混雜纖維自密實(shí)混凝土的應(yīng)用研究進(jìn)展

韓園圈 董學(xué)超

[摘要]近年來，混雜纖維復(fù)合材料以優(yōu)良的性能優(yōu)勢和較為明顯的成本優(yōu)勢，在各個領(lǐng)域得到快速應(yīng)用與發(fā)展。因纖維之間存在著交互作用，混雜纖維復(fù)合材料性能的表現(xiàn)要超過所有單摻纖維的疊加。本文對國內(nèi)外有關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)，重點(diǎn)分析了混雜纖維自密實(shí)混凝土的性能優(yōu)勢，并對其發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]混雜纖維；纖維復(fù)合材料；性能優(yōu)勢；成本優(yōu)勢 文章編號：2095-4085（2018）06-0007-02

混凝土材料具有抗壓強(qiáng)度高、剛度較大和耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著明顯的缺點(diǎn)，混凝土材料的抗拉強(qiáng)度偏低，特別容易發(fā)生脆性破壞，因此可以在混凝土中摻雜纖維以起到增強(qiáng)混凝土的作用。目前將水泥基材料復(fù)合化是提高其性能的主要途徑，纖維可以發(fā)揮增加強(qiáng)度、韌性和延緩開裂的作用[1]。

查閱文獻(xiàn)可知，摻雜某種單一纖維以增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的作用通常較為有限，不能全方位彌補(bǔ)混凝土的缺點(diǎn)，而多種纖維混雜可以促進(jìn)纖維協(xié)同工作，有效解決混凝土抗拉、抗彎強(qiáng)度低，易開裂等問題[2]。

混雜纖維復(fù)合材料具有不同纖維的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短，既能優(yōu)化綜合力學(xué)性能，又能有效降低成本。

1 工程應(yīng)用

相比于國外而言，我國研究混雜纖維混凝土起步較晚，在研究和應(yīng)用方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國家。近年來，由于國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，對混凝土材料性質(zhì)的要求也有所提高，我國開始關(guān)注混雜纖維混凝土的研究并對其進(jìn)行嘗試與應(yīng)用[3]。目前，國內(nèi)多項(xiàng)工程應(yīng)用單一纖維摻雜強(qiáng)化的混凝土材料，應(yīng)用效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)?；祀s纖維混凝土目前的工程應(yīng)用尚處于起步階段，但具有廣闊的應(yīng)用前景。

我國的南水北調(diào)中線輸出建筑物渡槽為了避免極大溫差引起混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)應(yīng)力發(fā)生顯著改變，導(dǎo)致普通混凝土受拉開裂，研制了一種高性能復(fù)合纖維與細(xì)灰增強(qiáng)混凝土，其是由不同長度的聚丙烯纖維進(jìn)行混雜，加入到特種水泥中，經(jīng)由強(qiáng)力攪拌之后混合形成的復(fù)合材料。

上海地鐵建設(shè)公司與同濟(jì)大學(xué)一起合作，開展研究地鐵隧道復(fù)合纖維混凝土管片技術(shù)，開啟了我國地鐵隧道復(fù)合纖維管片技術(shù)之先河，并在綜合研究地鐵隧道復(fù)合纖維管片新技術(shù)的基礎(chǔ)上于上海M6地鐵實(shí)施試驗(yàn)段[4]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近幾年來，隨著國內(nèi)纖維混雜研究熱度的上升，混雜纖維自密實(shí)混凝土有關(guān)實(shí)驗(yàn)的數(shù)量增多，研究成果也越來越突出。華淵等分別實(shí)驗(yàn)了聚丙烯纖維與碳纖維混雜、聚丙烯纖維與鋼纖維混雜、抗堿玻璃纖維與聚乙烯纖維混雜三種混雜方式，相互對照以研究混雜效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)通過假定混雜系數(shù)，計算抗拉強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，利用計算結(jié)果分析混雜效應(yīng)的體積率和纖維體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，最終得出利用高延性高彈纖維進(jìn)行混雜的自密實(shí)混凝土力學(xué)性能優(yōu)良的結(jié)論[5]。

為使高強(qiáng)混凝土彎曲性能增強(qiáng)，焦楚杰混雜鋼纖維和聚丙烯纖維，配制混雜纖維自密實(shí)高強(qiáng)混凝土。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從初裂強(qiáng)度、韌性和抗彎強(qiáng)度等性能進(jìn)行衡量，混雜纖維自密實(shí)混凝土性能優(yōu)于普通高強(qiáng)混凝土，相比于單一摻雜鋼纖維的高強(qiáng)自密實(shí)混凝土也具有明顯優(yōu)勢[6]。

