纤维混凝土耐久性能研究现状与展望

李 杰，陈聪飞，胡 立，仲英杰，杜 敏，李立君

(1 中电建路桥集团有限公司，北京 100048；2 四川铁科新型建材有限公司，四川 成都 610404)

混凝土材料制造价格低廉，生产工艺简单，具有多种功能特性，和钢材结构结合后即可获取稳定性良好的承重构件，是当前土木建筑领域常用的主要材料之一，也是建筑材料中应用量最大的材料。

19世纪20年代水泥问世，而后混凝土、钢筋混凝土结构在建筑行业中得到广泛应用，钢混结构的应用水平、数量都成为一个国家衡量自身城镇化发展效果的关键指标。而混凝土结构在投入应用后，一方面需要长期承受建筑结构的自重荷载，另一方面还会受到来自自然环境的氯盐侵蚀、碳化和融冻等劣化作用，多方面共同作用下容易导致混凝土耐久性下降、强度受到削弱，继而引起结构耐久性不足，构件破坏。

经济快速发展背景下，人们更加关注建筑工程中混凝土耐久性提升措施，有关学者通过将矿物掺合料添加入混凝土中以提高其体积稳定性、流动性和耐久性，也由此获得了一系列高强度混凝土。但同时混凝土结构脆性较强，受到强外力作用时容易产生裂缝，而外力长期作用下，裂缝不断扩展，会导致混凝土结构服役寿命快速降低。由此出发，需要采取有效措施提高混凝土性能。纤维混凝土使用粗骨料、砂浆和水泥浆等材料拌和而成，其中混凝土为基体，纤维为增强体。掺入的纤维在结构内部实现均匀分散后，可起到抑制细微裂缝萌生的作用，提高结构抗裂性能和抗渗性能，因此纤维混凝土相较普通混凝土而言具有显著更强的抗压、抗拉和抗弯性能，这也是目前土木建筑领域中纤维混凝土应用广泛的关键原因所在。而随着建筑工程对纤维混凝土的应用不断深入，如何进一步采取措施提高混凝土耐久性，势必成为人们后续关注重点。基于此，本文归纳阐述了混凝土抗氯离子、抗冻、抗渗和抗碳化等性能的相关报道进展，指出纤维混凝土后续发展方向，以期为有关工作者带来启发。

1 纤维混凝土的抗碳化性能

碳化过程中，混凝土碱度降低，发生中性化，期间混凝土结构中钢筋的腐蚀速度增加，包含的水化产物稳定性下降，胶结能力变弱。而纤维混凝土中均匀分布彼此相连的纤维，在振动成型过程中能够抑制骨料下沉过程，避免混凝土拌和料离析，故混凝土基体中孔隙通道数量减少、密实程度提高，二氧化碳等气体在混凝土结构中的扩散得到抑制，结构抗碳化能力提升。

程云虹等[1]研究显示，对于标准养护工况，混凝土达最大碳化深度的养护龄期是第28天，且相较于普通混凝土，纤维混凝土的碳化深度普遍较小，其中，钢纤维混凝土的降幅为25%，耐碱玻璃纤维混凝土碳化深度降低32%，聚丙烯纤维混凝土碳化深度降低33%。王艳等[2]分析了酸雨环境下的混凝土溶蚀状况，发现在钢纤维掺入后，其抗侵蚀性能有所提升，且混凝土中性化进程得到显著抑制，其中混凝土钢纤维体积掺量1.5%，纤维体积掺量0%～2%之间时，材料抗碳化性能达到最大值。朱海堂等[3]为分析钢纤维混凝土碳化性能增强机理，通过测定碳化时间不同条件下钢纤维混凝土、普通混凝土之间的力学性能与碳化深度并开展分析，发现钢纤维混凝土碳化深度随碳化时间增加而提升，随钢纤维强度、体积率增加而降低，因此相较于普通混凝土而言，钢纤维混凝土抗碳化能力得到增强。

元成方等[4]以聚丙烯纤维混凝土为研究对象，将其高温处理后再开展碳化试验，发现掺入适量聚丙烯纤维后，混凝土抗碳化能力改善效果明显，但当温度达到400～600 ℃条件下，纤维混凝土反而出现更加严重的高温损伤，抗碳化能力显著下降，温度进一步提升后不同纤维掺量下的纤维混凝土不存在显著的抗碳化性能差异。

