纖維混凝土耐久性能研究現(xiàn)狀與展望

李 杰，陳聰飛，胡 立，仲英杰，杜 敏，李立君

(1 中電建路橋集團有限公司，北京 100048；2 四川鐵科新型建材有限公司，四川 成都 610404)

混凝土材料制造價格低廉，生產(chǎn)工藝簡單，具有多種功能特性，和鋼材結(jié)構(gòu)結(jié)合后即可獲取穩(wěn)定性良好的承重構(gòu)件，是當(dāng)前土木建筑領(lǐng)域常用的主要材料之一，也是建筑材料中應(yīng)用量最大的材料。

19世紀(jì)20年代水泥問世，而后混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，鋼混結(jié)構(gòu)的應(yīng)用水平、數(shù)量都成為一個國家衡量自身城鎮(zhèn)化發(fā)展效果的關(guān)鍵指標(biāo)。而混凝土結(jié)構(gòu)在投入應(yīng)用后，一方面需要長期承受建筑結(jié)構(gòu)的自重荷載，另一方面還會受到來自自然環(huán)境的氯鹽侵蝕、碳化和融凍等劣化作用，多方面共同作用下容易導(dǎo)致混凝土耐久性下降、強度受到削弱，繼而引起結(jié)構(gòu)耐久性不足，構(gòu)件破壞。

經(jīng)濟快速發(fā)展背景下，人們更加關(guān)注建筑工程中混凝土耐久性提升措施，有關(guān)學(xué)者通過將礦物摻合料添加入混凝土中以提高其體積穩(wěn)定性、流動性和耐久性，也由此獲得了一系列高強度混凝土。但同時混凝土結(jié)構(gòu)脆性較強，受到強外力作用時容易產(chǎn)生裂縫，而外力長期作用下，裂縫不斷擴展，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命快速降低。由此出發(fā)，需要采取有效措施提高混凝土性能。纖維混凝土使用粗骨料、砂漿和水泥漿等材料拌和而成，其中混凝土為基體，纖維為增強體。摻入的纖維在結(jié)構(gòu)內(nèi)部實現(xiàn)均勻分散后，可起到抑制細(xì)微裂縫萌生的作用，提高結(jié)構(gòu)抗裂性能和抗?jié)B性能，因此纖維混凝土相較普通混凝土而言具有顯著更強的抗壓、抗拉和抗彎性能，這也是目前土木建筑領(lǐng)域中纖維混凝土應(yīng)用廣泛的關(guān)鍵原因所在。而隨著建筑工程對纖維混凝土的應(yīng)用不斷深入，如何進(jìn)一步采取措施提高混凝土耐久性，勢必成為人們后續(xù)關(guān)注重點。基于此，本文歸納闡述了混凝土抗氯離子、抗凍、抗?jié)B和抗碳化等性能的相關(guān)報道進(jìn)展，指出纖維混凝土后續(xù)發(fā)展方向，以期為有關(guān)工作者帶來啟發(fā)。

1 纖維混凝土的抗碳化性能

碳化過程中，混凝土堿度降低，發(fā)生中性化，期間混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕速度增加，包含的水化產(chǎn)物穩(wěn)定性下降，膠結(jié)能力變?nèi)酢６w維混凝土中均勻分布彼此相連的纖維，在振動成型過程中能夠抑制骨料下沉過程，避免混凝土拌和料離析，故混凝土基體中孔隙通道數(shù)量減少、密實程度提高，二氧化碳等氣體在混凝土結(jié)構(gòu)中的擴散得到抑制，結(jié)構(gòu)抗碳化能力提升。

程云虹等[1]研究顯示，對于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)工況，混凝土達(dá)最大碳化深度的養(yǎng)護(hù)齡期是第28天，且相較于普通混凝土，纖維混凝土的碳化深度普遍較小，其中，鋼纖維混凝土的降幅為25%，耐堿玻璃纖維混凝土碳化深度降低32%，聚丙烯纖維混凝土碳化深度降低33%。王艷等[2]分析了酸雨環(huán)境下的混凝土溶蝕狀況，發(fā)現(xiàn)在鋼纖維摻入后，其抗侵蝕性能有所提升，且混凝土中性化進(jìn)程得到顯著抑制，其中混凝土鋼纖維體積摻量1.5%，纖維體積摻量0%～2%之間時，材料抗碳化性能達(dá)到最大值。朱海堂等[3]為分析鋼纖維混凝土碳化性能增強機理，通過測定碳化時間不同條件下鋼纖維混凝土、普通混凝土之間的力學(xué)性能與碳化深度并開展分析，發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土碳化深度隨碳化時間增加而提升，隨鋼纖維強度、體積率增加而降低，因此相較于普通混凝土而言，鋼纖維混凝土抗碳化能力得到增強。