丁一寧、董香軍等設(shè)置單一摻雜鋼纖維、單一摻雜聚丙烯纖維和摻雜混雜纖維的三組自密實(shí)混凝土材料，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比三組自密實(shí)混凝土材料的抗彎韌性和強(qiáng)度的研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相比于鋼纖維混凝土，混雜纖維混凝土具有更好的韌性，而且破壞形態(tài)也得到明顯改善，其原因在于充分發(fā)揮聚丙烯纖維的抗拉性能，從而有效延緩混凝土開裂之后鋼纖維的拔出過程[7]。

3 國外研究現(xiàn)狀

Feldman等組合研究鋼纖維和聚丙烯纖維后發(fā)現(xiàn)，兩種纖維提升混凝土性能的側(cè)重點(diǎn)不同：鋼纖維彈性模量大，能提高混凝土抗拉強(qiáng)度；聚丙烯纖維彈性模量較低但延性好，有效提高混凝土的韌性以及混凝土開裂后的應(yīng)變性能[8]。

Glavind等利用鋼纖維和聚丙烯纖維兩種材料進(jìn)行混雜，研究發(fā)現(xiàn)這兩種纖維的混雜對提高復(fù)合材料極限壓應(yīng)變具有顯著作用。

Banthia等利用普通混凝土與多種類型纖維進(jìn)行混雜實(shí)驗(yàn)，得出彈性模量低的各向同性瀝青基碳纖維和彈性模量高的自旋相瀝青基碳纖維之間協(xié)同效應(yīng)較強(qiáng)；在增韌方面，聚丙烯纖維和自旋相的碳纖維表現(xiàn)出的協(xié)同作用最大；采用較低的纖維總體積率相比于較高的纖維總體積率更容易得到混雜效應(yīng)[9]。

4 結(jié)論和展望

混雜纖維的摻入，能有效改善混凝土的力學(xué)性能，改善的程度與混雜纖維的品質(zhì)，幾何形態(tài)，產(chǎn)量比例，基本強(qiáng)度等因素息息相關(guān)。而且混雜纖維的摻入還能提高混凝土的黏聚性及保水性，雖然會對混凝土拌合物的流動性產(chǎn)生負(fù)面影響，但從總體上來講，混雜纖維混凝土拌合物還是具有良好且穩(wěn)定的和易性，其工作性能得到了改善。

從混雜效應(yīng)的角度來看，有正負(fù)混雜效應(yīng)兩種，故存在著最優(yōu)混雜纖維類型和摻量組合。其破壞形態(tài)明顯得到改善，由普通混凝土的脆性破壞變?yōu)槊黠@的延性破壞。

將不同尺度與性能的纖維混雜，取長補(bǔ)短，在混凝土受荷的不同階段和層次上發(fā)揮混雜效應(yīng)，協(xié)同作用，從而強(qiáng)化韌性混凝土，得到綜合力學(xué)性能良好的高性能混凝土，將是建筑科學(xué)領(lǐng)域具有廣闊前景的研究發(fā)展方向之一，目前對混雜纖維混凝土的研究還處于試驗(yàn)研究階段，理論研究還有待深入，很多問題尚待解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振波.聚乙烯醇——鋼纖維混雜增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D]，北京：清華大學(xué)，2016.

[2]黃國棟，馬芹永.混雜纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究與分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2010，6（02）：329-333+340.

[3]寧博，歐陽東，易寧，等.混雜纖維混凝土在地鐵管片中的應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品，2011，（01）：50-53.

[4]鞠麗艷，王量，張雄.地鐵隧道復(fù)合纖維混凝土管片新技術(shù)[J].混凝土，2004，（08）：69-71.

[5]畢遠(yuǎn)志，孔一凡，華淵，等.建筑節(jié)能[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[6]焦楚杰，孫偉，秦鴻根，等.聚丙烯-鋼纖維高強(qiáng)混凝土彎曲性能試驗(yàn)研究[J].建筑技術(shù)，2004，（01）：48-49+58.

[7]丁一寧，董香軍，王岳華.混雜纖維自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度和抗彎韌性[J].建筑材料學(xué)報，2005，（03）：294-298.

[8]尹機(jī)會.鋼一合成纖維混凝土強(qiáng)度與韌性的試驗(yàn)研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.

[9]張二龍.復(fù)合纖維混凝土力學(xué)及耐久性能試驗(yàn)研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2007.