钢-聚乙烯醇纤维混凝土研究进展

郭靳时 段 延

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 前言

随着城市建设的不断推进，超高层、大跨度、重荷载工程越来越多，对混凝土构件的性能有了更高的要求，而混凝土耐久性差是现阶段亟需解决的重要问题之一。研究表明[1-4]，纤维的加入对混凝土的耐久性能有显著的增强效果，将合理体掺率的混杂纤维与基体混合可产生正混杂效应。纤维与混凝土的结合能够发挥其各自的优点、弥补传统混凝土的缺点，从多相、多层次、多结构等方面对混凝土基体的性能加以改善。

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量短钢纤维而形成的新型复合材料，不仅抗压强度高，而且其它性能也有显著提升；聚乙烯醇纤维具有高弹模、耐酸碱等优点，将其掺入混凝土不仅可以有效抑制混凝土的初期开裂，还能有效地改善混凝土的脆性[5]。

1 混杂纤维混凝土的增强机理研究

研究显示[6-7]混杂效应与纤维的体掺率、种类以及纤维与基体的黏结程度等因素有关。当前，学者们大多基于复合材料力学理论和纤维间距理论，从不同角度研究纤维对混凝土的增强机理。

1.1 复合材料力学理论

以复合材料力学的混合律法则为基础，认为材料性能的叠加是通过弹性模量和不同力学性能实现。同时对混杂效应进行论述，通过多材料复合可发挥其各自优势，以出现有益效应为“正混杂效应”，反之为“负混杂效应”。华渊[8]通过对掺入不同纤维的混凝土的抗压和抗弯性能进行试验，定义出混杂系数，并分析了混杂效应与纤维的体积率、体积分数的关系。定义混杂系数：

式中：α为混杂系数；β为增强系数；f为纤维混凝土的强度；fm为基体混凝土的强度。

当α＞1 时为正混杂效应； 当α＜1 时为负混杂效应。因此有必要对纤维混杂增强混凝土的最优纤维体积率进行研讨。

1.2 纤维间距理论

纤维间距理论又称为纤维阻裂理论[9-10]，以弹性断裂力学为基础，从微观层面对混杂机理进行研究，认为混凝土的破坏是因其内部裂纹尖部应力集中所导致，因此，通过减小应力值来计算纤维内部最优间距[11-12]。由于此理论没有过多假定，因此可以更好地与纤维混凝土实际应用进行参照。

2 S-PVA HFRP 基本力学性能研究

黄俊等[13]将两者混掺到混凝土中，发现对混凝土抗拉强度影响不大，但是对基体韧性却有明显的增强作用。

邓宗才等[14]改变钢纤维的长径比，将其与PVA纤维一起混掺到混凝土中，发现混凝土的抗弯性能、韧性相较单掺时表现更优，但PVA 纤维的加入导致基体的抗弯及抗冲击性能有所下降。

刘宾[15]采用3 种不同比例的纤维，以3 种掺量，对单掺、混掺的混凝土试件进行抗压、抗折、劈裂抗拉试验，发现：相对于单掺钢纤维的混凝土，性能均有所提升； 单掺PVA 纤维的混凝土的抗压强度有所降低而抗折和抗劈拉性能都有提高；两者混掺对基体的改性明显。

3 S-PVA HFRP 耐久性研究

王振波[16]通过对混杂混凝土的轴拉开裂形态图的研究发现，钢纤维的加入对裂缝的控制作用较为明显，当掺率为1%时平均裂缝仅为0.027～0.06 mm，可有效改善材料的抗渗性和耐久性。

蒋威[17]通过对混杂混凝土在海水腐蚀下60 d和120 d 研究发现，PVA 纤维抗氯离子腐蚀性能要优于钢纤维；在腐蚀期间，特别是后期，混杂混凝土的密实性比单掺纤维都有更好表现。

4 存在问题及展望

S-PVA HFRP 作为一种新型建筑材料，在实际工程应用中具有很大的发展空间。目前，对S-PVA HFRP 的研究还不够深入，对其抗震性、静力学、不同因素下的耐久性和力学模型等还少有研究。基础设施建设的大力推进以及防震减灾要求的不断提高都将促进S-PVA HFRP 等新型混凝土的发展和研究。