纤维混凝土耐久性能研究综述

黄永根

陕西建工第十一建设集团有限公司 陕西 咸阳 712000

纤维混凝土内组分主要有水泥浆、砂浆、粗骨料，纤维作为增强材料分布在混凝土基体中。纤维可以控制混凝土基体内裂纹的产生与发展，从而提高抗裂和抗渗性能，而且抗弯、抗拉和抗压性能均优于普通混凝土，因此纤维混凝土在土木建筑工程领域应用的高潮正在到来，而其耐久性必然是研究的热点之一。本文主要综述了纤维混凝土抗碳化性能、抗冻性能、抗氯离子性能和抗渗性能等方面的耐久性研究，并进一步提出纤维混凝土耐久性的研究方向。

1 纤维混凝土的抗碳化性能

程云虹等[1]研究表明，混凝土标准养护28 d的碳化深度最大，纤维混凝土的碳化深度比普通混凝土小；钢纤维混凝土、耐碱玻璃纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土的碳化深度与普通混凝土相比，分别减少了25%、32%、33%。王艳等[2]研究表明，碳化加速了酸雨侵蚀下混凝土的溶蚀，掺入适量的钢纤维可提高混凝土的抗侵蚀能力，并且降低混凝土中性化的速度，当纤维体积掺量在0%～2.0%之间变化时，混凝土抗碳化性能以钢纤维体积掺量为1.5%最优。朱海堂等[3]测试了不同碳化时间的混凝土和钢纤维混凝土的力学性能以及碳化深度，研究了钢纤维混凝土碳化性能的增强机理，试验结果表明，随着碳化时间的增加，钢纤维混凝土的碳化深度增大，而随钢纤维体积率和强度等级的增大，钢纤维混凝土的碳化深度减小，钢纤维混凝土相比于普通混凝土具有较高的抗碳化能力。

元成方等[4]通过对经过高温试验后的聚丙烯纤维混凝土进行碳化试验，研究表明适中的聚丙烯纤维掺量对混凝土的抗碳化能力有很好的改善效果，但是在400～600 ℃时，混凝土高温损伤加剧，混凝土的抗碳化性能降低，随着温度的继续升高，纤维掺量对混凝土的抗碳化性能的差异性影响很小。苗元耀[5]研究了水胶比以及纤维掺量对碳化深度的影响，研究表明钢纤维混凝土的碳化深度随着水胶比的增大而增大；混凝土中掺入钢纤维，改善了混凝土机体的微观孔结构，使混凝土内部结构更加密实，提高了混凝土的抗碳化性能。

郭艳华等[6]的研究表明，混凝土基材中加入钢纤维，可以限制混凝土中微裂缝的发展，提高混凝土基体的密实度，抑制CO2在混凝土中的渗透，提高混凝土的抗碳化能力，苗元耀的研究也得出类似结果。黄守辉等[7]等通过快速碳化试验研究表明，玻璃纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土的碳化深度相比于基准混凝土降低幅度很大，聚丙烯纤维对混凝土抗碳化的改善效果优于玻璃纤维，而钢纤维对混凝土的碳化深度接近基准混凝土。Mahyuddin Ramli等[8]在混凝土中加入椰子纤维研究其耐久性能，研究表明碳化深度随纤维含量的增加而增大，碳化向内传播的速率与暴露时间的平方根成正比关系。

