我国纤维聚合物混凝土的研究现状*

江润东，徐晓沐，毛继泽，刘宗民**

（1.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

综述与专论Summarization and Special Comment

我国纤维聚合物混凝土的研究现状*

江润东1，徐晓沐2**，毛继泽1，刘宗民1**

（1.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.黑龙江省科学院 高技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150040）

纤维聚合物混凝土具有高强度、高抗渗性、抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等优点，其在复杂环境工程中的应用越来越广。综述了纤维和聚合物对混凝土的改性机理，以及目前我国在纤维聚合物混凝土领域的研究现状，并讨论了我国纤维聚合物混凝土研究中的一些不足之处。

纤维聚合物混凝土；改性机理；研究现状

引言

普通水泥混凝土因具有较高的抗压强度，以及施工方便、成本低廉等优点，使其成为实际工程中应用最广、用量最多的建筑材料。但由于混凝土自身脆性大，抗弯、抗折强度低，抗渗、抗冲击性能不足等缺点，致使其在实际应用中也受到一些限制[1]。为提高混凝土的韧性，抗弯、抗折强度，抗渗、抗冲击性能等，在实际工程应用中往往加入纤维和聚合物乳液。单掺纤维虽然可以提高其抗折强度及韧性，但纤维与基体间的过渡区存在明显的缺陷，致使试样在破坏时，多数纤维被拔出,说明纤维的强度没有被全部利用[2,3]。单掺聚合物乳液可以改善其折压比、弯曲韧性及抗冲击性能，但聚合物乳液价格昂贵，用量过高会使其性价比优势不明显，大量研究表明：复掺纤维和聚合物乳液对混凝土抗冲击性、耐磨、抗弯折的改善效果明显优于两者的单掺效果[4～6]。

纤维聚合物混凝土是以聚合物作为胶粘材料，无机矿物为骨料，掺入适量的纤维、填料及稀释剂等材料，通过聚合作用固化而成的一种纤维增强复合胶凝体材料[7]。与普通混凝土相比，这种材料具有高强度、高抗渗性、抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等优点。

本文综述了纤维和聚合物对混凝土的改性机理，以及目前我国在纤维聚合物混凝土领域的研究现状，并讨论了我国纤维聚合物混凝土研究中的一些不足之处。

1 纤维和聚合物对混凝土的改性机理

1.1 纤维对混凝土的改性机理

自纤维增强混凝土问世后，诸多研究者对其改性机理进行了研究，目前争议较少，且能比较准确反映纤维增强的机理有两种，一种是复合材料理论，另一种是纤维间距理论，又称纤维阻裂机理[8,9]。

（1）复合材料理论，该理论认为混凝土基体为各向同性均质材料，纤维在混凝土中是沿受力方向均匀平行排列，并且认为纤维与混凝土基体变形协调一致，无相对滑移和错动，纤维和混凝土可以共同承担荷载，从而起到增强作用。

（2）纤维间距理论，该理论建立在线弹性断裂力学的基础上，认为在复合材料形成和破坏的过程中，纤维的加入可以有效地提高复合材料受力前后阻止裂缝引发与扩展的能力，达到纤维对混凝土增强与增韧的目的。

1.2 聚合物对混凝土的改性机理

由于研究所用的聚合物品种、掺量和研究方法的不同，得出的结论也有所不同，相应的改性机理也有所不同。目前比较一致的看法是聚合物具有减孔作用、阻裂作用以及增韧作用[10～12]。

（1）聚合物的减孔作用，一方面聚合物作为塑化剂加入可大大降低水泥浆体在实际制备过程中的用水量，因此可有效减少这些多余水分形成的孔隙、孔洞。另一方面，聚合物本身具有很好的可塑性，它可以较容易地填充在一些无机基体的空隙中，起到填充、封闭孔隙的作用。

（2）聚合物的阻裂作用，聚合物通过两个途径起到阻裂的作用，一是聚合物封堵了混凝土中的孔隙，降低了水分蒸发的速度和数量；二是聚合物的加入，使混凝土内部的裂缝上必然有一部分聚合物横跨在裂缝上，阻止裂缝的进一步扩展。

