混杂纤维混凝土的研究现状*

时间：2024-04-24

蒋威，姜景山，滕长龙，马冰艳，黄鑫，王震博，曹钰

（南京工程学院建筑工程学院南京江苏 211167）

0 引言

在建筑工程领域中，素混凝土有抗拉强度低，易开裂，应变低等特点。现阶段研究表明，向素混凝土中加入一种纤维，混凝土中的纤维就可以利用桥接作用，高效率改善混凝土的抗裂性能。同时当混凝土受到外压时，纤维所吸收的能量可以高效改善混凝土的力学性能和冲击性能。在素混凝土中掺入单一纤维可在有效范围内对抗应变和裂纹，在混凝土开裂时具有显著的阻裂作用，例如掺入有机纤维的混凝土韧性明显优于普通混凝土，如聚丙烯纤维混凝土。此外，在素混凝土中掺入部分纤维还能够提高混凝土的耐腐蚀性能。例如，往混凝土中掺入钢纤维可利用纤维本身化学特性，在混凝土成型后抑制腐蚀离子扩散，进而大幅度提高结构强度。

但单掺纤维对混凝土无法充分发挥增强和增韧作用，只能够在有限范围内对抗应变和裂纹，研究者指出，两种纤维或多种纤维即混杂纤维的掺入可将纤维各自的作用进行互补和提高，例如可将弹模低质轻的聚丙烯纤维与高弹模的玄武岩纤维同时掺入混凝土，可在不同方面发挥纤维增强效果，进而达到理想强化效果；可将能够提高混凝土韧性与抗拉强度的钢纤维、质量轻且不与基体发生反应的聚丙烯纤维掺入混凝土，充分利用两者自身优势，从而实现正混杂效应。研究表明，在混凝土中掺入多种纤维不仅能够充分发挥单一纤维各自已有优势，而且混凝土工作性能以及力学性能等多方面均能得到显著提高。在20世纪70年代，国外学者Walton等开展了无机纤维和有机纤维共同工作时对混凝土基体的抗拉性能和冲击性能的研究。由于纤维制造受到生产力水平，科技水平等多重因素的影响，我国在21世纪初才进行有关研究。近年来，随着中国生产力水平提高，混杂纤维混凝土受到工程领域人士广泛重视，相关研究也日趋增多。

1 力学性能

惠存等[1]作者通过探究混杂玄武岩纤维以及PVA纤维对混凝土的影响，试验表明加入纤维后的混凝土的抗折强度和韧性都得到明显增强。同时得出0.1%的玄武岩纤维以及0.2%的PVA纤维对混凝土的抗折强度提升最佳。

杨健辉[2]等作者通过研究混凝土中加入聚丙烯纤维（简称PP纤维）和仿钢纤维后力学性能受到的影响。研究发现，当仿钢纤维体积率在一定范围内时，混凝土的抗压、抗折强度与纤维的掺量成线性相关，当其超过一定范围时，混凝土的有关掺量不满足线性关系。并且通过实验得出PP纤维在仿钢纤维体积率为0.3%时，凝土的抗压强度与抗折强度最佳。

权长青[3]等作者在对钢纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰的掺量对C40级混杂纤维混凝土（HFRC）的影响。得出钢纤维、聚丙烯纤维、粉煤灰分别在掺量为4%、0.1%、30%时最大程度提高混凝土的劈拉抗拉强度（%）：31.5%、5.4%、3.5%。由此可见，钢纤维的作用效果最佳，其次为聚丙烯纤维，粉煤灰作用效果最差。

黄国栋[4]等作者在对混杂纤维混凝土力学性能的分析中，发现聚丙烯纤维可以明显地改善混凝土的力学性能。聚丙烯纤维的加入可以增大混合料的相互作用力，从而改善混凝土的抗裂强度，进一步抑制早期裂缝的形成。

骆冰冰[5]在对混杂纤维自密实混凝土的性能研究中得出，单掺玄武岩纤维掺量为3.650kg/m3时会比素混凝土的劈裂强度降低6.39%。如在上述玄武岩纤维混凝土中再适量掺入聚丙烯纤维后，混凝土劈裂强度却呈“反弹”趋势。

2 耐久性能

2.1 抗渗性以及耐腐蚀

黄杰[6]等通过研究混杂纤维对混凝土抗渗性能的影响，试验结果表明当混凝土掺入钢纤维和聚丙烯纤维后，其抗渗性能得到明显改善，其中聚丙烯纤维抗渗性较为显著。最后得出当钢纤维掺量为0.5%，聚丙烯纤维掺量为0.3%时，混凝土的抗渗性能达到最佳。

王艳[7]等通过研究混杂纤维对混凝土抗渗性能的影响，实验数据表明混杂纤维混凝土的抗渗性能明显优于普通混凝土，混杂适量的玄武岩和聚丙烯两种纤维的混凝土，其抗渗性明显提高，但过多的玄武岩纤维会导致抗渗性能下降。

赵兵兵[8]通过研究玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗渗性能实验，结果表明：掺入聚丙烯纤维的混凝土抗渗性能比掺入玄武岩纤维的混凝土好，且最佳掺量在0.6%左右，能提升14.6%的抗水渗透性。玄武岩-聚丙烯比例为2:1、掺量为0.3%的混杂纤维抗渗透性能最强。

