混杂纤维混凝土路用性能研究进展★

宋哲生 王 钧 李明钊

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

1 概述

水泥混凝土路面作为一种重要的路面结构形式，具有强度高、稳定性好、养护费用低等优点，一直以来在世界各国得到广泛应用。我国水泥混凝土路面使用起步较晚，但近年来发展速度十分迅猛。据统计，截止到2015年年底，全国水泥混凝土路面总里程已达204.63万km2。但与发达国家相比我国水泥混凝土路面主要应用于低等级公路，且部分水泥混凝土路面的使用寿命远低于其设计寿命，这主要与水泥混凝土是一种脆性材料的特性有关。有研究表明，混凝土结构性能的劣化在其服役期内均与混凝土材料的脆性开裂特征紧密相关[1]。混凝土结构在干湿循环、温度变化和荷载等因素的共同作用下，结构中拉应力较大的部位极易产生脆性开裂。随着裂纹的增加和裂缝宽度的不断增长，混凝土路面的耐久性能也不断劣化。

试验研究表明，混凝土的渗透系数与裂纹宽度有关，开裂混凝土的渗透性显著大于非开裂混凝土[2]。此外，路面基层的早期裂缝也是水泥混凝土路面抗疲劳性能弱化的主要原因[3]，因此混凝土的开裂将严重影响混凝土结构的长期使用性。为了改善水泥混凝土路面的耐久性能，在混凝土中掺加纤维是当前工程界普遍采用的方法。现阶段常见的纤维混凝土大多采用单掺纤维体系，通过不同特性的纤维改善混凝土基材的性能。其中较为常见的纤维材料包括钢纤维、碳纤维和聚丙烯纤维。不同的纤维因其不同的材料特性在混凝土中起到的作用也不尽相同。但混凝土路面的使用环境较为复杂，对纤维混凝土性能的要求是多方面的，且混凝土裂缝的扩展过程由细观到宏观跨越多个尺度，单一纤维在混凝土开裂过程中的作用相对有限。因此，国内外学者开始尝试采用不同力学特性、不同尺寸的纤维进行混掺，以期进一步优化混凝土材料的性能。

纤维混杂作为目前纤维混凝土新的研究方向，国内外学者在力学性能及耐久性方面对不同纤维混杂的混凝土材料进行了研究并取得相应成果。本文基于混杂纤维对混凝土路用性能改善的阐述与分析，为混杂纤维在路用混凝土中的应用奠定基础。

2 力学性能

1975年英国学者Walton等[4]在混凝土中将有机纤维和无机纤维混杂是最早有关混杂纤维混凝土性能的研究。之后，混杂纤维改善混凝土性能的研究得到快速发展。目前纤维混杂方式主要分为三种[5,6]：不同尺寸纤维的混杂、不同本构关系纤维的混杂以及基于纤维不同功能的混杂。同时，这三种混杂方式可同时存在。基于这三种不同形式的纤维混杂，国内外学者对混杂纤维混凝土的力学性能进行了大量试验。

Park等[8]将不同尺寸的钢纤维混掺，研究混掺纤维水泥基复合材料抗拉力学行为。结果表明，尽管小尺寸纤维可以改善混杂体系的应变硬化和多点开裂特征，但轴拉应力—应变曲线的形状主要受大尺寸纤维控制。随着纤维掺量增加，复合材料的抗拉强度和极限拉应变逐渐提高，微裂纹数量显著增加，混凝土呈塑性破坏形态。

Ahmed等[9]将不同尺寸的聚乙烯醇纤维混掺，研究混掺纤维增强砂浆抗弯力学性能。结果表明，大尺寸纤维主要控制材料的变形性能，而小尺寸纤维主要控制材料的强度。同时，通过纤维混杂，在一定程度上实现了材料的应变硬化和多点开裂，但对混凝土强度的影响总体不大。

武汉大学的徐礼华等[10]进行了混杂钢纤维与聚丙烯纤维混凝土轴心受拉应力—应变关系的研究。试验结果表明，在混凝土受拉过程中，混杂纤维的增强效果呈现出逐级阻裂的特点，纤维增强区域呈现明显的塑性破坏特征。其中，混凝土的极限强度随钢纤维长径比的提高不断提升，而聚丙烯纤维在改善混凝土的脆性，提高混凝土的延性方面发挥了重要作用。

国内外学者对混杂纤维混凝土力学性能的研究普遍显示：不同尺寸的同种纤维材料混掺时，大尺寸纤维有利于提高混凝土的抗拉和抗折强度，小尺寸纤维则有利于提高混凝土的抗压强度；不同弹性模量的纤维混掺时，高弹模的纤维对混凝土的强度起主导作用，低弹模的纤维对混凝土强度影响较小，甚至会产生负效应。

3 阻裂增韧性能

纤维阻裂作用机理目前主要包括两种理论：复合材料理论和纤维间距理论。复合材料理论认为混凝土作为一种非匀质材料，在荷载作用下，混凝土内部产生大量的应力集中点，当应力达到抗拉强度极限即出现裂缝。掺加纤维后，可以约束混凝土的收缩变形，分担混凝土的应力，推迟裂缝出现的时间。纤维间距理论则提出当混凝土内微裂缝产生并向任意方向延伸时，在不超过纤维平均中心距的范围内存在一根纤维，并阻止裂缝的发展。基于这两种理论，国内外学者在进行了大量掺加单一纤维混凝土抗裂性能试验的基础上，对混杂纤维混凝土的阻裂增韧效应进行了更进一步的研究。

Hsie等[11]将不同尺寸的聚丙烯纤维混杂以研究混凝土韧性。试验结果显示，混杂聚丙烯纤维能有效抑制混凝土的干燥收缩，但对混凝土开裂后韧性的提升幅度较小，且对抗弯强度的影响不大。由于纤维总掺量较低(1.0%附近)，混杂纤维混凝土仍然表现为应变软化特征。

