纤维混凝土耐久性能研究综述

汪一林 杨鼎宜 金意 孙博伟 邹新兴 陈露

摘要：综述了国内学者关于纤维混凝土耐久性的研究现状，分析结果表明：纤维在混凝土中的掺加，可以有效的改善混凝土的抗碳化性能、抗渗透性能、抗硫酸盐侵蚀性能以及抗冻性能；纤维长度、纤维掺量、纤维掺加方式、混凝土所处的环境温度均能影响纤维混凝土的耐久性能；纤维长度和纤维掺量对混凝土耐久性的影响呈现正态分布变化特征；掺加混杂纤维的混凝土比掺加单一纤维的混凝土耐久性能更好。

关键词：纤维混凝土；抗碳化；抗渗透；抗硫酸盐侵蚀；抗冻

中图分类号：TU528 文献标识码：A

引言

混凝土是如今世界上用途最广、用量最大的人造土木工程材料，具有原材料来源丰富，造价低廉，抗压强度高，耐久性、耐火性良好等优点。但是随着将来的建筑向高层、大跨发展，以及人类建筑活动向地下和海洋的进军，传统混凝土的性能已经不再适用要求。混凝土今后的发展方向是：快硬、高强、轻质、高耐久性、多功能、节能[1]。在这个背景下，纤维增强混凝土应运而生。

混凝土中掺杂纤维主要从以下两个方面改善混凝土物理力学性能。第一，纤维能与混凝土共同承受外力。当混凝土受力出现裂纹后，裂纹之间的纤维能继续承受外力，从而提高混凝土的强度；第二，在混凝土硬化收縮时，纤维能有效抑制混凝土中微裂纹的发展和产生，从而增强混凝土的抗裂和抗渗性能。

总而言之，混凝土中掺杂纤维既能改善混凝土受力时的应力应变特性[4]，又能在混凝土硬化过程中影响其微观结构。

目前，研究和应用较多的合成纤维有：聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺类、芳族聚酰胺、聚酯类和碳纤维，玻璃纤维，玄武岩纤维等。这些合成纤维对于混凝土力学性能，耐久性能的改善方面各有所长。

1.纤维混凝土抗渗透性能

尚刚等[5]采用水压力渗透法，研究了钢纤维的掺量对于高性能混凝土抗渗透性能的影响，研究结果表明，掺加少量的钢纤维时，就能够明显地提高高性能混凝土的抗渗透能力。

陈歆等[6]针对玄武岩纤维和橡胶粉均会降低混凝土耐久性的问题，展开了不同掺量的玄武岩纤维和橡胶粉对于混凝土抗渗透性能的影响，实验结果表明，当玄武岩纤维与橡胶粉合理复掺时，能消除彼此对混凝土耐久性的不利影响。

黄琪等[7]通过氯离子渗透实验，对比分析了普通混凝土、玻璃纤维混凝土和玄武岩纤维混凝土的碳化周期、碳化深度及孔隙度的变化，研究了碳化周期与纤维掺入对于混凝土抗渗透性能的影响，结果表明，掺加上述两种纤维均能提高混凝土的抗碳化性能和抗渗透性能，纤维的掺杂能够改善混凝土的粒径分布，使得混凝土的结构更加致密。

张琦等[8]用聚丙烯纤维混凝土与素混凝土对比，研究了高温作用下高强混凝土的抗氯离子侵蚀性能，研究表明，当作用温度在100-200℃时，掺杂聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗氯离子侵蚀性能，当作用温度在300-400℃时，效果相反，其余温度下的影响可忽略不计。

周静海等[9]利用自然扩散法研究废弃纤维再生混凝土的抗渗透性能随纤维掺量的变化规律，研究结果表明，当体积分数为0.16%，纤维长度为19mm时，废弃纤维再生混凝土的抗渗透性能最好。

建筑材料掺入纤维的技术能有效的解决原材料在耐高温、抗渗透等方面的不足，使材料性能能够得到最大的改善。纤维混凝土在国内还处于研究阶段，这项技术是实现混凝土技术突破的重大关键，实现其又一次兴起的契机。本节提出的几项纤维混凝土的实验，其本质都是在钢、混凝土材料中添加化学纤维，利用纤维增强机理实现材料性能的提高，对于抗渗性，其关键在于纤维平均间距的大小，平均间距越小，纤维对裂缝的引发和扩展的约束就越大、强度也就越高。当基体体积内的有效纤维数越多，基体内的孔隙得到有效的“填充”，减小原有材料之间间距从而增强其密实度，提高其抗渗透的能力。

