纤维自密实混凝土配合比设计及工作性能的研究进展

王 晨，王正君，张 玮，贾 峰，李树航

黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080

0 引言

自密实混凝土被提出以来，受到国内外学者的高度关注，在实际工程中也有广泛应用。然而，由于自密实混凝土水胶比较低、胶凝材料用量较大，导致自密实混凝比普通混凝土更容易发生开裂，影响混凝土结构的耐久性［1］。研究发现，通过在混凝土中掺入不同类型及掺量的纤维，能够明显改善混凝土的力学性能、收缩变形、疲劳性能及耐久性等，故有学者在自密实混凝土中掺入纤维，得到纤维自密实混凝土，并研究其配合比设计及性能。

1 配合比设计方法

通过对国内外研究现状的分析可知，现有的自密实混凝土配合比的计算方法主要为绝对体积法、固定砂石体积法、全计算法、改进全计算法、简单配合比设计法、比表面积法、正交试验法、参数法、试配法等。虽然对于纤维自密实混凝土的研究已经越来越多，但是对于配合比的计算方法都是沿用自密实混凝土的配合比设计方法，或在已有研究的基础上，通过反复试配进行优化，纤维的掺量并没有明确的计算标准。

于婧等［2］对混杂钢纤维增强自密实混凝土的配合比进行了相关的研究，其创新之处在于提出了净浆流动度和砂纤比两个概念。首先以净浆流动度为指标确定了净浆的配合比。然后以力学性能和工作性能为标准，确定平均裹浆厚度和砂纤比。通过实验发现，混杂钢纤维增强自密实混凝土中的纤维体积分数如果超过1.55%，混凝土比较容易发生结团。

何小兵等［3］针对自密实混凝土提出了一种新的配合比设计方法，该方法是基于砂浆和骨料组成的两相悬浮体系，使用屈服剪切应力和塑性粘度来预测混凝土的工作性能。然后他又在此方法的基础上，对微细钢纤维自密实混凝土的配合比进行了研究。首先，确定基础自密实混凝土的配合比，然后，把由基础砂浆和微细钢纤维组成的微细钢纤维砂浆和骨料作为新的两相悬浮体系，最后，把微细钢纤维的裹浆厚度等同于基础自密实混凝土中的砂的净浆厚度，进而计算出添加钢纤维时所需要的净浆量。

2 工作性能检测

表1 自密实混凝土拌合物工作性能检测方法

工作性能是保证自密实混凝土结构性能的关键，新拌制的自密实混凝土应当具有良好的工作性能，其具体包括填充性、间隙通过性以及抗离析性三个方面。根据《自密实混凝土设计和施工指南》（CCES 02-2004）［4］、《自密实混凝土应用技术规程》（JGJ/T 283-2012）［5］以及国外相关规范，自密实混凝土拌合物工作性能的主要检测方法见表1。

3 纤维对自密实混凝土工作性能的影响

张根俞等［6］分别对单掺玻璃纤维以及玻璃-钢纤维混杂自密实混凝土的工作性能进行了试验研究，试验结果表明，对于单掺玻璃纤维的自密实混凝土，随着纤维掺量的增加，其坍落扩展度随之降低；对于混杂纤维自密实混凝土，其坍落扩展度高于素混凝土，是因为长度和根数适中的纤维使得纤维表面摩擦系数较低从而增大了混凝土的坍落扩展度。

周世康等［7］通过不同钢纤维的掺量，从填充性、间隙通过性和抗离析性三个方面对自密实混凝土的工作性进行了试验研究，他指出：钢纤维的掺量对填充性几乎没有影响；而钢纤维对间隙通过性有一定的提高，但当钢纤维掺量超过30kg/m3后，自密实混凝土的间隙通过性则不能得到有效改善；抗离析性则受钢纤维掺量的影响较大，当钢纤维掺量为40 kg/m3时，改善自密实混凝土的抗离析性的效果最佳，这可能是由于适量的钢纤维不仅能够作为混凝土拌合物的填料，还能起到连接作用，抑制了混凝土的离析。

