混雜纖維混凝土的研究現狀*

蔣威，姜景山，滕長龍，馬冰艷，黃鑫，王震博，曹鈺

（南京工程學院建筑工程學院 南京 江蘇 211167）

0 引言

在建筑工程領域中，素混凝土有抗拉強度低，易開裂，應變低等特點。現階段研究表明，向素混凝土中加入一種纖維，混凝土中的纖維就可以利用橋接作用，高效率改善混凝土的抗裂性能。同時當混凝土受到外壓時，纖維所吸收的能量可以高效改善混凝土的力學性能和沖擊性能。在素混凝土中摻入單一纖維可在有效范圍內對抗應變和裂紋，在混凝土開裂時具有顯著的阻裂作用，例如摻入有機纖維的混凝土韌性明顯優于普通混凝土，如聚丙烯纖維混凝土。此外，在素混凝土中摻入部分纖維還能夠提高混凝土的耐腐蝕性能。例如，往混凝土中摻入鋼纖維可利用纖維本身化學特性，在混凝土成型后抑制腐蝕離子擴散，進而大幅度提高結構強度。

但單摻纖維對混凝土無法充分發揮增強和增韌作用，只能夠在有限范圍內對抗應變和裂紋，研究者指出，兩種纖維或多種纖維即混雜纖維的摻入可將纖維各自的作用進行互補和提高，例如可將彈模低質輕的聚丙烯纖維與高彈模的玄武巖纖維同時摻入混凝土，可在不同方面發揮纖維增強效果，進而達到理想強化效果；可將能夠提高混凝土韌性與抗拉強度的鋼纖維、質量輕且不與基體發生反應的聚丙烯纖維摻入混凝土，充分利用兩者自身優勢，從而實現正混雜效應。研究表明，在混凝土中摻入多種纖維不僅能夠充分發揮單一纖維各自已有優勢，而且混凝土工作性能以及力學性能等多方面均能得到顯著提高。在20世紀70年代，國外學者Walton等開展了無機纖維和有機纖維共同工作時對混凝土基體的抗拉性能和沖擊性能的研究。由于纖維制造受到生產力水平，科技水平等多重因素的影響，我國在21世紀初才進行有關研究。近年來，隨著中國生產力水平提高，混雜纖維混凝土受到工程領域人士廣泛重視，相關研究也日趨增多。

1 力學性能

惠存等[1]作者通過探究混雜玄武巖纖維以及PVA纖維對混凝土的影響，試驗表明加入纖維后的混凝土的抗折強度和韌性都得到明顯增強。同時得出0.1%的玄武巖纖維以及0.2%的PVA纖維對混凝土的抗折強度提升最佳。

楊健輝[2]等作者通過研究混凝土中加入聚丙烯纖維（簡稱PP纖維）和仿鋼纖維后力學性能受到的影響。研究發現，當仿鋼纖維體積率在一定范圍內時，混凝土的抗壓、抗折強度與纖維的摻量成線性相關，當其超過一定范圍時，混凝土的有關摻量不滿足線性關系。并且通過實驗得出PP纖維在仿鋼纖維體積率為0.3%時，凝土的抗壓強度與抗折強度最佳。

權長青[3]等作者在對鋼纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰的摻量對C40級混雜纖維混凝土（HFRC）的影響。得出鋼纖維、聚丙烯纖維、粉煤灰分別在摻量為4%、0.1%、30%時最大程度提高混凝土的劈拉抗拉強度（%）：31.5%、5.4%、3.5%。由此可見，鋼纖維的作用效果最佳，其次為聚丙烯纖維，粉煤灰作用效果最差。

黃國棟[4]等作者在對混雜纖維混凝土力學性能的分析中，發現聚丙烯纖維可以明顯地改善混凝土的力學性能。聚丙烯纖維的加入可以增大混合料的相互作用力，從而改善混凝土的抗裂強度，進一步抑制早期裂縫的形成。

駱冰冰[5]在對混雜纖維自密實混凝土的性能研究中得出，單摻玄武巖纖維摻量為3.650kg/m3時會比素混凝土的劈裂強度降低6.39%。如在上述玄武巖纖維混凝土中再適量摻入聚丙烯纖維后，混凝土劈裂強度卻呈“反彈”趨勢。

2 耐久性能

2.1 抗滲性以及耐腐蝕

黃杰[6]等通過研究混雜纖維對混凝土抗滲性能的影響，試驗結果表明當混凝土摻入鋼纖維和聚丙烯纖維后，其抗滲性能得到明顯改善，其中聚丙烯纖維抗滲性較為顯著。最后得出當鋼纖維摻量為0.5%，聚丙烯纖維摻量為0.3%時，混凝土的抗滲性能達到最佳。