2 纤维混凝土的抗冻性能

蔡迎春等[9]分别在混凝土中掺加改性聚丙烯仿钢丝纤维和聚丙烯混杂纤维进行试验，单掺粗纤维或粗细混杂纤维对混凝土的抗冻性能有很好的改善效果；混凝土中掺入纤维后，动弹性模量和相对动弹性模量相对于质量损失增加的更加明显。单掺粗纤维时，混凝土破坏时的冻融循环寿命最大可达140次，而掺加相同质量粗细混杂纤维的混凝土的寿命最大可达185次，通过比较得出，掺加混杂纤维的混凝土抗冻性能的改善效果优于单掺纤维。陈爱玖等[10]通过正交试验研究表明，钢纤维在混凝土内部杂乱的分布，形成三维网格，有效地阻碍了裂缝的产生和发展，同时，抑制了混凝土在振动成型过程中气泡的溢出。混凝土基体中含气量增大但增幅较小，减小了冻融循环过程中产生的膨胀应力。霍俊芳[11]通过试验研究表明，在混凝土中加入混合纤维后，对轻骨料混凝土冻融后的强度损失有一定的改善作用。硅灰和粉煤灰掺入混合纤维轻骨料混凝土，很好地改善了界面过渡区，抗冻融性能提高明显。硅灰掺入使水化充分，界面上有大量凝胶产物与纤维交织成致密网状结构，很好地消减了冻融循环过程中的应力。

马保国等[12]采用快冻法研究了聚合物粗纤维混凝土100次冻融循环下的质量损失、动弹性模量变化和抗弯性能。研究结果表明，聚合物粗纤维可有效提高混凝土抗冻性能，而且还发现，冻融后的聚合物粗纤维混凝土和未冻融混凝土均具有独特的“挠度回弹”特性，可以在混凝土结构破坏时自行恢复，提高结构的安全耐久性。杜向琴等[13]研究表明，在冻融循环条件下，随着钢纤维体积掺量的增加，混凝土抗冻性提高，当钢纤维体积掺量为1.6%时，混凝土的质量损失率和相对动弹性模量损失仅为素混凝土的一半。

孙家瑛[14]研究结果表明，混凝土中掺加聚丙烯纤维和植物纤维后，混凝土的抗冻性能均得到提升，而且植物纤维混凝土抗冻性能的提升优于聚丙烯纤维混凝土，此外，掺0.9 kg/m3植物纤维混凝土的平均孔径明显小于未掺纤维和掺0.6 kg/m3聚丙烯纤维混凝土，这种孔结构有可能降低混凝土的冰点，从而改善混凝土的抗冻性。余红发等[15]研究表明，在水冻条件下，在混凝土中掺入2%的钢纤维，冻融寿命延长了31%，而把体积掺量为0.1%高强高模聚乙烯纤维掺入混凝土后，反而削弱了高性能混凝土的抗冻性能，与基准混凝土相比冻融寿命降低了40%。蒋喆[16]研究表明，在冻融试验初期，玄武岩纤维对沙漠砂混凝土的抗冻性能影响较小，相对动弹性模量降幅很小，当冻融循环次数逐渐增加时，玄武岩纤维显现出改善抗冻性能的优越性。

3 纤维混凝土的抗氯离子性能

黄琪等[17]在碳化环境下对普通混凝土、玻璃纤维增强混凝土、玄武岩纤维增强混凝土进行氯离子渗透试验。结果分析表明，碳化反应改善了混凝土抗氯离子渗透性能；碳化过程中掺入纤维可以改善混凝土的孔径分布，使其微观结构更加致密，玻璃纤维与玄武岩纤维都能够提高混凝土的抗氯离子渗透性能。周静海等[18]采用长期浸泡法对废弃纤维再生混凝土中掺入不同纤维体积和不同纤维长度的抗渗性能进行试验研究。结果表明，当纤维长度为19 mm，体积掺量为0.16%时，废弃纤维再生混凝土的抗氯离子渗透性最优。张琦等[19]对在经过100～700 ℃高温作用后的混凝土抗氯离子进行试验研究。通过掺入聚丙烯纤维的C80高强混凝土和素混凝土对比分析，得出当作用温度在100～200 ℃时，掺入聚丙烯纤维会减小高强混凝土的抗氯离子能力，作用温度在300～400 ℃时会提高抗氯离子能力，其余温度下影响不大。