苗元耀[5]分析了纤维混凝土碳化深度和纤维掺量、水胶比之间关系，结果显示，随水胶比增加，钢纤维混凝土碳化深度提升；钢纤维掺至基体后可有效填充孔隙结构，增强密实度及抗碳化性能。郭艳华等[6]分析了普通混凝土和钢纤维混凝土之间抗碳化能力差异，结果显示掺入钢纤维后混凝土微裂缝发展受到抑制，密实程度提高，抗碳化能力增强，佐证了苗元耀的研究结果。黄守辉等[7]对聚丙烯纤维混凝土、玻璃纤维混凝土和普通混凝土进行快速碳化试验，分析相应的碳化深度，发现钢纤维试验组与基准组的碳化深度差异很小，两者均较大，玻璃纤维混凝土碳化性能改善效果最佳。Ramli等[8]分析了椰子纤维对混凝土耐久性能的影响，结果显示，椰子纤维掺量增加，碳化深度随之增大，且随纤维含量增加，碳化深度提升，暴露时间和碳化内向传播速率之间保持正比。

2 纤维混凝土抗冻性能

严寒地区中，房屋、桥梁等混凝土构筑物长期暴露在低温条件下，容易出现冻融、锈蚀等破坏，如何确保混凝土抗冻性是这部分地区需要重点关注的耐久性问题之一。使用纤维混凝土改善混凝土性能，能够有效抑制混凝土结构中微裂缝生成，阻止形成结构性裂缝，且纤维分散具有均匀性，可封堵水泥基体中空气溢出通道，降低混凝土渗透性，减小静水压力及渗透压力。

蔡银春等[9]分析了改性聚丙烯仿钢丝纤维混凝土和聚丙烯混杂纤维混凝土、普通混凝土的抗冻性能效果，结果显示，相比质量损失的增幅，混凝土掺加纤维后的相对动弹模量和动弹模量增幅更为显著。其中，掺加纤维质量确定条件下，掺加粗纤维时的混凝土冻融循环寿命低于粗细混杂纤维工况，由此可见，改善混凝土抗冻性能方面，掺加混杂纤维效果更加明显。陈爱玖等[10]结合正交试验分析了纤维混凝土的冻融原理，认为钢纤维在混凝土基体内形成的三维网格阻止了裂缝形成、发展，混凝土振动成型过程中也有效抑制了其中气泡的溢出。混凝土基体含气量虽然有所增加，但增幅较小，使得冻融循环过程中混凝土内部膨胀应力较低。霍俊芳[11]分析了轻骨料混凝土冻融后强度损失和掺入纤维之间的关系，结果显示，混合纤维轻骨料混凝土中掺入粉煤灰和硅灰后，界面过渡区得到优化，材料整体抗冻融性有所改善。原因在于掺入的硅粉促进了水化反应，形成大量凝胶产物集中于界面上，和纤维交织出致密结构，缓解了冻融循环过程中产生的应力。

马保国等[12]结合快冻法分析了100次冻融循环条件下聚合物粗纤维混凝土的动弹性模量变化、抗弯性能变化及质量损失，结果显示，掺加聚合物纤维后，混凝土的抗冻性能得到显著提升，同时冻融后，粗纤维混凝土和未经冻融的混凝土均能够在混凝土结构破坏后自行修复，表现出“挠度回弹”特性，具有更强的安全性和耐久性。杜向琴等[13]通过冻融循环试验发现，混凝土抗冻性随钢纤维体积掺量增加而提升，钢纤维掺量1.6%时混凝土相较于普通混凝土的相对动弹性模量损失、质量损失率均仅有一半左右。孙家瑛[14]研究结果表明，混凝土抗冻性能会在掺入植物纤维、聚丙烯纤维后得到显著优化。余红发等[15]研究了掺加不同纤维条件下混凝土抗冻性能具体变化，结果显示，掺加体积掺量0.1%高强高模聚乙烯纤维后混凝土抗冻性能相较于基准混凝土降低40%左右，而掺加2%体积掺量钢纤维后，混凝土冻融寿命延长31%。蒋喆[16]研究了沙漠砂混凝土在掺入玄武岩纤维后动弹性模量和抗冻性能变化，结果显示，掺入玄武岩纤维后，混凝土结构随冻融循环次数增加始终表现良好，具有较强的抗冻性能。

3 纤维混凝土的抗氯离子性能

上世纪以来，人们开始逐渐采取措施建设沿海工业，发掘海洋有关资源，但相关设施在海风、海水作用下很容易引发氯离子侵蚀问题，进一步会导致大量钢筋锈蚀，混凝土结构质量、寿命下滑，甚至引发安全问题。有关研究表明，在混凝土中掺入适量特定纤维可以有效改善混凝土结构抗氯离子侵蚀性能[17-18]。

黄琪等[17]开展了玄武岩纤维增强混凝土、普通混凝土、玻璃纤维增强混凝土在碳化环境下的氯离子渗透试验，试验结果表明，通过碳化反应后，混凝土抗氯离子侵蚀性能得到有效提升。究其原因在于，碳化反应改善了混凝土内部孔径分布，混凝土结构中的微观结构致密性得到改善，无论是玄武岩纤维还是玻璃纤维都能够达到这一效果。

