改性纖維對混凝土抗凍性能的影響研究進展

許曉云，劉欣欣，彭雅娟，燕 琴

(南昌工學院 人居環境學院，江西 南昌 330108)

0 前 言

混凝土的發展經歷了漫長的歷史演變，已逐漸發展成為現代多功能混凝土，在近現代土木工程中發揮著無可替代的作用。混凝土的優點在于抗壓強度高、成本低廉且性能優異，但也存在抗拉強度低、抗裂性能差、韌性小等劣勢，限制了其潛在的發展。近年來，隨著天然砂石資源的逐漸短缺，采用廢棄商品混凝土加工而成的再生混凝成為業界研究的熱點，但再生混凝土的粗細骨料存在大量空隙，表面粗糙且棱角多，導致再生混凝土的性能及耐久性等性能劣化。鑒于上述狀況，學術界與工程界長期以來一直在致力于研究改善混凝土性能(主要提高抗拉強度、增強韌性)的方法途徑。近年來，采用纖維增強混凝土的性能已成為當前研究的熱門方向之一，其技術方案是將各種改性纖維拌和添加到混凝土中以改善其性能，主要包括聚丙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維和鋼纖維等材料。

1 纖維對普通混凝土抗凍性能的影響

混凝土是一種脆性材料，脆性基體材料開裂時，由于其抗壓強度遠高于開裂強度，且斷裂韌性較差容易形成失穩破壞。大量實驗證明，混凝土中摻入纖維，使混凝土的斷裂性能得到改善，從而導致混凝土破壞形式發生改變。

抗凍性是衡量混凝土耐久性的重要指標之一，國內外學者采用了多種有效的評價參數與測試方法研究了以凍融為主要因素對混凝土的耐久性。筆者通過查閱大量文獻并進行了總結，揭示了聚丙乙烯纖維、玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維、鋼纖維等對混凝土抗凍耐久性能的影響。

聚丙烯纖維是一種具有伸長率高、低彈性模量的纖維，通常被用于提高材料韌性、抗沖擊性能以及抗疲勞性能。周志云等[1]研究發現在100次凍融循環后，與摻入0.1 kg/m3聚丙烯纖維的混凝土相比普通混凝土質量損失超過10%，而聚丙烯纖維混凝土的質量損失低于3%。王瑞興等[2]就聚丙烯纖維摻量(0～0.9 kg/m3)對混凝土的抗凍性的影響進行了研究，發現當聚丙烯纖維摻量為0.9 kg/m3時，更能顯示出混凝土的優越的耐久性。

玄武巖纖維是一種強度高、耐高溫、耐久性好、無污染的無機非金屬材料，受到了不少學者的關注。文可等[3]研究發現，在100次凍融循環后，玄武巖混凝土的相對彈性模量和質量損失分別是普通混凝土的1.47和0.64倍。玄武巖纖維可優化混凝土內部孔結構，使混凝土外部的水難以滲透到空隙內部，減少了空隙內可結冰水，達到改善混凝土抗凍性能的作用。

碳纖維是一種性能優良的新型纖維，其比彈性模量大、比強度高、密度小、耐腐蝕、耐高溫且能導電，常用于改善材料的強度與剛度。曹梓煜等[4]研究了0、0.5%、0.7%、1.0%四種不同體積分數碳纖維摻入混凝土的凍融試驗，在凍融循環初期，碳纖維對混凝土性能改善作用不大，125次凍融循環后，摻入碳纖維能明顯改善混凝土抗凍性，在300次凍融循環后，摻入碳纖維的混凝土外形完整，平均重量損失為5.19%，相對彈性模量損失34%，發現體積分數為1%摻量的碳纖維對混凝土的抗凍性能改善最優。

纖維素纖維具有彈性模量大、親水性強、與水泥基體之間附著力強等優點。徐海賓等[5]通過凍融試驗研究摻入纖維素纖維對混凝土的耐久性的影響，研究發現凍融循環300次后，普通混凝土和摻入聚乙烯纖維的混凝土都發生凍融破壞，混凝土中摻入0.9～1.3 kg/m3纖維素纖維未發生凍融破壞，纖維摻量的增加，明顯改善了混凝土的抗凍性能。

鋼纖維是一種彈性模量大且強度高的高性能纖維，被廣泛地用于混凝土道路中。董振平等[6]通過凍融試驗研究鋼纖維對高強混凝土抗凍性的影響，經過300次凍融循環后，在凍融循環作用下混凝土內部產生了滲透壓應力與溫度應力，導致混凝土開裂。根據復合材料理論，鋼纖維摻入混凝土后，提高了混凝土的彈性模量，且鋼纖維可以抵抗混凝土裂縫的發展，從而抵抗凍融破壞。

2 纖維對再生混凝土抗凍耐久性的影響

Roumiana Zaharieva等[7]和 A Gokce等[8]，指出再生混凝土的抗凍性能低于普通混凝土，其主要原因是再生混凝土骨料自身的缺陷。摻入纖維能改善再生混凝土骨料自身的缺陷，也可形成一種新型材料，是研究建筑材料可持續發展的方向之一。

任磊等[9]通過凍融試驗研究摻入玄武巖改善再生混凝土抗凍性的最佳摻量，結果表明再生骨料最佳取代率為50%、玄武巖纖維最佳摻量為4 kg/m3。100次凍融循環作用后，摻量為4 kg/m3的玄武巖再生混凝土的抗壓強度明顯高于普通混凝土。

顏勝強等[10]就纖維素再生混凝土抗凍性能進行了研究，研究發現纖維素纖維的摻入可以改善再生混凝土的抗凍性能，當摻量為0.6%時，效果最為顯著。

霍俊芳等[11]通過凍融試驗研究鋼纖維對再生混凝土抗凍性的影響，研究發現鋼纖維摻量為0.5 kg/m3時對再生混凝土抗凍性能改善最為顯著。摻入鋼纖維后，鋼纖維再生混凝土抗凍等級大于F300。

綜上所述，玄武巖纖維、碳纖維、纖維素纖維、鋼纖維都可以改善混凝土與再生混凝土的抗凍性能。其改善機理大致相同，主要包括：①混凝土中摻入纖維后，纖維能形成各種網狀結構，可以優化混凝土的孔結構；②數目眾多的纖維能阻礙連通孔洞的形成，使水的遷移困難，大量纖維錯綜復雜地分布在混凝土內部可以改善其含氣量和含水量，從而可以降低混凝土內部的滲透壓和靜水壓；③纖維的彈性模量高于混凝土彈性模量，纖維的摻入可以增大混凝土的彈性模量；④混凝土受到外界荷載時，會產生裂縫，纖維的摻入導致混凝土裂縫發展時，其平均距離內都會有一根纖維阻止裂縫的發展(纖維間距理論)。

3 結論與展望

纖維作為改善混凝土性能的新型材料，再生混凝土中摻入纖維，對混凝土的性能有顯著影響。當纖維和其他添加劑混合或多種纖維混和摻入時對混凝土和再生混凝土的力學性能改善明顯比單摻纖維改善混凝土的力學性能效果好，纖維可明顯改善混凝土和再生混凝土的抗凍性，而且對再生混凝土性能的改善程度明顯強于普通混凝土。目前國內建筑垃圾資源化利用率存在很大的發展空間，再生混凝土是一種綠色建筑建材符合可持續發展理念的新型材料，是未來建筑材料發展的重要方向之一。

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