元成方等[4]以聚丙烯纖維混凝土為研究對象，將其高溫處理后再開展碳化試驗，發(fā)現(xiàn)摻入適量聚丙烯纖維后，混凝土抗碳化能力改善效果明顯，但當(dāng)溫度達(dá)到400～600 ℃條件下，纖維混凝土反而出現(xiàn)更加嚴(yán)重的高溫?fù)p傷，抗碳化能力顯著下降，溫度進(jìn)一步提升后不同纖維摻量下的纖維混凝土不存在顯著的抗碳化性能差異。

苗元耀[5]分析了纖維混凝土碳化深度和纖維摻量、水膠比之間關(guān)系，結(jié)果顯示，隨水膠比增加，鋼纖維混凝土碳化深度提升；鋼纖維摻至基體后可有效填充孔隙結(jié)構(gòu)，增強密實度及抗碳化性能。郭艷華等[6]分析了普通混凝土和鋼纖維混凝土之間抗碳化能力差異，結(jié)果顯示摻入鋼纖維后混凝土微裂縫發(fā)展受到抑制，密實程度提高，抗碳化能力增強，佐證了苗元耀的研究結(jié)果。黃守輝等[7]對聚丙烯纖維混凝土、玻璃纖維混凝土和普通混凝土進(jìn)行快速碳化試驗，分析相應(yīng)的碳化深度，發(fā)現(xiàn)鋼纖維試驗組與基準(zhǔn)組的碳化深度差異很小，兩者均較大，玻璃纖維混凝土碳化性能改善效果最佳。Ramli等[8]分析了椰子纖維對混凝土耐久性能的影響，結(jié)果顯示，椰子纖維摻量增加，碳化深度隨之增大，且隨纖維含量增加，碳化深度提升，暴露時間和碳化內(nèi)向傳播速率之間保持正比。

2 纖維混凝土抗凍性能

嚴(yán)寒地區(qū)中，房屋、橋梁等混凝土構(gòu)筑物長期暴露在低溫條件下，容易出現(xiàn)凍融、銹蝕等破壞，如何確?；炷量箖鲂允沁@部分地區(qū)需要重點關(guān)注的耐久性問題之一。使用纖維混凝土改善混凝土性能，能夠有效抑制混凝土結(jié)構(gòu)中微裂縫生成，阻止形成結(jié)構(gòu)性裂縫，且纖維分散具有均勻性，可封堵水泥基體中空氣溢出通道，降低混凝土滲透性，減小靜水壓力及滲透壓力。

蔡銀春等[9]分析了改性聚丙烯仿鋼絲纖維混凝土和聚丙烯混雜纖維混凝土、普通混凝土的抗凍性能效果，結(jié)果顯示，相比質(zhì)量損失的增幅，混凝土摻加纖維后的相對動彈模量和動彈模量增幅更為顯著。其中，摻加纖維質(zhì)量確定條件下，摻加粗纖維時的混凝土凍融循環(huán)壽命低于粗細(xì)混雜纖維工況，由此可見，改善混凝土抗凍性能方面，摻加混雜纖維效果更加明顯。陳愛玖等[10]結(jié)合正交試驗分析了纖維混凝土的凍融原理，認(rèn)為鋼纖維在混凝土基體內(nèi)形成的三維網(wǎng)格阻止了裂縫形成、發(fā)展，混凝土振動成型過程中也有效抑制了其中氣泡的溢出。混凝土基體含氣量雖然有所增加，但增幅較小，使得凍融循環(huán)過程中混凝土內(nèi)部膨脹應(yīng)力較低?；艨》糩11]分析了輕骨料混凝土凍融后強度損失和摻入纖維之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，混合纖維輕骨料混凝土中摻入粉煤灰和硅灰后，界面過渡區(qū)得到優(yōu)化，材料整體抗凍融性有所改善。原因在于摻入的硅粉促進(jìn)了水化反應(yīng)，形成大量凝膠產(chǎn)物集中于界面上，和纖維交織出致密結(jié)構(gòu)，緩解了凍融循環(huán)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。