Cominoli等[12]研究了不同尺寸钢纤维混杂对混凝土的阻裂作用。研究表明，小尺寸钢纤维仅能抑制在一定宽度范围内的裂缝扩展，对混凝土后期的韧性提升效果有限，而大尺寸纤维则能有效抑制较大宽度裂缝的发展。

刘思国等[13]研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维的混杂对自密实混凝土早期约束收缩的影响。结果表明，相对于单掺纤维，混杂纤维具有更加优异的限缩和抗裂能力。其中，聚丙烯纤维对早期塑性收缩的限制效果更明显，但随着基体强度的增加，玻璃纤维的阻裂能力愈加明显。

4 抗冻性能

对于水泥混凝土路面，冻融破坏能够引起混凝土表面出现微裂缝，并使裂缝逐渐向内部延伸，导致混凝土表层剥落，最终造成路面板断裂。混凝土的冻融破坏主要与其内部的毛细水和凝胶水有关。毛细水结冰后体积膨胀，挤压毛细孔在混凝土内部产生拉应力；凝胶水虽不结冰，但在冻融条件下会产生较大的渗透压。在冻胀力和渗透压的共同作用下，混凝土内产生微裂缝并逐步延伸，导致混凝土冻融破坏。为提高混凝土的抗冻性能，相关学者进行了大量混杂纤维对混凝土抗冻性能影响的试验。

赵兵兵等[14]采用慢冻法研究了混杂玄武岩纤维和聚丙烯纤维的混凝土的抗冻性能。研究结果显示，混杂纤维有利于改善混凝土基体的抗冻性。其中，聚丙烯纤维主要通过限制混凝土初裂缝的形成来改善混凝土的抗冻性。玄武岩纤维则主要通过抑制大尺寸裂缝的发展，抵抗冻融产生的膨胀压力和渗透压力。因此，两种纤维在不同阶段共同作用，提高混凝土的抗冻性。

李燕等[15]采用慢冻法测得不同冻融循环后钢—聚丙烯混杂纤维混凝土的抗压强度及弹性模量。试验结果表明，混凝土抗压强度值和冻融循环数量呈正比例关系。试验同时建立了精度较高的盐冻条件下混凝土强度衰减模型。

5 疲劳强度

疲劳强度是混凝土路面设计及其性能表现的一个关键指标。混凝土的疲劳破坏是由于在疲劳作用下其内部的损伤不断积累造成的。混凝土路面在硬化过程中不可避免会产生一些初始缺陷，在车辆循环荷载的作用下，由于原始缺陷的存在，缺陷处的损伤不断累积，开裂韧度不断降低并达到一定界限后初始缺陷将稳定发展，直至新的损伤区附近的混凝土又以较高的抗裂韧度阻止已有裂缝的继续扩展,于是就开始了新一轮的损伤积累。上述过程不断循环，终于在疲劳应力作用累计到一定程度后导致破坏[16]。目前，部分学者采用掺加混杂纤维的方式，提高混凝土的疲劳强度，延长混凝土路面的使用寿命。

华渊等[17]将碳纤维和聚丙烯纤维混掺入混凝土中，观察了混杂纤维混凝土在疲劳作用下内部的损伤发展规律，并建立了相应的疲劳损伤模型。研究结果表明，混杂纤维加入混凝土中，由于纤维能够延缓裂缝的产生和发展，混凝土的疲劳强度得到提升，疲劳变形性能也得以大大改善。

Singh[18]研究了混杂钢纤维和聚丙烯纤维增强混凝土的抗弯疲劳强度，并利用疲劳试验数据为混杂纤维混凝土生成了S-N-Pf曲线族，确定了疲劳应力水平、疲劳寿命和失效概率之间的关系，得到了含不同比例钢纤维和聚丙烯纤维的混凝土疲劳方程，并用以预测混凝土的疲劳寿命。结果显示，混杂纤维有利于提高混凝土的疲劳强度。

根据国内外学者关于混杂纤维混凝土疲劳强度的研究显示，在疲劳加载过程中，混杂纤维混凝土的裂缝扩展普遍具有“潜伏期现象”。素混凝土的疲劳应变变化规律具有很明显的三段式发展特征。其中，第二阶段即应变稳定发展阶段持续时间最长，约占混凝土疲劳寿命周期的70%左右。与素混凝土相比，混杂纤维混凝土同样具有上述特征，但第一阶段即内部损伤形成阶段相对更短，第二阶段则达到90%左右。第二阶段的大部分能量由微观裂缝间的纤维吸收。因此，混杂纤维可以延缓疲劳损伤的积累速率，抑制裂缝的发展，从而提高混凝土的疲劳强度。

6 结语

混杂纤维混凝土作为纤维混凝土的主要研究方向之一，大量的研究结果显示，混杂纤维有利于提高混凝土的抗冻性、抗裂性和耐疲劳性等路用性能。通过两种或两种以上不同尺寸、不同本构关系的纤维混杂，可以在混凝土使用的不同阶段、不同结构层次发挥各自纤维的作用，以达到正混杂效应，改善混凝土的性能。

但目前混杂纤维混凝土的研究依然存在一些局限。现阶段，大部分的混杂纤维试验依然集中于普通混凝土中，高强高性能混凝土的化学组成和微观结构更加复杂，对混杂纤维的作用效应具有何种影响需要进一步探讨。此外，目前的混杂纤维研究多集中于宏观纤维之间的混杂，纳米技术发展至今，已在材料工程中得到大量应用，并展现了极具发展潜力的状态。因此，研究纳米级纤维与其他纤维混杂增强混凝土的性能对混凝土材料进一步发展也将极具现实意义。