纖維增強混凝土力學(xué)性能及耐久性研究

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摘要:隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，越來越多的新型建筑材料被大家所認知。其中纖維作為一種新型高分子建筑材料，主要具有強度高、比重輕等優(yōu)點，在混凝土中主要起防裂、抗?jié)B等作用。近些年來，國內(nèi)外學(xué)者對纖維增強混凝土的力學(xué)性能和耐久性進行了大量的試驗研究和理論分析，主要研究分析了纖維增強混凝土的破壞形態(tài)與作用機理。通過綜述近些年國內(nèi)外纖維增強混凝土的研究現(xiàn)狀，分析了不同種類、不同長度、不同體積摻量的纖維混凝土的力學(xué)性能及耐久性，并提出了纖維增強混凝土在未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞:纖維增強混凝土;力學(xué)性能;耐久性;發(fā)展前景

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，混凝土的需求量日益倍增。纖維作為一種新型高分子建筑材料，逐漸被廣大學(xué)者所認知，近幾年來，很多學(xué)者在纖維混凝土方面作了大量研究。最常見的纖維混凝土包括鋼纖維混凝土、碳纖維混凝土、聚乙烯醇(PVA)纖維混凝土、玄武巖纖維混凝土以及混雜纖維混凝土等等。目前，纖維混凝土主要應(yīng)用于路面工程、橋梁工程、水工建筑物以及工業(yè)和民用建筑當中［1-2］。所以，多數(shù)學(xué)者主要對纖維混凝土的力學(xué)性能［3-7］及耐久性［8-12］進行了研究。本文主要對國內(nèi)外關(guān)于纖維混凝土的研究現(xiàn)狀進行了闡述，歸納分析了不同種類、不同長度、不同體積摻量的纖維對混凝土力學(xué)性能及耐久性的影響。通過本文的總結(jié)分析可知，纖維可以有效提高混凝土的力學(xué)性能及耐久性，但并不是纖維摻量越多，改善效果越明顯，而且由于纖維成本價較高，所以對于纖維的選取和配比至關(guān)重要。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行綜述，指出了纖維增強混凝土在未來的發(fā)展前景。

1纖維增強混凝土力學(xué)性能

1．1立方體抗壓強度

立方體抗壓強度又稱立方體抗壓強度標準值，是衡量混凝土力學(xué)性能的重要指標之一。因此，對于纖維增強混凝土立方體抗壓強度的研究具有重大意義，本節(jié)主要對不同種類纖維的混凝土抗壓強度進行了闡述。楊智碩等［13］研究了玄武巖纖維對超高強混凝土(UHSC)抗壓性能的影響，試驗結(jié)果表明，玄武巖會有效提高UHSC的抗壓性能，并當摻量為2kg/m3時，達到最優(yōu)效果。李樹慧等［14］采用試驗方法研究了鋼纖維對自密實混凝土抗壓強度的影響，結(jié)果表明，當體積率為0．9%時，鋼纖維自密實混凝土抗壓強度最大。YuanQin等［15］對聚丙烯纖維增強混凝土和普通混凝土抗壓強度進行了比較，結(jié)果表明，聚丙烯纖維增強混凝土抗壓強度較普通混凝土抗壓強度高。

1．2劈裂抗拉強度

結(jié)構(gòu)設(shè)計中抗拉強度是確定混凝土抗裂能力的重要指標，本節(jié)主要從纖維摻量出發(fā)，研究了PVA纖維、碳纖維等不同種類的纖維對混凝土劈裂抗拉強度的影響。得出了各類纖維的最優(yōu)配合比。杜向琴等［16］通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土的劈裂抗拉強度隨纖維摻量的增加呈先增大后減小趨勢，并提出了纖維體積摻量與相對劈裂抗拉強度之間的關(guān)系表達式。除此之外，從細觀上對碳纖維混凝土增強機理進行了探討。F．S．Khalid等［17］通過對塑料合成纖維混凝土劈裂抗拉試驗進行研究，發(fā)現(xiàn)纖維含量的增加會有效提高混凝土基體的抗拉強度。

1．3抗折強度

抗折強度是衡量混凝土力學(xué)性能的重要指標之一，試驗方法主要包括三點抗彎和四點抗彎。本節(jié)主要對比分析了玄武巖纖維對混凝土抗折強度的影響。FaridAbed等［18］通過對摻入玄武巖纖維后的混凝土梁進行了四點加載試驗，結(jié)果表明，摻入玄武巖纖維之后可以明顯提高梁的曲率延性，而且通過對加載過程進行觀察、記錄，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維可以有效抑制裂縫的擴展。YanruZhao等［19］采用三點彎曲試驗研究了玄武巖纖維混凝土抗彎能力，試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維會提高混凝土的變形抵抗力，從而會抑制其彎曲損傷和破壞。并且當體積摻量為2kg/m3，抗彎性能達到最佳效果。