王艷[7]等通過研究混雜纖維對混凝土抗滲性能的影響，實驗數據表明混雜纖維混凝土的抗滲性能明顯優于普通混凝土，混雜適量的玄武巖和聚丙烯兩種纖維的混凝土，其抗滲性明顯提高，但過多的玄武巖纖維會導致抗滲性能下降。

趙兵兵[8]通過研究玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土的抗滲性能實驗，結果表明：摻入聚丙烯纖維的混凝土抗滲性能比摻入玄武巖纖維的混凝土好，且最佳摻量在0.6%左右，能提升14.6%的抗水滲透性。玄武巖-聚丙烯比例為2:1、摻量為0.3%的混雜纖維抗滲透性能最強。

楊禮明[9]等通過對比普通混凝土和硫酸鎂混凝土在硫酸鎂溶液中的抗腐蝕能力，得出摻入高性能混雜纖維的混凝土其抗腐蝕性較強；而在干濕循環下將混凝土浸泡在硫酸鎂中，摻入高性能混雜纖維的混凝土，其抗腐蝕能力差。

2.2 抗疲勞能力

王佶[10]等通過研究層布式纖維對混凝土彎曲疲勞性能的影響，分析數據表明：混雜纖維中的聚丙烯腈纖維發揮作用，減緩裂縫的產生速度，使得在相同配合比的情況條件下，層布式混雜纖維在抗疲勞新能方面明顯優于層布式鋼纖維。

潘少林[11]等通過研究混雜纖維對混凝土材料彎曲疲勞性能的影響，數據對比發現：普通混凝土的應變變化曲線隨著加載時間呈曲折變化，混雜纖維混凝土的應變曲線呈較為平穩的狀態。最終結果：混雜纖維提高混凝土的抗疲勞性能，延長混凝土的壽命。

鄧宗才[12]對混凝土的彎曲疲勞新能進行探究，結果表明摻入玻璃纖維混雜纖維混凝土的疲勞強度有所改善，混雜纖維混凝土的疲勞強度更是有顯著的提高。

2.3 碳化性能

張頊[13]等通過研究混雜纖維的碳化性能試驗，試驗結果表明：摻入鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土更加密實，使得抗碳化性能提高，根據試驗數據，0.06%的聚丙烯摻量為最佳，過多聚丙烯纖維會導致混凝土抗碳化性能下降。

曹二偉[14]等通過研究混雜纖維對碳化性能的影響，對比顯示：不同的纖維混雜在一起能進行互補，進而產生大于普通混凝土的性能效果。最后總結出混雜纖維能夠改善混凝土孔隙結構，增強抗碳化性能。

程米春[15]等對混雜纖維混凝土的碳化試驗進行研究，分析總結摻入不同的纖維對混凝土碳化性能提高程度不同，并且通過線性方程得出摻入混雜鋼纖維和聚丙烯纖維的混凝土碳化性能良好。

2.4 抗凍性

周祎[16]等通過研究混雜纖維混凝土抗凍性能的影響，探究得出纖維通過改善混凝土結構防止水的滲入從而提高混雜纖維混凝土的抗凍性能。

肖琦[17]等通過研究混雜纖維對混凝土抗凍性能的影響，得出結論：混凝土中摻入聚丙烯纖維和鋼纖維能夠有效緩解相對動彈性模量損失率，從而影響其抗凍性能，但是摻加過多會產生反效果。

牛荻濤[18]等人通過研究快凍法研究凍融循環次數對鋼纖維混凝土后質量損失、相對動彈性模量變化、劈裂強度損失的影響，同時探究凍融環境下鋼纖維對混凝土的增強機理。試驗結果表明鋼纖維混凝土在300次凍融循環后質量損失率僅是普通混凝土的50%；加入鋼纖維的混凝土能夠抑制混凝土內部不斷產生微裂縫，從而延緩了相對動彈模量的下降；鋼纖維的摻入提高了混凝土的劈裂強度，同時減緩了凍融后混凝土劈裂強度下降速率。