（3）聚合物的增韧作用，该作用是由于聚合物在水泥浆体与骨料间形成高黏结力、高韧性的膜，有效改善了界面过渡区[13]，界面间由脆性转变为塑性，提高界面黏结性能，使其韧性得到加强。

2 国内研究现状

2.1 钢纤维聚合物混凝土

唐瑞，等[14]利用钢纤维增韧阻裂和超吸水聚合物自养护的作用，以高吸水树脂和粉煤灰等材料制备了钢纤维超吸水聚合物混凝土。通过正交试验，研究粉煤灰、超吸水聚合物、钢纤维对混凝土28d在干养和标养条件下抗压强度的影响规律。试验结果表明，在干养条件下复掺钢纤维、超吸水聚合物能有效提高混凝土的抗劈裂和抗冲耐磨性能。

郑顺潮，等[15,16]采用理论推导与实验研究相结合的方法，对实际工程上应用的钢纤维聚合物高强混凝土的温度疲劳性能进行了研究，并与C60混凝土的温度疲劳性能进行了对比。结果表明，理论计算可以有效地得出钢纤维聚合物高强混凝土的疲劳寿命和疲劳极限，其抗疲劳性能较C60混凝土有了大幅度的提高。

张伟[17]从理论和试验两个角度分析钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理。首先采用数字光弹性实验分析钢纤维界面的残余应力，得出直线形和弯钩形钢纤维聚合物混凝土的界面应力最大值出现在埋入端位置的结论，其次进行了以钢纤维长径比和掺量为变量的力学试验，结果表明，当钢纤维的长径比为定值时，聚合物混凝土的力学强度与钢纤维的掺量成正比关系；当钢纤维的掺量为定值时，聚合物混凝土的力学强度与钢纤维的长径比成反比关系。

胡若邻，等[18]采用压痕形钢纤维和丁苯乳胶对混凝土进行改性，制备出钢纤维增强聚合物改性高强混凝土。基于边界效应模型，采用不同边界条件对其进行断裂韧性试验。试验结果表明，混凝土抗压、抗拉强度及失稳断裂韧性与钢纤维含量和聚合物含量成正比关系；起裂断裂韧性与钢纤维含量无明显关系。

罗立峰[19]采用改进的霍普金森压杆装置对普通混凝土、钢纤维混凝土和钢纤维增强聚合物改性混凝土进行了冲击试验，分析得出钢纤维增强聚合物改性混凝土的抗冲击性能最好，钢纤维混凝土次之，普通混凝土最差。

刘敬福，等[20]对钢纤维增强聚合物树脂混凝土的力学性能进行了研究，得出钢纤维含量与偶联剂对钢纤维增强聚合物树脂混凝土强度的影响规律，即树脂混凝土中加入钢纤维可提高抗剪、抗压、抗弯强度，韧性、耐磨性也有所提高。同时加入偶联剂，钢纤维增强聚合物树脂混凝土力学性能进一步提高。

谭茶生，等[21]采用改性羧基丁苯乳胶和齐鲁石化乳胶对钢纤维混凝土进行改性，测试不同配比下纤维聚合物混凝土的抗折、抗压、劈裂抗拉强度。试验结果表明，乳胶的掺入，可以显著提高钢纤维混凝土的抗折、劈裂抗拉强度等性能。乳胶对其改性机理是它的加入能够改善纤维表面与水泥砂浆基体性能，增加纤维与基体之间的界面粘结强度，使界面过渡区结构致密，从而提高其抗折和劈裂抗拉性能。

高建明，等[22]为了研究聚合物乳液对纤维增强轻集料混凝土力学性能的影响，制备了纤维增强聚合物轻集料混凝土。以聚灰比和纤维种类为变量设计了12组试件，对其进行抗压、抗折、劈裂抗拉试验。试验结果表明，掺入聚合物乳液虽然在一定程度上降低了抗压强度,但可以显著提高轻集料混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度。聚合物乳液的掺入可以有效提高纤维增强轻集料混凝土的韧性，韧度系数最高可提高32倍，同时借助SEM观察发现，钢纤维增强聚合物轻集料混凝土的界面过渡区结构致密，聚乙烯纤维增强聚合物轻集料混凝土的界面过渡区仍存在一定的间隙，上述差别使得聚合物乳液对聚乙烯纤维增强轻集料混凝土的改性效果不及对钢纤维增强轻集料混凝土的改性效果明显。

