王 鈞 李 婷

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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纖維改性自密實(shí)混凝土性能研究綜述★

王 鈞 李 婷

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

論述了自密實(shí)混凝土性能的優(yōu)勢(shì)與弱點(diǎn)，并針對(duì)其弱點(diǎn)提出了纖維改性的可行方法，通過(guò)比較宏觀纖維、微觀纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響，從力學(xué)、抗裂、耐久等方面，探討了纖維改性自密實(shí)混凝土的性能，并大膽設(shè)想了纖維改性自密實(shí)混凝土未來(lái)的研究方向。

纖維，自密實(shí)混凝土，力學(xué)性能，抗裂性能，耐久性能

在自身重力作用下，能夠流動(dòng)、密實(shí)，不需要附加振動(dòng)即可成型的混凝土被定義為自密實(shí)混凝土。自密實(shí)混凝土的應(yīng)用解決了由于過(guò)密配筋、薄壁、復(fù)雜形體等結(jié)構(gòu)下振搗困難的施工問(wèn)題，同時(shí)，節(jié)省了勞動(dòng)力資源，提高了施工效率；在綠色環(huán)保方面，降低了能源消耗，并消除了因振搗而帶來(lái)的噪聲污染。因其滿足當(dāng)下行業(yè)高效、節(jié)能的發(fā)展理念，而引起了廣泛關(guān)注。然而，自密實(shí)混凝土和普通混凝土同樣存在抗裂性差、韌性差、低抗拉強(qiáng)度、低抗拉應(yīng)變，易產(chǎn)生干縮裂紋和溫度裂紋的弱點(diǎn)。研究表明：纖維對(duì)于水泥基復(fù)合材料有增韌、增強(qiáng)、阻裂的作用[1-3]，這使得纖維改性自密實(shí)混凝土成為高性能自密實(shí)混凝土的發(fā)展趨勢(shì)之一。

1 改性纖維的分類(lèi)

改性纖維大致可分為兩種，一種是高模量纖維，也稱鋼性纖維，通過(guò)其進(jìn)行改性后的自密實(shí)混凝土在強(qiáng)度、韌性、抗裂性能等方面均有增強(qiáng)。國(guó)內(nèi)、外用于改性自密實(shí)混凝土的鋼性纖維有鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維、碳納米纖維等；另一種是低模量纖維，也稱柔性纖維，這類(lèi)纖維改性自密實(shí)混凝土在增韌、阻裂方面表現(xiàn)突出，但在增強(qiáng)方面的作用不大[4，5]。國(guó)內(nèi)、外用來(lái)改性自密實(shí)混凝土的柔性纖維有聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、玄武巖纖維等。將國(guó)內(nèi)、外常用改性纖維的重要參數(shù)列于表1中。

表1 常用纖維的性能參數(shù)

2 纖維改性自密實(shí)混凝土性能的影響

2.1 力學(xué)性能

自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和韌性均是衡量自密實(shí)混凝土力學(xué)性能的重要的技術(shù)指標(biāo)。

