混杂纤维自密实混凝土的应用研究进展

韩园圈 董学超

[摘要]近年来，混杂纤维复合材料以优良的性能优势和较为明显的成本优势，在各个领域得到快速应用与发展。因纤维之间存在着交互作用，混杂纤维复合材料性能的表现要超过所有单掺纤维的叠加。本文对国内外有关研究进行总结，重点分析了混杂纤维自密实混凝土的性能优势，并对其发展方向进行了展望。

[关键词]混杂纤维；纤维复合材料；性能优势；成本优势 文章编号：2095-4085（2018）06-0007-02

混凝土材料具有抗压强度高、刚度较大和耐久性能好等优点，但也存在着明显的缺点，混凝土材料的抗拉强度偏低，特别容易发生脆性破坏，因此可以在混凝土中掺杂纤维以起到增强混凝土的作用。目前将水泥基材料复合化是提高其性能的主要途径，纤维可以发挥增加强度、韧性和延缓开裂的作用[1]。

查阅文献可知，掺杂某种单一纤维以增强混凝土强度的作用通常较为有限，不能全方位弥补混凝土的缺点，而多种纤维混杂可以促进纤维协同工作，有效解决混凝土抗拉、抗弯强度低，易开裂等问题[2]。

混杂纤维复合材料具有不同纤维的优点，取长补短，既能优化综合力学性能，又能有效降低成本。

1 工程应用

相比于国外而言，我国研究混杂纤维混凝土起步较晚，在研究和应用方面都远远不及发达国家。近年来，由于国内基础建设发展迅速，对混凝土材料性质的要求也有所提高，我国开始关注混杂纤维混凝土的研究并对其进行尝试与应用[3]。目前，国内多项工程应用单一纤维掺杂强化的混凝土材料，应用效果良好，达到预期目标。混杂纤维混凝土目前的工程应用尚处于起步阶段，但具有广阔的应用前景。

我国的南水北调中线输出建筑物渡槽为了避免极大温差引起混凝土结构物的内应力发生显著改变，导致普通混凝土受拉开裂，研制了一种高性能复合纤维与细灰增强混凝土，其是由不同长度的聚丙烯纤维进行混杂，加入到特种水泥中，经由强力搅拌之后混合形成的复合材料。

上海地铁建设公司与同济大学一起合作，开展研究地铁隧道复合纤维混凝土管片技术，开启了我国地铁隧道复合纤维管片技术之先河，并在综合研究地铁隧道复合纤维管片新技术的基础上于上海M6地铁实施试验段[4]。

2 国内研究现状

近几年来，随着国内纤维混杂研究热度的上升，混杂纤维自密实混凝土有关实验的数量增多，研究成果也越来越突出。华渊等分别实验了聚丙烯纤维与碳纤维混杂、聚丙烯纤维与钢纤维混杂、抗碱玻璃纤维与聚乙烯纤维混杂三种混杂方式，相互对照以研究混杂效应。实验通过假定混杂系数，计算抗拉强度，抗压强度和抗弯强度，利用计算结果分析混杂效应的体积率和纤维体积分数之间的关系，最终得出利用高延性高弹纤维进行混杂的自密实混凝土力学性能优良的结论[5]。

为使高强混凝土弯曲性能增强，焦楚杰混杂钢纤维和聚丙烯纤维，配制混杂纤维自密实高强混凝土。实验结果表明，从初裂强度、韧性和抗弯强度等性能进行衡量，混杂纤维自密实混凝土性能优于普通高强混凝土，相比于单一掺杂钢纤维的高强自密实混凝土也具有明显优势[6]。

丁一宁、董香军等设置单一掺杂钢纤维、单一掺杂聚丙烯纤维和掺杂混杂纤维的三组自密实混凝土材料，通过实验进行对比三组自密实混凝土材料的抗弯韧性和强度的研究。实验结果表明：相比于钢纤维混凝土，混杂纤维混凝土具有更好的韧性，而且破坏形态也得到明显改善，其原因在于充分发挥聚丙烯纤维的抗拉性能，从而有效延缓混凝土开裂之后钢纤维的拔出过程[7]。

3 国外研究现状

Feldman等组合研究钢纤维和聚丙烯纤维后发现，两种纤维提升混凝土性能的侧重点不同：钢纤维弹性模量大，能提高混凝土抗拉强度；聚丙烯纤维弹性模量较低但延性好，有效提高混凝土的韧性以及混凝土开裂后的应变性能[8]。

Glavind等利用钢纤维和聚丙烯纤维两种材料进行混杂，研究发现这两种纤维的混杂对提高复合材料极限压应變具有显著作用。

Banthia等利用普通混凝土与多种类型纤维进行混杂实验，得出弹性模量低的各向同性沥青基碳纤维和弹性模量高的自旋相沥青基碳纤维之间协同效应较强；在增韧方面，聚丙烯纤维和自旋相的碳纤维表现出的协同作用最大；采用较低的纤维总体积率相比于较高的纤维总体积率更容易得到混杂效应[9]。

4 结论和展望

混杂纤维的掺入，能有效改善混凝土的力学性能，改善的程度与混杂纤维的品质，几何形态，产量比例，基本强度等因素息息相关。而且混杂纤维的掺入还能提高混凝土的黏聚性及保水性，虽然会对混凝土拌合物的流动性产生负面影响，但从总体上来讲，混杂纤维混凝土拌合物还是具有良好且稳定的和易性，其工作性能得到了改善。

从混杂效应的角度来看，有正负混杂效应两种，故存在着最优混杂纤维类型和掺量组合。其破坏形态明显得到改善，由普通混凝土的脆性破坏变为明显的延性破坏。

将不同尺度与性能的纤维混杂，取长补短，在混凝土受荷的不同阶段和层次上发挥混杂效应，协同作用，从而强化韧性混凝土，得到综合力学性能良好的高性能混凝土，将是建筑科学领域具有广阔前景的研究发展方向之一，目前对混杂纤维混凝土的研究还处于试验研究阶段，理论研究还有待深入，很多问题尚待解决。

参考文献：

[1]王振波.聚乙烯醇——钢纤维混杂增强水泥基复合材料力学性能研究[D]，北京：清华大学，2016.

[2]黄国栋，马芹永.混杂纤维混凝土力学性能试验研究与分析[J].地下空间与工程学报，2010，6（02）：329-333+340.

[3]宁博，欧阳东，易宁，等.混杂纤维混凝土在地铁管片中的应用[J].混凝土与水泥制品，2011，（01）：50-53.

[4]鞠丽艳，王量，张雄.地铁隧道复合纤维混凝土管片新技术[J].混凝土，2004，（08）：69-71.

[5]毕远志，孔一凡，华渊，等.建筑节能[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[6]焦楚杰，孙伟，秦鸿根，等.聚丙烯-钢纤维高强混凝土弯曲性能试验研究[J].建筑技术，2004，（01）：48-49+58.

[7]丁一宁，董香军，王岳华.混杂纤维自密实混凝土的强度和抗弯韧性[J].建筑材料学报，2005，（03）：294-298.

[8]尹机会.钢一合成纤维混凝土强度与韧性的试验研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[9]张二龙.复合纤维混凝土力学及耐久性能试验研究[D].天津：河北工业大学，2007.