纖維混凝土耐久性能研究綜述

汪一林 楊鼎宜 金意 孫博偉 鄒新興 陳露

摘要：綜述了國內學者關于纖維混凝土耐久性的研究現狀，分析結果表明：纖維在混凝土中的摻加，可以有效的改善混凝土的抗碳化性能、抗滲透性能、抗硫酸鹽侵蝕性能以及抗凍性能；纖維長度、纖維摻量、纖維摻加方式、混凝土所處的環境溫度均能影響纖維混凝土的耐久性能；纖維長度和纖維摻量對混凝土耐久性的影響呈現正態分布變化特征；摻加混雜纖維的混凝土比摻加單一纖維的混凝土耐久性能更好。

關鍵詞：纖維混凝土；抗碳化；抗滲透；抗硫酸鹽侵蝕；抗凍

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A

引言

混凝土是如今世界上用途最廣、用量最大的人造土木工程材料，具有原材料來源豐富，造價低廉，抗壓強度高，耐久性、耐火性良好等優點。但是隨著將來的建筑向高層、大跨發展，以及人類建筑活動向地下和海洋的進軍，傳統混凝土的性能已經不再適用要求?；炷两窈蟮陌l展方向是：快硬、高強、輕質、高耐久性、多功能、節能[1]。在這個背景下，纖維增強混凝土應運而生。

混凝土中摻雜纖維主要從以下兩個方面改善混凝土物理力學性能。第一，纖維能與混凝土共同承受外力。當混凝土受力出現裂紋后，裂紋之間的纖維能繼續承受外力，從而提高混凝土的強度；第二，在混凝土硬化收縮時，纖維能有效抑制混凝土中微裂紋的發展和產生，從而增強混凝土的抗裂和抗滲性能。

總而言之，混凝土中摻雜纖維既能改善混凝土受力時的應力應變特性[4]，又能在混凝土硬化過程中影響其微觀結構。

目前，研究和應用較多的合成纖維有：聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺類、芳族聚酰胺、聚酯類和碳纖維，玻璃纖維，玄武巖纖維等。這些合成纖維對于混凝土力學性能，耐久性能的改善方面各有所長。

1.纖維混凝土抗滲透性能

尚剛等[5]采用水壓力滲透法，研究了鋼纖維的摻量對于高性能混凝土抗滲透性能的影響，研究結果表明，摻加少量的鋼纖維時，就能夠明顯地提高高性能混凝土的抗滲透能力。

陳歆等[6]針對玄武巖纖維和橡膠粉均會降低混凝土耐久性的問題，展開了不同摻量的玄武巖纖維和橡膠粉對于混凝土抗滲透性能的影響，實驗結果表明，當玄武巖纖維與橡膠粉合理復摻時，能消除彼此對混凝土耐久性的不利影響。

黃琪等[7]通過氯離子滲透實驗，對比分析了普通混凝土、玻璃纖維混凝土和玄武巖纖維混凝土的碳化周期、碳化深度及孔隙度的變化，研究了碳化周期與纖維摻入對于混凝土抗滲透性能的影響，結果表明，摻加上述兩種纖維均能提高混凝土的抗碳化性能和抗滲透性能，纖維的摻雜能夠改善混凝土的粒徑分布，使得混凝土的結構更加致密。

張琦等[8]用聚丙烯纖維混凝土與素混凝土對比，研究了高溫作用下高強混凝土的抗氯離子侵蝕性能，研究表明，當作用溫度在100-200℃時，摻雜聚丙烯纖維能夠提高混凝土的抗氯離子侵蝕性能，當作用溫度在300-400℃時，效果相反，其余溫度下的影響可忽略不計。

周靜海等[9]利用自然擴散法研究廢棄纖維再生混凝土的抗滲透性能隨纖維摻量的變化規律，研究結果表明，當體積分數為0.16%，纖維長度為19mm時，廢棄纖維再生混凝土的抗滲透性能最好。

建筑材料摻入纖維的技術能有效的解決原材料在耐高溫、抗滲透等方面的不足，使材料性能能夠得到最大的改善。纖維混凝土在國內還處于研究階段，這項技術是實現混凝土技術突破的重大關鍵，實現其又一次興起的契機。本節提出的幾項纖維混凝土的實驗，其本質都是在鋼、混凝土材料中添加化學纖維，利用纖維增強機理實現材料性能的提高，對于抗滲性，其關鍵在于纖維平均間距的大小，平均間距越小，纖維對裂縫的引發和擴展的約束就越大、強度也就越高。當基體體積內的有效纖維數越多，基體內的孔隙得到有效的“填充”，減小原有材料之間間距從而增強其密實度，提高其抗滲透的能力。