2.纤维混凝土抗冻性能

孙家瑛[10]在研究聚丙烯纤维与植物纤维混凝土抗冻性能时，发现这两种纤维的掺加均可以提高混凝土的抗冻性能，并且植物纤维在提高混凝土抗冻性能上明显优于聚丙烯纤维。

陈爱玖等[11]针对废弃混凝土在北方的应用问题展开研究，研究发现橡胶粗骨粒掺量与砂的体积比超过20%后，随着体积比的增大，混凝土的孔隙度增大，使得抗冻性减弱。同时橡胶颗粒掺量还是影响混凝土相对动弹模量的重要因素。

乔宏霞等[11]使用快速冻融试验对采用不同掺加方式的钢纤维和聚甲醛纤维混凝土的抗冻性能展开研究，同时采用SEM技术分析混凝土的微观结构。试验结果表明，不同的纤维掺加方式会显著地影响混凝土的抗冻性能，其中，混杂纤维混凝土优于单一纤维混凝土，层布式纤维混凝土优于整体式纤维混凝土。

肖琦等[13]通过快速冻融法研究混杂纤维混凝土的抗冻性，试验选用了8种掺量的纤维混凝土，分别进行质量损失和相对动弹模量测定，研究结果表明，当混凝土掺入适量的混杂纤维后，其相对动弹模量将得到提高，质量损失降低，能增强混凝土的抗冻性，但是如果纤维掺杂过多则会适得其反，使得混凝土内部孔隙度增大，从而降低混凝土的抗冻性。

文可等[14]对比素混凝土和玄武岩纤维混凝土在100次冻融循环作用下的相对动弹模量及质量损失变化，研究玄武岩纤维混凝土的抗冻性能，试验结果表明，玄武岩纤维的掺杂，使得混凝土的相对动弹模量是素混凝土的1.47倍，质量损失是素混凝土的0.64倍，增强了混凝土的抗冻性能。

纤维混凝土的抗冻性一直都是难题，混凝土的冻融破坏的机理国内外现有四种理论研究——水的离析成层、水压力、渗透压、充水系数、混凝土破坏是这四种理论因素的共同作用。纤维混凝土其主要是在混凝土冻融工程中，细石混凝土基体冻胀开裂以后，纤维就能够发挥阻裂作用，缓和了混凝土内部缺陷处的应力集中，提高了混凝土的变形和韧性。我们利用纤维的“粘结”，在保证混凝土原有性能的基础上有效提高抗冻性能。

3.纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能

王学志等[15]用单掺和三种不同混杂比例混掺的方式将玄武岩、聚丙烯混杂纤维掺入混凝土进行抗硫酸盐侵蚀实验。研究表明，随硫酸盐侵蚀龄期不同，单一纤维还是混杂纤维的最佳掺量均不同。整体而言，混杂纤维掺入对混凝土抗硫酸盐性能改善作用优于掺入单一纤维的改善效果。

何晓达等[16]对在不同硫酸盐浓度的溶液中养护28 d后的钢-聚丙烯混杂纤维高性能混凝土的抗压及劈拉强度进行研究。试验表明，当SO42-浓度为2500 mg/L时，普通高性能混凝土较聚丙烯纤维混凝土抗压强度下降幅度大的多，而钢纤维和混杂纤维混凝土基本无变化；当SO42-浓度为5000 mg/L时，混杂纤维混凝土抗压强度略有提高，其余类型混凝土强度均有降低，；相同腐蚀条件下，混凝土劈拉强度大都呈现统一的规律性，与劈拉强度试验的结果相符。侵蚀养护条件不同，普通性能混凝土和聚丙烯纤维混凝土劈拉强度略有升高但幅度极小，可视作基本不变化。

黄国栋等[17]分别研究了素混凝土、单掺粉煤灰混凝土与层布式混杂纤维混凝土对饱和浓度硫酸盐和饱和浓度氯盐侵蚀破坏的抵抗能力。试验结果表明单掺粉煤灰和混杂纤维都能提高混凝土的抗渗性从而改善抗侵蚀性能。但同时掺入粉煤灰、聚丙烯纤维和钢纤维，抗侵蚀效果却相较单掺粉煤灰混凝土的抗侵蚀效果有所降低。从硫酸盐侵蚀后的抗压试验与抗折试验可以得出，层布式混杂纤维混凝土的抗侵蚀性优于单掺粉煤灰混凝土与素混凝土，并且层布式纤维总体上改善了混凝土的脆性。另一方面，三种纤维混凝土受氯盐的影响远小于硫酸盐侵蚀溶液的影响。三种混凝土同时受硫酸盐与氯盐侵蚀的试验表明，单一硫酸盐溶液的侵蚀效果大于两种溶液的共同作用。