张君等[20]研究结果表明，干湿循环条件下，钢纤维混凝土氯离子侵蚀现象更加明显，干湿循环10次后其裂缝处氯离子含量能达到连续浸泡后的3倍左右。高延性低收缩材料的抗氯离子侵蚀性能在连续浸泡和干湿循环环境中优于钢纤维混凝土，干湿循环环境中更突出。王晨飞[21]研究结果表明，适量的聚丙烯纤维可提高混凝土的抗氯离子能力，在干湿交替和长期浸泡作用下混凝土中氯离子峰值含量差异不大，但是长期浸泡作用下混凝土中氯离子峰值出现于混凝土表面，而干湿交替作用下混凝土中氯离子峰值距离表面有一定的深度。李晗等[22]研究结果表明，随钢纤维、SiO2、CaCO3掺量增加，各龄期纤维纳米混凝土抗氯离子能力呈增大趋势，随混凝土基体强度降低，各龄期混凝土抗氯离子能力逐渐降低，将适量的纤维和纳米矿粉掺入混凝土中，对混凝土的抗氯离子性能提升效果显著。张俊芝等[23]通过研究表明，单掺粉煤灰、火成岩纤维时混凝土氯离子扩散系数的时间衰减系数均增大，对氯离子扩散性能的衰减影响明显。Morteza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，当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]通过快速氯离子渗透试验研究表明，聚丙烯纤维混凝土的库伦值明显小于普通混凝土，即聚丙烯纤维混凝土提高了混凝土抗氯离子性能，原因可能是纤维混凝土内部有着较小的毛细孔隙率。

4 纤维混凝土的抗渗性能

Kakooei等[26]通过四电极法来测量纤维混凝土的渗透性，结果表明，随着纤维掺量的增大，混凝土的抗渗能力整体上是增大的，而且比素混凝土的抗渗能力都要好，掺量为2 kg/m3时性能最佳。Zhang等[27]研究结果表明，聚丙烯纤维的掺量对混凝土渗透性的影响是显著的，当掺量从0%增加到0.12%时，渗透水的长度从8.7 mm降到7 mm。纤维均匀地分布在混凝土中使其形成一个网状结构，减少了基体中的渗流通道，改善了混凝土抗渗性能。董如梦[28]采用BY-HS168智能型混凝土抗渗仪测试喷射纤维混凝土的渗透性，结果表明，随着纤维掺量的增加，喷射聚丙烯纤维混凝土的渗透高度下降，即纤维掺量的增加提高了混凝土的抗渗性，渗透高度在纤维掺量为0.9 kg/m3之前急剧下降，之后降低幅度较小，得到喷射混凝土聚丙烯纤维最优掺量为0.9 kg/m3。Ramezanianpour等[25]研究结果表明，随着纤维掺量的增加，混凝土的渗透性先减小后增大，当纤维掺量为0.7 kg/m3时抗渗能力最好，抗渗能力相较于素混凝土提高了约30%。

5 展望

综上所述，影响混凝土结构耐久性的因素很多，我们要在标准的试验方法下对纤维混凝土在单因素作用下的耐久性能进行更深层次的研究，然后开展纤维混凝土多因素耦合作用下的耐久性研究，如冻融-碳化耦合试验、硫酸盐-干湿循环耦合试验等。此外，实际工程中的混凝土结构往往处于受力状态下，这就要求我们还要进行环境与结构荷载耦合下的耐久性研究，如冻融-弯曲应力-碳化耦合试验、冻融-弯曲应力-氯离子耦合试验、弯曲应力-氯离子-硝酸耦合试验等。

混凝土中掺入2种甚至2种以上纤维得到的混杂纤维混凝土，目前还处在理论研究阶段，有关其耐久性能研究相对较少。因此，纤维混凝土的耐久性研究应首先对单因素作用进行深化研究，进一步探索耐久性损伤机理，然后开展环境和荷载多因素耦合作用下的耐久性研究。此外，还应开展混杂纤维混凝土的耐久性试验研究，研究混杂纤维的种类、比例、掺量等对混凝土在不同侵蚀环境下耐久性能的提升作用。

因此，纤维混凝土耐久性问题需要大量的试验研究和理论分析来验证，任重而道远。