周静海[18]通过浸泡法探究了废弃纤维再生混凝土中掺加不同长度、不同体积纤维时的抗渗性能差异，实验结果表明，废弃纤维再生混凝土选用19mm纤维长度、0.16%体积掺量条件下具有最佳抗氯离子渗透性能。张琦等[19]对高温处理后纤维混凝土、普通混凝土的抗氯离子侵蚀性能进行分析，以100～700 ℃为试验条件开展试验，结果表明，掺入聚丙烯纤维的C80混凝土在100～200 ℃条件下抗氯离子侵蚀性能有所降低，而在300～400 ℃条件下性能有所提升。

张君等[20]以钢纤维混凝土为对象，对其在干湿循环工况下的抗氯离子侵蚀性能开展试验，发现钢纤维混凝土抗氯离子侵蚀性能有所降低，经过10轮干湿循环后，钢纤维混凝土裂缝位置附近氯离子含量提高至普通混凝土3倍左右。而如果材料应用高延性低收缩性能材料，则能够在干湿循环、连续浸泡条件下表现出更加优越的抗氯离子侵蚀性能。王晨飞[21]研究认为，聚丙烯纤维有助于改善混凝土抗氯离子侵蚀性能，干湿交替作用下混凝土裂缝附近氯离子含量和长期浸泡条件下没有明显差异，但经过长期浸泡后，混凝土表面逐渐出现氯离子峰值，干湿交替作用条件下，氯离子峰值集中在混凝土外部，未达到表面。李晗等[22]分析了纳米混凝土抗氯离子侵蚀性能和各种材料掺入效果之间的关系，结果显示钢纤维、SiO2、CaCO3掺量增加会使不同龄期纳米混凝土抗氯离子侵蚀性能显著提升，而如果混凝土基体强度下降则会导致不同龄期混凝土抗氯离子侵蚀性能有所降低，掺入纳米矿粉和适当纤维后混凝土抗氯离子性能也会有所提升。张俊芝等[23]分析了混凝土氯离子扩散系数和掺加材料之间的关系，结果表明混凝土材料单独掺加火成岩纤维、粉煤灰时，氯离子扩散性能出现显著衰减，对应的时间衰减系数提升。Beigi等[24]研究表明玻璃纤维、钢纤维和聚丙烯纤维的掺量与混凝土抗氯离子性能成反比关系，仅有玻璃纤维掺量为0.15%时，抗氯离子性能得到了提高，其余掺量下均降低其性能。Ramezanianpour等[25]分析了普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土在快速氯离子渗透试验下的差异，结果显示掺加聚丙烯纤维后混凝土库伦值得到显著降低，换言之，聚丙烯纤维有利于改善混凝土抗氯离子性能，其原因可能为混凝土掺加纤维后毛细孔隙率得到降低。

4 纤维混凝土的抗渗透性能

普通混凝土实际应用时由于没有较高的抗拉强度，长期服役条件下容易出现裂缝问题。通过以混凝土为基体，掺入纤维调节其抗拉强度，限制、阻止微小裂缝的生成和发展，强化混凝土抗渗性能。

Kakooei等[26]以四电极法为基础，探究了混凝土掺入纤维后的渗透性能，结果显示，掺入纤维后混凝土抗渗性能均有所提升，且随纤维掺量增加，混凝土结构整体抗渗性能呈现为增加趋势，其中纤维体积掺量为2kg/m3条件下具有最佳性能。

Zhang等[27]以聚丙烯纤维混凝土为研究对象，分析了纤维掺量增加对于混凝土抗渗性能的影响，结果显示，基准混凝土渗透水长度为8.7mm，掺加纤维后渗透水长度不断降低，掺入0.12%体积纤维后渗透长度降低到7mm，究其原因在于纤维均匀分布于混凝土结构中，并形成网状结构，堵塞渗流通道并强化结构抗渗性能。董如梦[28]结合BY-HS168智能型混凝土抗渗仪分析了喷射纤维混凝土的抗渗性能，发现增加纤维掺量后，其渗透高度不断下降。Ramezanianpour等[25]研究显示，混凝土渗透性能随纤维掺量增加，前期下降后期上升，其中纤维体积掺量在0.7kg/m3时混凝土抗渗性能高出普通混凝土30%左右，为最优值。

5 展望

现代建筑行业中纤维混凝土材料是常用材料之一，相关技术人员、学者已经结合多种方式探究了纤维混凝土的耐久性，包括抗渗透、抗冻、抗碳化和抗氯离子侵蚀等，但现存研究内容以单因素研究为主，试验标准不够统一。纤维混凝土耐久性存在多种影响因素，后续可以研究多因素耦合作用下纤维混凝土耐久性的变化情况。同时，工程实践中应用的纤维混凝土长期处于受力状态下，因而还可以分析结构、环境荷载共同作用下的耐久性状况。总之，为明确纤维混凝土耐久性在多种不同因素下的耦合影响，还需进行更加深入的理论分析和试验探究。