何锐等[18]研究了不同掺量混杂纤维混凝土抗硫酸盐腐蚀性能，对聚乙烯纤维（PE）与聚丙烯粗合成纤维（HPP）混凝土进行硫酸盐干湿循环腐蚀和长期浸泡侵蚀试验。结果表明，不同纤维掺量的混凝土在硫酸盐腐蚀作用下均出现了不同程度的损伤，但受损程度均弱于素混凝土；干湿循环的腐蚀作用较长期浸泡腐蚀混凝土的腐蚀损伤则较为明显，聚乙烯纤维和聚丙烯粗合成纤维以0.8%+1.2%掺入时，混凝土抗压强度也比素混凝土抗压强度高。分析得出纤维对于混凝土内部结构应力的缓解，孔隙、通道等缺陷的分散以及纤维之间的捆绑桥联都显著的提高了混凝土抗硫酸盐腐蚀性。

张爽等[19]将试验与理论分析相结合，对掺入聚丙烯纤维混凝土和玄武岩纤维混凝土试件进行硫酸盐侵蚀快速试验。结果表明混杂纤维混凝土受硫酸盐侵蚀后，其抗压强度、劈裂抗拉强度、相对动弹性模量等性能指标均优于素混凝土。并得出SO42-离子浓度随侵蚀深度变化的模型。

混杂纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀性能研究开展较广，且涉及的纤维品种较多，并大多同时具有相应的机理分析，在纤维混凝土耐久性的多个研究方向中相对较为深入。现今研究的结论较为统一，掺入混杂纤维能使混凝土的抗硫酸盐侵蚀功能得到明显提升。

4.纤维混凝土抗碳化性能

张顼等[20]对钢-聚丙烯混杂纤维混凝土抗碳化性能进行的研究表明，钢纤维与聚丙烯纤维的掺入能显著提高混凝土的密实度，并有效优化CO2的渗透路径从而加强混凝土的抗碳化能力。在聚丙烯纤维掺量一定时，混杂纤维混凝土抗碳化能力随钢纤维掺量的增加而提高；在钢纤维掺量一定时，混杂纤维抗碳化能力随聚丙烯纤维掺量增加，先增加后降低。

董衍伟等[21]对掺入不同种类钢纤维的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土进行抗碳化性能试验。试验结果表明，不同类型的混杂纤维混凝土碳化深度随碳化时间的增加而增长。不同混杂类型的纤维混凝土碳化28天后的抗压强度均高于基准混凝土，但并不因为掺入的纤维种类不同而产生明显差别；劈拉强度试验结果与抗压强度试验结果类似。数据表明混杂纤维混凝土碳化14天的劈拉强度高于碳化28天的强度，即劈拉强度随碳化龄期增长而下降；另一方面，无论哪个龄期，混杂纤维混凝土碳化深度均小于基准混凝土，即抗碳化能力较强。

程云虹等[22]对不同种类纤维混凝土标准养护下的碳化深度进行试验。试验结果表明，标准养护28d的碳化深度最大，混杂纤维混凝土的碳化深度小于素混凝土。钢纤维混凝土、耐碱玻璃纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土的碳化深度较素混凝土，分别减少25%、32%、33%。可见纤维混凝土的抗碳化能力优于素混凝土。

综合以上掺入不同纤维的混凝土碳化实验，纤维混凝土碳化深度小于基准混凝土，即纤维混凝土抗碳化能力强。然而纤维混凝土的碳化试验的研究内容大多是针对掺入聚丙烯纤维和钢纤维后的性能，研究广度尚有欠缺；另一方面，由于纤维混凝土多组分、多尺度层次以及各向异性的结构特征，使得掺入单一纤维能提供的增强改性作用相当局限。如何发挥混合纤维在混凝土中不同结构和不同性能层次上的逐级强化，综合提高混凝土的耐久性，还需要进一步的研究。

5.结论

（1）纤维在混凝土中的适量掺杂可以改善混凝土的耐久性、强度、抗劈拉性能等。

（2）影响纤维混凝土耐久性的因素很多，并且影响机理复杂。系统的研究需要通過标准的实验方法，进行系列的，有规律的研究。

（3）除混凝土自身组成成分的因素，其所在环境亦对耐久性能产生不同程度的影响。对纤维混凝土耐久性的研究需要对多个影响因素控制变量，兼备深度与广度。

（4）现阶段，国内对纤维混凝土的研究较为散乱，尚未具备相互兼容的系统性，实用性较为不足，未来对该问题的研究仍任重而道远。

参考文献

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基金项目：本文系扬州大学2018年度大学生科创基金项目，项目编号：x20180385。

（作者单位：扬州大学 建筑科学与工程学院）