馬保國等[12]結(jié)合快凍法分析了100次凍融循環(huán)條件下聚合物粗纖維混凝土的動彈性模量變化、抗彎性能變化及質(zhì)量損失，結(jié)果顯示，摻加聚合物纖維后，混凝土的抗凍性能得到顯著提升，同時凍融后，粗纖維混凝土和未經(jīng)凍融的混凝土均能夠在混凝土結(jié)構(gòu)破壞后自行修復(fù)，表現(xiàn)出“撓度回彈”特性，具有更強的安全性和耐久性。杜向琴等[13]通過凍融循環(huán)試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土抗凍性隨鋼纖維體積摻量增加而提升，鋼纖維摻量1.6%時混凝土相較于普通混凝土的相對動彈性模量損失、質(zhì)量損失率均僅有一半左右。孫家瑛[14]研究結(jié)果表明，混凝土抗凍性能會在摻入植物纖維、聚丙烯纖維后得到顯著優(yōu)化。余紅發(fā)等[15]研究了摻加不同纖維條件下混凝土抗凍性能具體變化，結(jié)果顯示，摻加體積摻量0.1%高強高模聚乙烯纖維后混凝土抗凍性能相較于基準(zhǔn)混凝土降低40%左右，而摻加2%體積摻量鋼纖維后，混凝土凍融壽命延長31%。蔣喆[16]研究了沙漠砂混凝土在摻入玄武巖纖維后動彈性模量和抗凍性能變化，結(jié)果顯示，摻入玄武巖纖維后，混凝土結(jié)構(gòu)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加始終表現(xiàn)良好，具有較強的抗凍性能。

3 纖維混凝土的抗氯離子性能

上世紀(jì)以來，人們開始逐漸采取措施建設(shè)沿海工業(yè)，發(fā)掘海洋有關(guān)資源，但相關(guān)設(shè)施在海風(fēng)、海水作用下很容易引發(fā)氯離子侵蝕問題，進(jìn)一步會導(dǎo)致大量鋼筋銹蝕，混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量、壽命下滑，甚至引發(fā)安全問題。有關(guān)研究表明，在混凝土中摻入適量特定纖維可以有效改善混凝土結(jié)構(gòu)抗氯離子侵蝕性能[17-18]。

黃琪等[17]開展了玄武巖纖維增強混凝土、普通混凝土、玻璃纖維增強混凝土在碳化環(huán)境下的氯離子滲透試驗，試驗結(jié)果表明，通過碳化反應(yīng)后，混凝土抗氯離子侵蝕性能得到有效提升。究其原因在于，碳化反應(yīng)改善了混凝土內(nèi)部孔徑分布，混凝土結(jié)構(gòu)中的微觀結(jié)構(gòu)致密性得到改善，無論是玄武巖纖維還是玻璃纖維都能夠達(dá)到這一效果。

周靜海[18]通過浸泡法探究了廢棄纖維再生混凝土中摻加不同長度、不同體積纖維時的抗?jié)B性能差異，實驗結(jié)果表明，廢棄纖維再生混凝土選用19mm纖維長度、0.16%體積摻量條件下具有最佳抗氯離子滲透性能。張琦等[19]對高溫處理后纖維混凝土、普通混凝土的抗氯離子侵蝕性能進(jìn)行分析，以100～700 ℃為試驗條件開展試驗，結(jié)果表明，摻入聚丙烯纖維的C80混凝土在100～200 ℃條件下抗氯離子侵蝕性能有所降低，而在300～400 ℃條件下性能有所提升。