姚文杰[19]等人對丙烯纖維并進行凍融試驗，通過復合材料力學理論和斷裂力學纖維間距理論對纖維混凝土增強機理進行了解釋。凍融試驗表明，當纖維摻量較低時，混凝土抗壓、抗折強度、劈裂抗拉強度都隨著纖維摻量的增加而大幅度增大，但當纖維摻量達到某一值后又都會隨纖維維摻量的增加而呈現下降趨勢。通過多組試驗，得出0.9kg/m3的聚丙烯纖維摻量為最佳摻量，此時的混凝土多種力學性能達到最佳。

3 耐高溫性能

高超[20]等人通過對鋼纖維混凝土高溫后力學性能的研究，得出混凝土的基體強度隨溫度升高呈下降趨勢。同時對比鋼纖維混凝土高溫后自然、噴水兩種冷卻方式的關系，得出自然冷卻下的基體強度比噴水冷卻下的高。

李晗[21]通過對混雜纖維對混雜混凝土高溫后抗壓強度、抗拉強度、抗折強度的影響，試驗表明混雜纖維的各項力學性能隨著溫度的升高均有所下降，但是降幅明顯低于素混凝土。同時得出400℃內混雜纖維混凝土強度損失小，超過400℃混凝土各強度指標明顯降低。

余嬋娟[22]對高溫下混凝土的彎曲性能進行研究，試驗表明混雜纖維自密實混凝土在高溫下彎曲性能優于普通自密實混凝土和摻纖維自密實混凝土。混雜纖維自密實混凝土可以提高混凝土的承載能力和防爆性。

隨著混雜纖維的摻入，混凝土的工作性能會有較大地改變。混凝土的工作性能例如和易性、保水性和粘聚性明顯改善，但混雜纖維混凝土的流動性較小使得高層施工混凝土的泵送難以進行。總的來說適量的混雜纖維對其工作性能起著積極的作用。

混雜纖維的摻量對混凝土有著正負混雜效應，摻入適量的混雜纖維，使得混凝土力學性能以及耐久性能得到不同程度的改善，混凝土由原來的脆性斷裂轉變為明顯的塑性破壞。而摻入過量的混雜纖維則會使得混凝土的孔隙率增多，因而各方面性能均有不同程度的損失。同時，在高溫條件下，相較于素混凝土以及單摻某一纖維，混雜纖維的力學性能和耐久性能均有明顯改善。

4 混雜纖維混凝土存在的一些問題以及對應的解決方法

（1）摻入混雜纖維后，隨摻量的增加混凝土的流動性、塌落度都會降低，適當提高砂率、適量添加減水劑都可以使混雜纖維混凝土的工作性能能到改善。

（2）混雜纖維在混凝土中在攪拌時極易產生結團的問題，從而破壞成型的混凝土力學性能以及耐久性能。通過實驗表明：控制纖維的摻量和攪拌方法，可避免結團問題。同時得出摻入少量的粉煤灰，纖維與混凝土的界面結構能夠得到改善。

（3）部分纖維表面光滑，直接摻入混凝土中性能將會大打折扣。使用之前應當先用適當的方法使其表面改性增強其與混凝土界面的黏聚性。

5 結語

（1）摻入一定量的混雜纖維雖然對混凝土抗拉抗折強度有小幅度地提升，但抗壓強度主要還是由普通混凝土來決定。對現有纖維的外觀以及性能進行改良，使其更全面地改善混凝土的性能，這是個未來值得研究的方向。

（2）對混雜纖維混凝土耐久性的研究大都是在實驗室模擬單一環境進行分析，但在實際工程中，混凝土所處環境并不是單一環境作用而是多種因素共同作用。因此研究混雜纖維混凝土在多重因素作用下的耐久性是必不可少的。其次就是對于混雜纖維混凝土抗震性能的研究有待補充。

（3）目前的大量研究表明，不同種類纖維對混凝土都起著改良的作用。在不同纖維之間的“正負混雜效應”方面的研究還在初步狀態，部分研究表明纖維間的相互影響有利于合理搭配纖維從而提升混凝土的性能。

（4）迄今為止，已有不在少數的學者對纖維改良混凝土的力學性能以及耐久性能進行了實驗研究，但纖維對混凝土的強化機理方面的理論研究還不夠完善，而且給出的理論還缺乏更具說服力的驗證過程。同時，混雜纖維混凝土構件的本構關系仍需進一步完善。

（5）國內外運用ABQUS軟件對鋼纖維增強混凝土梁以及梁受剪破壞機理的研究相對全面，然而對混雜纖維增強混凝土梁以及梁受剪理論模型的建立還未規范化、體系化，仍需要綜合考慮各種因素進一步分析，為推動混雜纖維混凝土的發展提供強有力的理論基礎。