文獻(xiàn)[4]中分別摻入鋼纖維和聚丙烯腈纖維改性自密實(shí)混凝土，通過(guò)增加外加劑的摻量制備符合工作性能的纖維改性自密實(shí)混凝土，并進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)、劈拉試驗(yàn)。試驗(yàn)研究表明：鋼纖維體積摻量在0.8%時(shí)，纖維能均勻分散于自密實(shí)混凝土中，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高在5%以內(nèi)，同時(shí)鋼纖維自密實(shí)混凝土的劈拉強(qiáng)度隨鋼纖維體積摻量在一定范圍內(nèi)增大而增大，劈拉強(qiáng)度提高可達(dá)31%，增強(qiáng)效果明顯。相比于鋼纖維，聚丙烯腈纖維摻量較小時(shí)，對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響可以忽略不計(jì)，但當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量增大到一定程度時(shí)，其抗壓強(qiáng)度反而會(huì)略有下降。隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，劈拉強(qiáng)度先增加后降低，最大可提高9.68%，最優(yōu)摻量約為0.9 kg/m3。文獻(xiàn)[5]中提到的聚丙烯纖維對(duì)于自密實(shí)混凝土的改性趨勢(shì)和文獻(xiàn)[4]中的聚丙烯腈纖維的基本一致，聚丙烯纖維改性自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度可提高24%，纖維的最優(yōu)摻量約為0.10%。文獻(xiàn)[6]將0.5 kg/m3和1.0 kg/m3的玻璃纖維分別摻入自密實(shí)混凝土中，研究表明：玻璃纖維可以在一定程度上降低混凝土的脆性，抗折強(qiáng)度分別提高了12%和10%，劈拉強(qiáng)度分別提高了12%和9%。文獻(xiàn)[7]通過(guò)帶切口自密實(shí)混凝土梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)得了不同摻量的鋼纖維和聚丙烯腈纖維對(duì)自密實(shí)混凝土斷裂能的影響。得出兩點(diǎn)結(jié)論，自密實(shí)混凝土的斷裂能隨著鋼纖維摻量的增加而線性增加，鋼纖維摻量為1.5%時(shí)，斷裂能達(dá)到最大，增益比為43.36；自密實(shí)混凝土的斷裂能隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加呈現(xiàn)非線性增加，聚丙烯腈纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，斷裂能達(dá)到最大，增益比為1.51。

2.2 抗裂性能

為了滿足自密實(shí)混凝土具有良好的工作性能，配合比設(shè)計(jì)時(shí)需增加膠凝材料的用量，提高砂率，這導(dǎo)致自密實(shí)混凝土比普通混凝土更易發(fā)生塑性開(kāi)裂，而與此同時(shí)會(huì)使混凝土的耐久性下降。纖維具有阻裂的性能，且在自密實(shí)混凝土中能更好的分散，兩者相輔相成，纖維改性自密實(shí)混凝土已成為高性能自密實(shí)混凝土發(fā)展趨勢(shì)之一。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：聚丙烯腈纖維、鋼纖維、聚丙烯纖維的摻入都能顯著提高自密實(shí)混凝土早期抗裂性能，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗裂性增強(qiáng)，推遲了出現(xiàn)裂縫的時(shí)間，裂縫更少且更細(xì)。當(dāng)聚丙烯腈纖維摻量為1.2 kg/m3，鋼纖維摻量為1.5%，聚丙烯纖維的摻量在1.2 kg/m3時(shí)，與無(wú)纖維改性的自密實(shí)混凝土相比，開(kāi)裂面積都能減小約90%[4，8，9]。

2.3 耐久性能

混凝土的耐久性是指混凝土在實(shí)際使用條件下抵抗各種破壞因素的作用，長(zhǎng)期保持強(qiáng)度和外觀完整性的能力[10]?；炷恋哪途眯园?jié)B、抗凍、抗磨、抗侵蝕等。

2.4 智能性

混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中將不可避免地產(chǎn)生損傷積累、抗力衰減，因此，有必要對(duì)重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，或使混凝土具有自我修復(fù)的功能，從而有效的避免突發(fā)事故的發(fā)生，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

文獻(xiàn)[15][16]通過(guò)試驗(yàn)揭示了碳納米纖維自密實(shí)混凝土在抗壓、抗彎、劈裂和循環(huán)荷載試驗(yàn)中電阻變化與應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系。研究表明：碳納米纖維自密實(shí)混凝土試件具有良好的壓敏特性，可直接反映所在結(jié)構(gòu)部位混凝土的工作狀態(tài)，當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力接近損傷區(qū)或破壞區(qū)時(shí)，即可自動(dòng)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，使其成為具有自監(jiān)測(cè)功能的智能混凝土。文獻(xiàn)[17]通過(guò)在自密實(shí)混凝土梁受拉區(qū)內(nèi)置成束的注入膠粘劑的空心玻璃纖維，制得了具有自修復(fù)功能的免振搗混凝土簡(jiǎn)支梁，并對(duì)梁進(jìn)行了三分點(diǎn)純彎試驗(yàn)，根據(jù)梁修復(fù)前后承載力的變化，證實(shí)了內(nèi)置注入膠粘劑的空心玻璃纖維對(duì)簡(jiǎn)支梁的承載力具有恢復(fù)和提高的能力。