2.2 玄武岩纤维聚合物混凝土

许金余，等[23～25]建立了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的型非线性黏弹性本构模型，并通过试验验证了模型的正确性，采用Φ100mm分离式霍普金森压杆装置对玄武岩纤维普通硅酸盐混凝土和不同基体强度的玄武岩纤维聚合物混凝土进行了冲击试验。试验结果表明，玄武岩纤维普通硅酸盐混凝土与玄武岩纤维聚合物混凝土的强度和韧性随应变率的增加而提高；玄武岩纤维对于普通硅酸盐混凝土的增强效果优于聚合物混凝土，当纤维掺量为0.1%时，纤维对于普通硅酸盐混凝土的增强和增韧效果相对较好；当纤维掺量为0.3%时，纤维对于聚合物混凝土的增韧效果相对较好；随着基体强度的增加，玄武岩纤维聚合物混凝土在冲击荷载作用下的变形能力降低，体积掺量为0.2%的玄武岩纤维聚合物混凝土的变形能力最好。

于英华，等[26,27]应用损伤力学理论建立了玄武岩纤维树脂混凝土的单轴抗压本构模型，对玄武岩纤维树脂混凝土进行了单轴抗压试验，获得了玄武岩纤维树脂混凝土的准静态应力-应变曲线，模型曲线与试验曲线吻合良好，证明所建立的本构模型可以较好地描述玄武岩纤维树脂混凝土的单轴抗压的力学行为。同时为了研究玄武岩纤维对树脂混凝土的改性效果，进行了玄武岩纤维树脂混凝土和树脂混凝土抗压、劈裂抗拉的对比试验。试验结果表明，玄武岩纤维树脂混凝土较树脂混凝土的抗压强度提高了，劈裂抗拉强度高了。

刘全庆，等[28]通过混凝土电通量试验，研究了不同掺量玄武岩纤维、丁苯乳液聚合物及两者复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。试验结果表明，单掺玄武岩纤维和丁苯乳液聚合物时，随着掺量的增加，混凝土的氯离子渗透性能均呈现先降低后增加的趋势，二者复掺对混凝土抗氯离子渗透性能的改善效果优于二者单掺的改善效果。当玄武岩纤维掺量为2.5kg/m3、丁苯乳液聚合物掺量为10%时，混凝土抗氯离子渗透性能最好。

李为民，等[29]为了研究玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的高应变率力学行为，采用Φ100mm分离式霍普金森压杆装置系统对玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土进行冲击试验以及按照GB/T50081-2002[30]进行准静态力学性能试验，结果与未掺玄武岩纤维的地质聚合物混凝土进行比较。对比发现掺入玄武岩纤维对抗压强度无明显改善效果，韧性显著提高，同时，玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的强度、变形及能量吸收特性均表现出显著的应变率相关性。

2.3 碳纤维聚合物混凝土

罗鑫，等[31]以矿渣与粉煤灰作为原材料，液体硅酸钠与氢氧化钠作为碱激发剂，配制纤维体积掺量分别为0、0.1%、0.2%、0.3%的玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土和碳纤维增强地质聚合物混凝土，采用Φ100mm霍普金森压杆试验装置测试了两种材料3d、7d的冲击力学性能，结果对比分析发现，玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的早期动态强度特性优于碳纤维增强地质聚合物混凝土；随着应变率的增加，玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土相对于碳纤维增强地质聚合物混凝土在吸收冲击能上的优势越明显。

范飞林，等[32]以矿渣和粉煤灰为原料、水玻璃和氢氧化钠为碱激发剂、玄武岩纤维和碳纤维为增强材料，制备纤维增强混凝土。试件尺寸为150mm×150mm×150mm，采用压力试验机测试其抗压强度。试验结果表明，碳纤维对聚合物混凝土的增强效果优于玄武岩纤维，碳纤维和玄武岩纤维对素混凝土没有起到增强作用。