李韧等［8］和Zeynep Algin等［9］研究了不同掺量的玄武岩纤维对自密实混凝土工作性能的影响，研究表明：玄武岩纤维的掺量会降低自密实混凝土的工作性。李韧等［8］给出建议：为了满足自密实混凝土工作性能的要求，玄武岩纤维体积掺量不应超过0.12%。

周玲珠等［10］和何小兵等［11］均对不同掺量的聚丙烯纤维自密实混凝土的工作性进行了试验，发现聚丙烯纤维的掺量与自密实混凝土的流动性成反比，其原因是纤维与混凝土拌合物具有良好的黏聚性，从而约束了自密实混凝土的流动。何小兵等［11］还指出，为了保证自密实混凝土工作性能，通过提高自密实混凝土胶凝材料用量以及外加剂用量，聚丙烯纤维的体积掺量最大可增加至0.15%。

K.M.A.Hossain 等［12］研究了不同掺量的聚乙烯醇纤维对自密实混凝土工作性能的影响，他指出：聚乙烯醇纤维会降低自密实混凝土的工作性，但只要其掺量不超过0.125%，自密实混凝土的工作性能就可以满足要求。

罗素蓉等［13］研究了钢-聚丙烯腈混杂纤维自密实混凝土的工作性能。试验结果表明：对于混杂纤维自密实混凝土，该两种纤维掺量过高会导致自密实混凝土在拌合过程中出现纤维结团的现象，从而影响混凝土的力学性能。为保证自密实混凝土能够充分发挥其工作性能和力学性能，聚丙烯腈纤维掺量应不超过1.2kg/m3、钢纤维体积掺量应不超过1.5%。

王钧等［14］为了研究纤维类型对自密实混凝土工作性能的影响，在自密实混凝土拌合物中掺入不同含量的镀铜微丝钢纤维和纳米碳纤维，研究表明：掺入镀铜微丝钢纤维后，自密实混凝土的流动性和坍落扩展度降低，掺量越多，其工作性越差；纳米碳纤维同样会降低自密实混凝土的工作性，但影响没有钢纤维明显。

Sherif Yehia 等［15］研究了一定掺量下钢纤维、合成纤维和混杂纤维对自密实混凝土工作性能的影响，结果表明：钢纤维、合成纤维以及钢-合成纤维混杂自密实混凝土的流动性和抗离析性均能满足规范要求，但是合成纤维和混杂纤维自密实混凝土拌合物的间隙通过性较差。

徐祥伟［16］研究了碳纤维和纤维素纤维对自密实混凝土工作性能的影响，结果表明：在单掺纤维试验中，自密实混凝土的工作性随着碳纤维掺量和长度的增加而降低，其中纤维长度的影响更大；而纤维素纤维对其工作性影响较小；当纤维素-碳纤维混杂后，自密实混凝土的工作性能与单掺碳纤维时相差不大，由此可见，碳纤维对自密实混凝土工作性的影响较大。

根据现有研究表明，纤维自密实混凝土中的纤维类型和掺量对其工作性能的影响各不相同，现将部分文献中纤维掺量及长度对自密实混凝土工作性能的影响列入表2。

表2 纤维类型及掺量对自密实混凝土工作性能的影响

4 存在问题与展望

目前，在纤维自密实混凝土领域已有大量的研究，但是关于自密实混凝土中的纤维掺量还没有一个明确的标准，如何科学的量化自密实混凝土中的纤维掺量是未来研究的目标。同时，纤维的掺入会对自密实混凝土的工作性能造成一定影响，两种纤维混杂则能够明显改善混凝土各方面的性能，在保证自密实混凝土工作性能的情况下，能够最大幅度提高自密实混凝土的力学性能、变形性能、耐久性等各方面性能的是何种类型纤维混杂以及其具体掺量需要进一步探讨。