3 纖維對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

摻入宏觀纖維在提高混凝土的粘聚性、抗離析性和抗泌水能力的同時(shí)，也降低了自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性[4-9，11-14]。當(dāng)纖維體積摻量超過(guò)基于工作性能的體積摻量范圍后，導(dǎo)致混凝土不滿足自密實(shí)要求。研究表明：摻入納米級(jí)纖維可以增加自密實(shí)混凝土的堆積密度，進(jìn)而使得水在減水劑的作用下能夠更有效的對(duì)顆粒進(jìn)行潤(rùn)滑，致使自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能不降反升[18]。

根據(jù)CECS 203—2006自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，應(yīng)對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試，其工作性能包括流動(dòng)性、離析性、填充性，可分別通過(guò)坍落擴(kuò)展度試驗(yàn)，V漏斗試驗(yàn)或T50試驗(yàn)、U型箱試驗(yàn)進(jìn)行工作性能的測(cè)定，來(lái)驗(yàn)證試驗(yàn)指標(biāo)是否滿足CECS 203—2006自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程所要求的自密實(shí)性能等級(jí)指標(biāo)，如混凝土的自密實(shí)性不滿足要求，可在試配中采用增加減水劑用量、膠凝材料用量、水膠比、砂率等方式改善其工作性能。

4 問(wèn)題與展望

纖維改性自密實(shí)混凝土可使自密實(shí)混凝土向高性能化、智能化發(fā)展，然而，纖維改性混凝土仍存在一些問(wèn)題尚需解決。

1)宏觀纖維、微觀纖維對(duì)自密實(shí)混凝土進(jìn)行改性，可提高其力學(xué)、抗裂、耐久、智能化等性能，納米級(jí)纖維的摻入將使自密實(shí)混凝土的工作性能更加優(yōu)異。2)對(duì)比柔性纖維，鋼性纖維能更好的提高自密實(shí)混凝土的性能，在土木工程中的應(yīng)用也更廣，但其相對(duì)較高的費(fèi)用投入，會(huì)大大提高鋼性纖維改性混凝土的成本。隨著我國(guó)國(guó)內(nèi)相應(yīng)生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)、升級(jí)和批量化生產(chǎn)模式的進(jìn)一步擴(kuò)大，其成本將會(huì)逐漸降低，最終可使纖維改性混凝土更廣泛應(yīng)用于工程中。3)通過(guò)不同種類(lèi)的纖維改性，使得自密實(shí)混凝土于單方面和多方面表現(xiàn)優(yōu)異，因此將纖維進(jìn)行混摻，可達(dá)到通過(guò)多層次的相互補(bǔ)充從而更好的改善混凝土性能的目的。

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Research survey of fiber modified self-compaction concrete performance★

Wang Jun Li Ting

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

The paper indicates the advantages and weakness in the self-compaction concrete performance, points out the feasible methods from its weakness, explores the performance of the fiber modified self-compaction concrete from the dynamics, crack resistance and durability by comparing the influence of the macro fiber and micro fiber on the self-compaction concrete’s performance, and designs the research orientation for the fiber modified self-compaction concrete.

fiber, self-compaction concrete, dynamics performance, crack resistance, durability performance

1009-6825(2016)22-0111-03

2016-05-29

★:黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：LBH-Q15011)；黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2013G0763)

王 鈞(1967- )，女，博士生導(dǎo)師，教授； 李 婷(1993- )，女，在讀碩士

TU528

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