许金余，等[33,34]采用Φ100mm分离式霍普金森压杆试验装置，研究了不同掺量碳纤维聚合物混凝土在不同应变率下的冲击压缩强度与能量吸收的应变率效应、以及碳纤维掺量对碳纤维聚合物混凝土强度与吸能特性的影响。同时对比研究了碳纤维、玄武岩纤维对聚合物混凝土动态力学性能的改善效果。试验结果表明，纤维增强聚合物混凝土属于应变率敏感材料，其冲击压缩强度与能量吸收特性均表现出近似的应变率线性相关性；碳纤维对聚合物混凝土动态力学性能的改善效果优于玄武岩纤维，当碳纤维体积产量为0.2%时，改善效果最佳。

2.4 合成纤维聚合物混凝土

陈文，等[35,36]选用玄武岩、聚丙烯腈纤维和改性沥青作为原材料,设计并制备了高性能沥青混凝土，使用旋转压实仪对其压实成型，对其进行体积性能试验、高温稳定性试验和水敏感性试验。试验结果表明，聚合物纤维可以改善沥青混凝土的路用性能，在使用纤维作为改性剂后,混合料的动稳定度、劈裂强度等指标均有不同程度的提高。

闫焕英[37]为了研究聚合物乳液的掺入对单掺以及复掺纤维增强轻集料混凝土的抗压强度、抗折强度、弹性模量与冲击韧性的影响规律，以聚合物含量、纤维种类和纤维含量为变量设计出20组试验构件，对其进行力学试验和抗冲击试验。试验结果表明，加入聚合物乳液虽在一定程度上降低了轻集料混凝土抗压强度及弹性模量，但可以显著提高其抗折强度；聚合物乳液的加入也可以提高纤维增强轻集料混凝土的韧性、降低其脆性，冲击韧性增强近3倍。

仓定仲，等[38]通过检测聚合物纤维修复混凝土的抗压强度、劈拉强度，研究了聚丙烯纤维、UEA膨胀剂、MA改性剂聚合物乳液同时掺入时对混凝土抗压强度、劈拉强度等力学性能的影响。结果表明UEA膨胀剂可以使混凝土后期强度有所提高，聚丙烯纤维的掺入极大地改善了混凝土塑性性能。

郭丽萍，等[39]发明了一种纤维和聚合物复合增韧混凝土，混凝土基本原材料为粗集料、细集料、硅酸盐水泥、粉煤灰、聚羧酸减水剂，另外还添加有聚乙烯醇纤维和聚合物。聚合物的加入可以抑制微裂纹的萌生,减缓应力集中，同时改善了纤维-水泥基体和骨料-水泥基体间的界面结构，使纤维在拔出过程中需要克服更大的粘结力，从而得到高强度、高韧性、高抗裂性的复合水泥基材料。该种材料可以广泛用于土木工程、公路、桥梁等建筑领域。

曾海燕，等[40]研究了呋喃聚合物混凝土中掺入不同体积含量的杜拉纤维后，其抗压强度、抗折强度及劈裂抗拉强度的变化，确定了杜拉纤维的最佳掺量，其中杜拉纤维的材料为聚丙烯。结果表明，杜拉纤维的最佳掺量推荐采用0.7～0.9kg/m3。纤维掺量太少，增强作用不明显；掺量太多，不易分布均匀及形成空隙。杜拉纤维的加入对提高混凝土的抗压强度影响不大，其劈裂抗拉强度最高提升了15.5%，抗折强度最高提升了14.4%。

薛刚，等[41]研究了不同水胶比下普通混凝土、橡胶混凝土、塑钢纤维橡胶混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度等力学性能。研究表明，掺入橡胶颗粒后，混凝土强度有所降低；掺入塑钢纤维后，橡胶混凝土的抗压强度得到提高；相同水胶比下，塑钢纤维对橡胶混凝土的抗折强度和抗拉强度的提高作用明显。

高丹盈，等[42]通过聚酯纤维沥青混凝土小梁的弯曲蠕变试验，研究纤维体积率和长径比对沥青混凝土黏弹性力学模型参数及黏弹性能的影响。结果表明，纤维含量特征参数能综合反映纤维体积率和长径比的影响，随纤维体积率和长径比的增大，纤维对沥青混凝土弯曲蠕变变形的约束能力先增强后减弱，聚酯纤维沥青混凝土的最佳纤维体积率为0.35%。