張君等[20]以鋼纖維混凝土為對象，對其在干濕循環(huán)工況下的抗氯離子侵蝕性能開展試驗，發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土抗氯離子侵蝕性能有所降低，經(jīng)過10輪干濕循環(huán)后，鋼纖維混凝土裂縫位置附近氯離子含量提高至普通混凝土3倍左右。而如果材料應(yīng)用高延性低收縮性能材料，則能夠在干濕循環(huán)、連續(xù)浸泡條件下表現(xiàn)出更加優(yōu)越的抗氯離子侵蝕性能。王晨飛[21]研究認(rèn)為，聚丙烯纖維有助于改善混凝土抗氯離子侵蝕性能，干濕交替作用下混凝土裂縫附近氯離子含量和長期浸泡條件下沒有明顯差異，但經(jīng)過長期浸泡后，混凝土表面逐漸出現(xiàn)氯離子峰值，干濕交替作用條件下，氯離子峰值集中在混凝土外部，未達(dá)到表面。李晗等[22]分析了納米混凝土抗氯離子侵蝕性能和各種材料摻入效果之間的關(guān)系，結(jié)果顯示鋼纖維、SiO2、CaCO3摻量增加會使不同齡期納米混凝土抗氯離子侵蝕性能顯著提升，而如果混凝土基體強度下降則會導(dǎo)致不同齡期混凝土抗氯離子侵蝕性能有所降低，摻入納米礦粉和適當(dāng)纖維后混凝土抗氯離子性能也會有所提升。張俊芝等[23]分析了混凝土氯離子擴散系數(shù)和摻加材料之間的關(guān)系，結(jié)果表明混凝土材料單獨摻加火成巖纖維、粉煤灰時，氯離子擴散性能出現(xiàn)顯著衰減，對應(yīng)的時間衰減系數(shù)提升。Beigi等[24]研究表明玻璃纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維的摻量與混凝土抗氯離子性能成反比關(guān)系，僅有玻璃纖維摻量為0.15%時，抗氯離子性能得到了提高，其余摻量下均降低其性能。Ramezanianpour等[25]分析了普通混凝土和聚丙烯纖維混凝土在快速氯離子滲透試驗下的差異，結(jié)果顯示摻加聚丙烯纖維后混凝土庫倫值得到顯著降低，換言之，聚丙烯纖維有利于改善混凝土抗氯離子性能，其原因可能為混凝土摻加纖維后毛細(xì)孔隙率得到降低。

4 纖維混凝土的抗?jié)B透性能

普通混凝土實際應(yīng)用時由于沒有較高的抗拉強度，長期服役條件下容易出現(xiàn)裂縫問題。通過以混凝土為基體，摻入纖維調(diào)節(jié)其抗拉強度，限制、阻止微小裂縫的生成和發(fā)展，強化混凝土抗?jié)B性能。

Kakooei等[26]以四電極法為基礎(chǔ)，探究了混凝土摻入纖維后的滲透性能，結(jié)果顯示，摻入纖維后混凝土抗?jié)B性能均有所提升，且隨纖維摻量增加，混凝土結(jié)構(gòu)整體抗?jié)B性能呈現(xiàn)為增加趨勢，其中纖維體積摻量為2kg/m3條件下具有最佳性能。

Zhang等[27]以聚丙烯纖維混凝土為研究對象，分析了纖維摻量增加對于混凝土抗?jié)B性能的影響，結(jié)果顯示，基準(zhǔn)混凝土滲透水長度為8.7mm，摻加纖維后滲透水長度不斷降低，摻入0.12%體積纖維后滲透長度降低到7mm，究其原因在于纖維均勻分布于混凝土結(jié)構(gòu)中，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，堵塞滲流通道并強化結(jié)構(gòu)抗?jié)B性能。董如夢[28]結(jié)合BY-HS168智能型混凝土抗?jié)B儀分析了噴射纖維混凝土的抗?jié)B性能，發(fā)現(xiàn)增加纖維摻量后，其滲透高度不斷下降。Ramezanianpour等[25]研究顯示，混凝土滲透性能隨纖維摻量增加，前期下降后期上升，其中纖維體積摻量在0.7kg/m3時混凝土抗?jié)B性能高出普通混凝土30%左右，為最優(yōu)值。

5 展望

現(xiàn)代建筑行業(yè)中纖維混凝土材料是常用材料之一，相關(guān)技術(shù)人員、學(xué)者已經(jīng)結(jié)合多種方式探究了纖維混凝土的耐久性，包括抗?jié)B透、抗凍、抗碳化和抗氯離子侵蝕等，但現(xiàn)存研究內(nèi)容以單因素研究為主，試驗標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一。纖維混凝土耐久性存在多種影響因素，后續(xù)可以研究多因素耦合作用下纖維混凝土耐久性的變化情況。同時，工程實踐中應(yīng)用的纖維混凝土長期處于受力狀態(tài)下，因而還可以分析結(jié)構(gòu)、環(huán)境荷載共同作用下的耐久性狀況?？傊瑸槊鞔_纖維混凝土耐久性在多種不同因素下的耦合影響，還需進(jìn)行更加深入的理論分析和試驗探究。