究[D]，北京：清華大學，2016.

[2]黃國棟，馬芹永.混雜纖維混凝土力學性能試驗研究與分析[J].地下空間與工程學報，2010，6（02）：329-333+340.

[3]寧博，歐陽東，易寧，等.混雜纖維混凝土在地鐵管片中的應用[J].混凝土與水泥制品，2011，（01）：50-53.

[4]鞠麗艷，王量，張雄.地鐵隧道復合纖維混凝土管片新技術[J].混凝土，2004，（08）：69-71.

[5]畢遠志，孔一凡，華淵，等.建筑節能[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[6]焦楚杰，孫偉，秦鴻根，等.聚丙烯-鋼纖維高強混凝土彎曲性能試驗研究[J].建筑技術，2004，（01）：48-49+58.

[7]丁一寧，董香軍，王岳華.混雜纖維自密實混凝土的強度和抗彎韌性[J].建筑材料學報，2005，（03）：294-298.

[8]尹機會.鋼一合成纖維混凝土強度與韌性的試驗研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[9]張二龍.復合纖維混凝土力學及耐久性能試驗研究[D].天津：河北工業大學，2007.