2.纖維混凝土抗凍性能

孫家瑛[10]在研究聚丙烯纖維與植物纖維混凝土抗凍性能時，發現這兩種纖維的摻加均可以提高混凝土的抗凍性能，并且植物纖維在提高混凝土抗凍性能上明顯優于聚丙烯纖維。

陳愛玖等[11]針對廢棄混凝土在北方的應用問題展開研究，研究發現橡膠粗骨粒摻量與砂的體積比超過20%后，隨著體積比的增大，混凝土的孔隙度增大，使得抗凍性減弱。同時橡膠顆粒摻量還是影響混凝土相對動彈模量的重要因素。

喬宏霞等[11]使用快速凍融試驗對采用不同摻加方式的鋼纖維和聚甲醛纖維混凝土的抗凍性能展開研究，同時采用SEM技術分析混凝土的微觀結構。試驗結果表明，不同的纖維摻加方式會顯著地影響混凝土的抗凍性能，其中，混雜纖維混凝土優于單一纖維混凝土，層布式纖維混凝土優于整體式纖維混凝土。

肖琦等[13]通過快速凍融法研究混雜纖維混凝土的抗凍性，試驗選用了8種摻量的纖維混凝土，分別進行質量損失和相對動彈模量測定，研究結果表明，當混凝土摻入適量的混雜纖維后，其相對動彈模量將得到提高，質量損失降低，能增強混凝土的抗凍性，但是如果纖維摻雜過多則會適得其反，使得混凝土內部孔隙度增大，從而降低混凝土的抗凍性。

文可等[14]對比素混凝土和玄武巖纖維混凝土在100次凍融循環作用下的相對動彈模量及質量損失變化，研究玄武巖纖維混凝土的抗凍性能，試驗結果表明，玄武巖纖維的摻雜，使得混凝土的相對動彈模量是素混凝土的1.47倍，質量損失是素混凝土的0.64倍，增強了混凝土的抗凍性能。

纖維混凝土的抗凍性一直都是難題，混凝土的凍融破壞的機理國內外現有四種理論研究——水的離析成層、水壓力、滲透壓、充水系數、混凝土破壞是這四種理論因素的共同作用。纖維混凝土其主要是在混凝土凍融工程中，細石混凝土基體凍脹開裂以后，纖維就能夠發揮阻裂作用，緩和了混凝土內部缺陷處的應力集中，提高了混凝土的變形和韌性。我們利用纖維的“粘結”，在保證混凝土原有性能的基礎上有效提高抗凍性能。

3.纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能

王學志等[15]用單摻和三種不同混雜比例混摻的方式將玄武巖、聚丙烯混雜纖維摻入混凝土進行抗硫酸鹽侵蝕實驗。研究表明，隨硫酸鹽侵蝕齡期不同，單一纖維還是混雜纖維的最佳摻量均不同。整體而言，混雜纖維摻入對混凝土抗硫酸鹽性能改善作用優于摻入單一纖維的改善效果。

何曉達等[16]對在不同硫酸鹽濃度的溶液中養護28 d后的鋼-聚丙烯混雜纖維高性能混凝土的抗壓及劈拉強度進行研究。試驗表明，當SO42-濃度為2500 mg/L時，普通高性能混凝土較聚丙烯纖維混凝土抗壓強度下降幅度大的多，而鋼纖維和混雜纖維混凝土基本無變化；當SO42-濃度為5000 mg/L時，混雜纖維混凝土抗壓強度略有提高，其余類型混凝土強度均有降低，；相同腐蝕條件下，混凝土劈拉強度大都呈現統一的規律性，與劈拉強度試驗的結果相符。侵蝕養護條件不同，普通性能混凝土和聚丙烯纖維混凝土劈拉強度略有升高但幅度極小，可視作基本不變化。

黃國棟等[17]分別研究了素混凝土、單摻粉煤灰混凝土與層布式混雜纖維混凝土對飽和濃度硫酸鹽和飽和濃度氯鹽侵蝕破壞的抵抗能力。試驗結果表明單摻粉煤灰和混雜纖維都能提高混凝土的抗滲性從而改善抗侵蝕性能。但同時摻入粉煤灰、聚丙烯纖維和鋼纖維，抗侵蝕效果卻相較單摻粉煤灰混凝土的抗侵蝕效果有所降低。從硫酸鹽侵蝕后的抗壓試驗與抗折試驗可以得出，層布式混雜纖維混凝土的抗侵蝕性優于單摻粉煤灰混凝土與素混凝土，并且層布式纖維總體上改善了混凝土的脆性。另一方面，三種纖維混凝土受氯鹽的影響遠小于硫酸鹽侵蝕溶液的影響。三種混凝土同時受硫酸鹽與氯鹽侵蝕的試驗表明，單一硫酸鹽溶液的侵蝕效果大于兩種溶液的共同作用。