2纖維增強混凝土耐久性研究

2．1抗凍性

目前已有很多學(xué)者對纖維混凝土抗凍性能進行了研究，主要從質(zhì)量損失及動彈性模量的角度分析了試件的抗凍性能。本節(jié)通過對國內(nèi)外已有的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)，分析了各類纖維對混凝土抗凍性能的影響狀況。陳愛玖等［20］采用正交試驗的方法，得出了強度等級為C35混凝土抗凍性能達到良好時的最優(yōu)配合比，結(jié)果表明，當粉煤灰摻量為10%，再生骨料摻量為50%，減水劑摻量為0．5%，且纖維采用銑削波紋型鋼纖維時，其再生混凝土的抗凍性能達到最優(yōu)。JeongsooNam等［21］通過對PVA纖維和纖維增強水泥基復(fù)合材料(FRCC)抗凍性能進行研究，試驗結(jié)果表明，PVA纖維與FRCC的混合對抗凍性非常有效。

2．2抗?jié)B性

對于纖維增強混凝土抗?jié)B性能的研究目前較少，本節(jié)通過對已有的研究進行對比分析，得出了不同纖維種類、不同纖維長度及不同纖維摻量下混凝土的抗?jié)B性能。周靜海［22］等人通過對聚丙烯纖維混凝土進行研究，發(fā)現(xiàn)廢棄的聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的抗?jié)B性能，而且通過對比發(fā)現(xiàn)，纖維長度的變化較纖維摻量的變化對混凝土抗?jié)B性能的影響更明顯，并且指出，當纖維長度為19mm，體積摻量為0．16%時，試件的抗?jié)B性能達到最優(yōu)。王紅喜等［23］研究了混雜纖維對高性能混凝土抗?jié)B性能的影響，纖維主要包括鋼纖維、Dura纖維和Dolanit纖維三種。結(jié)果表明:單一纖維摻入后可以有效改善混凝土的抗?jié)B性能，而且鋼纖維增強能力更明顯。除此之外，纖維混雜越多，抗?jié)B性能越強。

2．3抗腐蝕性

長期處于沿海地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，由于海水中存在大量的腐蝕性物質(zhì)，當鹽、堿類物質(zhì)進入混凝土內(nèi)部，就會與其發(fā)生物理化學(xué)等一系列反應(yīng)，從而造成混凝土性能的劣化。本節(jié)通過對摻入纖維后的混凝土抗腐蝕性進行研究，發(fā)現(xiàn)纖維可以有效提高混凝土的抗腐蝕性。姜錦磊等［24］為了模擬海水環(huán)境，采用干濕交替的腐蝕方法，對PVA-鋼混雜纖維混凝土的彎曲韌性進行了試驗研究。試驗結(jié)果表明，腐蝕后纖維混凝土的初裂荷載、峰值荷載和彎曲強度均有所下降。在腐蝕前后，PVA-鋼混雜纖維混凝土的彎曲韌性均高于普通混凝土。文獻［25-26］指出，纖維會限制裂縫的寬度，從而降低延緩混凝土開裂。

3結(jié)論與展望

纖維增強混凝土作為一種新型建筑材料，較普通混凝土相比，主要具有很好的抗拉性能，而且環(huán)保。纖維在混凝土種主要承擔增強、阻裂等角色，而且與水泥基體有很高的黏結(jié)強度。按材料性質(zhì)可分為金屬纖維、無機纖維以及有機纖維。本文從纖維增強混凝土的力學(xué)性能及耐久性方面出發(fā)，并基于國內(nèi)外已有的研究成果，對纖維增強混凝土的發(fā)展前景提出了如下幾點展望:(1)隨著我國城市化的快速發(fā)展，垃圾的排放量也迅速增加，如何有效利用垃圾，給人類帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，對垃圾應(yīng)做好分類，然后從中提取有價值的廢料，加工成可利用的纖維材料，這樣不僅取材因地制宜，而且環(huán)保，可以充分實現(xiàn)垃圾的再回收利用。(2)應(yīng)深入研究纖維增強混凝土的微觀機理，對于纖維在混凝土內(nèi)部的分布情況應(yīng)進行對比分析，選出一種使纖維分布更加均勻的施工工藝。(3)目前，對于纖維增強混凝土力學(xué)性能及耐久性的數(shù)值模擬方面研究較少，所以應(yīng)加強數(shù)值模擬方面的研究，并通過與試驗結(jié)果進行對比分析，為纖維增強混凝土材料的研究提供有效的理論支撐。(4)目前，對于纖維摻量和纖維長度對纖維增強混凝土力學(xué)性能及耐久性的研究較多，應(yīng)該將纖維直徑也作為一種變量來進行研究。(5)應(yīng)多開展纖維增強混凝土在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中的應(yīng)用，為其在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

作者：解春燕 單位：內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院