杨礼明[9]等通过对比普通混凝土和硫酸镁混凝土在硫酸镁溶液中的抗腐蚀能力，得出掺入高性能混杂纤维的混凝土其抗腐蚀性较强；而在干湿循环下将混凝土浸泡在硫酸镁中，掺入高性能混杂纤维的混凝土，其抗腐蚀能力差。

2.2 抗疲劳能力

王佶[10]等通过研究层布式纤维对混凝土弯曲疲劳性能的影响，分析数据表明：混杂纤维中的聚丙烯腈纤维发挥作用，减缓裂缝的产生速度，使得在相同配合比的情况条件下，层布式混杂纤维在抗疲劳新能方面明显优于层布式钢纤维。

潘少林[11]等通过研究混杂纤维对混凝土材料弯曲疲劳性能的影响，数据对比发现：普通混凝土的应变变化曲线随着加载时间呈曲折变化，混杂纤维混凝土的应变曲线呈较为平稳的状态。最终结果：混杂纤维提高混凝土的抗疲劳性能，延长混凝土的寿命。

邓宗才[12]对混凝土的弯曲疲劳新能进行探究，结果表明掺入玻璃纤维混杂纤维混凝土的疲劳强度有所改善，混杂纤维混凝土的疲劳强度更是有显著的提高。

2.3 碳化性能

张顼[13]等通过研究混杂纤维的碳化性能试验，试验结果表明：掺入钢纤维和聚丙烯纤维的混凝土更加密实，使得抗碳化性能提高，根据试验数据，0.06%的聚丙烯掺量为最佳，过多聚丙烯纤维会导致混凝土抗碳化性能下降。

曹二伟[14]等通过研究混杂纤维对碳化性能的影响，对比显示：不同的纤维混杂在一起能进行互补，进而产生大于普通混凝土的性能效果。最后总结出混杂纤维能够改善混凝土孔隙结构，增强抗碳化性能。

程米春[15]等对混杂纤维混凝土的碳化试验进行研究，分析总结掺入不同的纤维对混凝土碳化性能提高程度不同，并且通过线性方程得出掺入混杂钢纤维和聚丙烯纤维的混凝土碳化性能良好。

2.4 抗冻性

周祎[16]等通过研究混杂纤维混凝土抗冻性能的影响，探究得出纤维通过改善混凝土结构防止水的渗入从而提高混杂纤维混凝土的抗冻性能。

肖琦[17]等通过研究混杂纤维对混凝土抗冻性能的影响，得出结论：混凝土中掺入聚丙烯纤维和钢纤维能够有效缓解相对动弹性模量损失率，从而影响其抗冻性能，但是掺加过多会产生反效果。

牛荻涛[18]等人通过研究快冻法研究冻融循环次数对钢纤维混凝土后质量损失、相对动弹性模量变化、劈裂强度损失的影响，同时探究冻融环境下钢纤维对混凝土的增强机理。试验结果表明钢纤维混凝土在300次冻融循环后质量损失率仅是普通混凝土的50%；加入钢纤维的混凝土能够抑制混凝土内部不断产生微裂缝，从而延缓了相对动弹模量的下降；钢纤维的掺入提高了混凝土的劈裂强度，同时减缓了冻融后混凝土劈裂强度下降速率。

姚文杰[19]等人对丙烯纤维并进行冻融试验，通过复合材料力学理论和断裂力学纤维间距理论对纤维混凝土增强机理进行了解释。冻融试验表明，当纤维掺量较低时，混凝土抗压、抗折强度、劈裂抗拉强度都随着纤维掺量的增加而大幅度增大，但当纤维掺量达到某一值后又都会随纤维维掺量的增加而呈现下降趋势。通过多组试验，得出0.9kg/m3的聚丙烯纤维掺量为最佳掺量，此时的混凝土多种力学性能达到最佳。

3 耐高温性能

高超[20]等人通过对钢纤维混凝土高温后力学性能的研究，得出混凝土的基体强度随温度升高呈下降趋势。同时对比钢纤维混凝土高温后自然、喷水两种冷却方式的关系，得出自然冷却下的基体强度比喷水冷却下的高。

李晗[21]通过对混杂纤维对混杂混凝土高温后抗压强度、抗拉强度、抗折强度的影响，试验表明混杂纤维的各项力学性能随着温度的升高均有所下降，但是降幅明显低于素混凝土。同时得出400℃内混杂纤维混凝土强度损失小，超过400℃混凝土各强度指标明显降低。

余婵娟[22]对高温下混凝土的弯曲性能进行研究，试验表明混杂纤维自密实混凝土在高温下弯曲性能优于普通自密实混凝土和掺纤维自密实混凝土。混杂纤维自密实混凝土可以提高混凝土的承载能力和防爆性。

随着混杂纤维的掺入，混凝土的工作性能会有较大地改变。混凝土的工作性能例如和易性、保水性和粘聚性明显改善，但混杂纤维混凝土的流动性较小使得高层施工混凝土的泵送难以进行。总的来说适量的混杂纤维对其工作性能起着积极的作用。

混杂纤维的掺量对混凝土有着正负混杂效应，掺入适量的混杂纤维，使得混凝土力学性能以及耐久性能得到不同程度的改善，混凝土由原来的脆性断裂转变为明显的塑性破坏。而掺入过量的混杂纤维则会使得混凝土的孔隙率增多，因而各方面性能均有不同程度的损失。同时，在高温条件下，相较于素混凝土以及单掺某一纤维，混杂纤维的力学性能和耐久性能均有明显改善。