何銳等[18]研究了不同摻量混雜纖維混凝土抗硫酸鹽腐蝕性能，對聚乙烯纖維（PE）與聚丙烯粗合成纖維（HPP）混凝土進行硫酸鹽干濕循環腐蝕和長期浸泡侵蝕試驗。結果表明，不同纖維摻量的混凝土在硫酸鹽腐蝕作用下均出現了不同程度的損傷，但受損程度均弱于素混凝土；干濕循環的腐蝕作用較長期浸泡腐蝕混凝土的腐蝕損傷則較為明顯，聚乙烯纖維和聚丙烯粗合成纖維以0.8%+1.2%摻入時，混凝土抗壓強度也比素混凝土抗壓強度高。分析得出纖維對于混凝土內部結構應力的緩解，孔隙、通道等缺陷的分散以及纖維之間的捆綁橋聯都顯著的提高了混凝土抗硫酸鹽腐蝕性。

張爽等[19]將試驗與理論分析相結合，對摻入聚丙烯纖維混凝土和玄武巖纖維混凝土試件進行硫酸鹽侵蝕快速試驗。結果表明混雜纖維混凝土受硫酸鹽侵蝕后，其抗壓強度、劈裂抗拉強度、相對動彈性模量等性能指標均優于素混凝土。并得出SO42-離子濃度隨侵蝕深度變化的模型。

混雜纖維混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能研究開展較廣，且涉及的纖維品種較多，并大多同時具有相應的機理分析，在纖維混凝土耐久性的多個研究方向中相對較為深入。現今研究的結論較為統一，摻入混雜纖維能使混凝土的抗硫酸鹽侵蝕功能得到明顯提升。

4.纖維混凝土抗碳化性能

張頊等[20]對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土抗碳化性能進行的研究表明，鋼纖維與聚丙烯纖維的摻入能顯著提高混凝土的密實度，并有效優化CO2的滲透路徑從而加強混凝土的抗碳化能力。在聚丙烯纖維摻量一定時，混雜纖維混凝土抗碳化能力隨鋼纖維摻量的增加而提高；在鋼纖維摻量一定時，混雜纖維抗碳化能力隨聚丙烯纖維摻量增加，先增加后降低。

董衍偉等[21]對摻入不同種類鋼纖維的鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土進行抗碳化性能試驗。試驗結果表明，不同類型的混雜纖維混凝土碳化深度隨碳化時間的增加而增長。不同混雜類型的纖維混凝土碳化28天后的抗壓強度均高于基準混凝土，但并不因為摻入的纖維種類不同而產生明顯差別；劈拉強度試驗結果與抗壓強度試驗結果類似。數據表明混雜纖維混凝土碳化14天的劈拉強度高于碳化28天的強度，即劈拉強度隨碳化齡期增長而下降；另一方面，無論哪個齡期，混雜纖維混凝土碳化深度均小于基準混凝土，即抗碳化能力較強。

程云虹等[22]對不同種類纖維混凝土標準養護下的碳化深度進行試驗。試驗結果表明，標準養護28d的碳化深度最大，混雜纖維混凝土的碳化深度小于素混凝土。鋼纖維混凝土、耐堿玻璃纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土的碳化深度較素混凝土，分別減少25%、32%、33%?？梢娎w維混凝土的抗碳化能力優于素混凝土。

綜合以上摻入不同纖維的混凝土碳化實驗，纖維混凝土碳化深度小于基準混凝土，即纖維混凝土抗碳化能力強。然而纖維混凝土的碳化試驗的研究內容大多是針對摻入聚丙烯纖維和鋼纖維后的性能，研究廣度尚有欠缺；另一方面，由于纖維混凝土多組分、多尺度層次以及各向異性的結構特征，使得摻入單一纖維能提供的增強改性作用相當局限。如何發揮混合纖維在混凝土中不同結構和不同性能層次上的逐級強化，綜合提高混凝土的耐久性，還需要進一步的研究。

5.結論

（1）纖維在混凝土中的適量摻雜可以改善混凝土的耐久性、強度、抗劈拉性能等。

（2）影響纖維混凝土耐久性的因素很多，并且影響機理復雜。系統的研究需要通過標準的實驗方法，進行系列的，有規律的研究。

（3）除混凝土自身組成成分的因素，其所在環境亦對耐久性能產生不同程度的影響。對纖維混凝土耐久性的研究需要對多個影響因素控制變量，兼備深度與廣度。

（4）現階段，國內對纖維混凝土的研究較為散亂，尚未具備相互兼容的系統性，實用性較為不足，未來對該問題的研究仍任重而道遠。

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基金項目：本文系揚州大學2018年度大學生科創基金項目，項目編號：x20180385。

（作者單位：揚州大學 建筑科學與工程學院）