改性纤维对混凝土抗冻性能的影响研究进展

许晓云，刘欣欣，彭雅娟，燕 琴

(南昌工学院 人居环境学院，江西 南昌 330108)

0 前 言

混凝土的发展经历了漫长的历史演变，已逐渐发展成为现代多功能混凝土，在近现代土木工程中发挥着无可替代的作用。混凝土的优点在于抗压强度高、成本低廉且性能优异，但也存在抗拉强度低、抗裂性能差、韧性小等劣势，限制了其潜在的发展。近年来，随着天然砂石资源的逐渐短缺，采用废弃商品混凝土加工而成的再生混凝成为业界研究的热点，但再生混凝土的粗细骨料存在大量空隙，表面粗糙且棱角多，导致再生混凝土的性能及耐久性等性能劣化。鉴于上述状况，学术界与工程界长期以来一直在致力于研究改善混凝土性能(主要提高抗拉强度、增强韧性)的方法途径。近年来，采用纤维增强混凝土的性能已成为当前研究的热门方向之一，其技术方案是将各种改性纤维拌和添加到混凝土中以改善其性能，主要包括聚丙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、纤维素纤维和钢纤维等材料。

1 纤维对普通混凝土抗冻性能的影响

混凝土是一种脆性材料，脆性基体材料开裂时，由于其抗压强度远高于开裂强度，且断裂韧性较差容易形成失稳破坏。大量实验证明，混凝土中掺入纤维，使混凝土的断裂性能得到改善，从而导致混凝土破坏形式发生改变。

抗冻性是衡量混凝土耐久性的重要指标之一，国内外学者采用了多种有效的评价参数与测试方法研究了以冻融为主要因素对混凝土的耐久性。笔者通过查阅大量文献并进行了总结，揭示了聚丙乙烯纤维、玄武岩纤维、碳纤维、纤维素纤维、钢纤维等对混凝土抗冻耐久性能的影响。

聚丙烯纤维是一种具有伸长率高、低弹性模量的纤维，通常被用于提高材料韧性、抗冲击性能以及抗疲劳性能。周志云等[1]研究发现在100次冻融循环后，与掺入0.1 kg/m3聚丙烯纤维的混凝土相比普通混凝土质量损失超过10%，而聚丙烯纤维混凝土的质量损失低于3%。王瑞兴等[2]就聚丙烯纤维掺量(0～0.9 kg/m3)对混凝土的抗冻性的影响进行了研究，发现当聚丙烯纤维掺量为0.9 kg/m3时，更能显示出混凝土的优越的耐久性。

玄武岩纤维是一种强度高、耐高温、耐久性好、无污染的无机非金属材料，受到了不少学者的关注。文可等[3]研究发现，在100次冻融循环后，玄武岩混凝土的相对弹性模量和质量损失分别是普通混凝土的1.47和0.64倍。玄武岩纤维可优化混凝土内部孔结构，使混凝土外部的水难以渗透到空隙内部，减少了空隙内可结冰水，达到改善混凝土抗冻性能的作用。

碳纤维是一种性能优良的新型纤维，其比弹性模量大、比强度高、密度小、耐腐蚀、耐高温且能导电，常用于改善材料的强度与刚度。曹梓煜等[4]研究了0、0.5%、0.7%、1.0%四种不同体积分数碳纤维掺入混凝土的冻融试验，在冻融循环初期，碳纤维对混凝土性能改善作用不大，125次冻融循环后，掺入碳纤维能明显改善混凝土抗冻性，在300次冻融循环后，掺入碳纤维的混凝土外形完整，平均重量损失为5.19%，相对弹性模量损失34%，发现体积分数为1%掺量的碳纤维对混凝土的抗冻性能改善最优。

纤维素纤维具有弹性模量大、亲水性强、与水泥基体之间附着力强等优点。徐海宾等[5]通过冻融试验研究掺入纤维素纤维对混凝土的耐久性的影响，研究发现冻融循环300次后，普通混凝土和掺入聚乙烯纤维的混凝土都发生冻融破坏，混凝土中掺入0.9～1.3 kg/m3纤维素纤维未发生冻融破坏，纤维掺量的增加，明显改善了混凝土的抗冻性能。

钢纤维是一种弹性模量大且强度高的高性能纤维，被广泛地用于混凝土道路中。董振平等[6]通过冻融试验研究钢纤维对高强混凝土抗冻性的影响，经过300次冻融循环后，在冻融循环作用下混凝土内部产生了渗透压应力与温度应力，导致混凝土开裂。根据复合材料理论，钢纤维掺入混凝土后，提高了混凝土的弹性模量，且钢纤维可以抵抗混凝土裂缝的发展，从而抵抗冻融破坏。

2 纤维对再生混凝土抗冻耐久性的影响

Roumiana Zaharieva等[7]和 A Gokce等[8]，指出再生混凝土的抗冻性能低于普通混凝土，其主要原因是再生混凝土骨料自身的缺陷。掺入纤维能改善再生混凝土骨料自身的缺陷，也可形成一种新型材料，是研究建筑材料可持续发展的方向之一。

任磊等[9]通过冻融试验研究掺入玄武岩改善再生混凝土抗冻性的最佳掺量，结果表明再生骨料最佳取代率为50%、玄武岩纤维最佳掺量为4 kg/m3。100次冻融循环作用后，掺量为4 kg/m3的玄武岩再生混凝土的抗压强度明显高于普通混凝土。

颜胜强等[10]就纤维素再生混凝土抗冻性能进行了研究，研究发现纤维素纤维的掺入可以改善再生混凝土的抗冻性能，当掺量为0.6%时，效果最为显著。

霍俊芳等[11]通过冻融试验研究钢纤维对再生混凝土抗冻性的影响，研究发现钢纤维掺量为0.5 kg/m3时对再生混凝土抗冻性能改善最为显著。掺入钢纤维后，钢纤维再生混凝土抗冻等级大于F300。

综上所述，玄武岩纤维、碳纤维、纤维素纤维、钢纤维都可以改善混凝土与再生混凝土的抗冻性能。其改善机理大致相同，主要包括：①混凝土中掺入纤维后，纤维能形成各种网状结构，可以优化混凝土的孔结构；②数目众多的纤维能阻碍连通孔洞的形成，使水的迁移困难，大量纤维错综复杂地分布在混凝土内部可以改善其含气量和含水量，从而可以降低混凝土内部的渗透压和静水压；③纤维的弹性模量高于混凝土弹性模量，纤维的掺入可以增大混凝土的弹性模量；④混凝土受到外界荷载时，会产生裂缝，纤维的掺入导致混凝土裂缝发展时，其平均距离内都会有一根纤维阻止裂缝的发展(纤维间距理论)。

3 结论与展望

纤维作为改善混凝土性能的新型材料，再生混凝土中掺入纤维，对混凝土的性能有显著影响。当纤维和其他添加剂混合或多种纤维混和掺入时对混凝土和再生混凝土的力学性能改善明显比单掺纤维改善混凝土的力学性能效果好，纤维可明显改善混凝土和再生混凝土的抗冻性，而且对再生混凝土性能的改善程度明显强于普通混凝土。目前国内建筑垃圾资源化利用率存在很大的发展空间，再生混凝土是一种绿色建筑建材符合可持续发展理念的新型材料，是未来建筑材料发展的重要方向之一。

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