2.5 其他纤维聚合物混凝土

任韦波，等[43]以矿渣和粉煤灰为主要原料，制备了陶瓷纤维增强地质聚合物混凝土，为了研究陶瓷纤维增强地质聚合物混凝土强度、波速、频谱特征以及温度裂缝的变化规律，以温度、纤维掺量为变量，进行了抗压强度试验、超声波测试和裂缝宽度检测。试验结果表明，高温后陶瓷纤维增强地质聚合物混凝土抗压强度降低，纵波波速和声阻抗减小，温度裂缝宽度增大；纤维体积掺量为0.3%时，陶瓷纤维对地质聚合物混凝土的高温性能具有良好的改善效果。

白文峰，等[44]采用玻璃纤维来增强聚合物混凝土，并通过一组正交试验测定了不同配比玻璃纤维增强聚合物混凝土试样的抗压强度。结果表明，玻璃纤维长度和玻璃纤维用量对材料的抗压强度影响较大，随它们的增加抗压强度先增加后减小；环氧树脂用量、增韧剂用量和骨料级配的影响相对较小；玻璃纤维长度为20mm时，增强效果最佳。

曾梦澜，等[45]采用变截面分离式霍普金森压杆试验装置对普通沥青混凝土、玻璃纤维沥青混凝土、木质素纤维沥青混凝土和3个掺量的聚酯纤维沥青混凝土进行了3种应变率的冲击压缩试验研究。试验结果表明，纤维沥青混凝土动力抗压强度及韧性指标增长率随应变率提高有递减趋势，聚酯纤维掺量为0.2%的沥青混凝土动力抗压强度及韧性最佳。

3 结语

纤维聚合物混凝土具有高强度、高抗渗性、抗冲击、耐腐蚀、耐磨损等优点，在复杂环境工程中的应用越来越广。关于纤维聚合物混凝土的研究，学者从纤维种类、纤维掺量、聚合物种类、聚合物掺量等方面入手，对其进行了试验和分析。但针对纤维聚合物混凝土的研究，还有一些尚待改善之处：

（1）国内学者对纤维聚合物混凝土的研究往往停留在材料宏观的力学性能方面，应加强纤维聚合物混凝土在微观结构和改性机理方面的研究。

（2）纤维聚合物混凝土的制备均在实验室中完成，但施工现场不同于实验室，聚合物黏度大，硬化速度较快以及纤维不易分散均匀都是纤维聚合物混凝土在现场施工中面临的问题。

（3）纤维聚合物混凝土具有优异的力学特性，尤其在复杂环境中这些特性就体现得更加明显。但在实际工程中，多以试验指标来指导纤维聚合物混凝土的工程应用。目前我国缺乏纤维聚合物混凝土的行业标准与规范，随着纤维聚合物混凝土的不断发展与应用，我国纤维聚合物混凝土材料的标准化工作任重而道远。

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Research Status of Fiber Polymer Concrete in China

JIANG Run-dong1,XU Xiao-mu2,MAO Ji-ze1and LIU Zong-min1
（1.College of Aerospace and Civil Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China;2.Institute of Advanced Technology, Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150020,China）

Fiber polymer concrete has the advantages of high strength,high impermeability,impact resistance,corrosion resistance,abrasion resistance and so on,which is more and more widely used in complex environment engineering.The modification mechanism of fiber and polymer on concrete,and the current research status of fiber polymer concrete in China were described in this paper.Meanwhile,some deficiencies in the research of fiber polymer concrete in China were discussed.

Fiber polymer concrete;modification mechanism;research status

TU528.572

A

1001-0017（2017）03-0205-05

2017-01-13 *基金项目：黑龙江省自然科学基金资助项目（编号：E201415）和中央高校基本科研业务费专项资金项目（编号：HEUCF160207）。

江润东（1993-），男，内蒙古扎兰屯人，在读硕士研究生，从事混凝土耐久性方面的研究。

**通讯联系人：徐晓沐（1976-），女，高级工程师，硕士，主要从事高分子材料方面的研究，E-mail:xuxm3@sina.com.cn。刘宗民（1976-），男，副教授，博士，主要从事新型结构的力学性能分析研究，E-mail:liuzongmin@hrbeu.edu.cn。