王 浩　陶俊杰　王 真　肖炎東　唐錦陽

(吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界　427000)

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·建筑材料及應(yīng)用·

纖維改進(jìn)聚合物混凝土性能研究★

王 浩陶俊杰王 真肖炎東唐錦陽

(吉首大學(xué)城鄉(xiāng)資源與規(guī)劃學(xué)院，湖南 張家界427000)

從理論研究、工程應(yīng)用、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，闡述了纖維聚合物混凝土的研究現(xiàn)狀，分析了纖維聚合物混凝土在研究過程中存在的問題，并提出了一些改進(jìn)建議，以不斷完善新型混凝土材料的研究體系。

纖維，聚合物混凝土，力學(xué)性能，研究現(xiàn)狀

0　引言

聚合物混凝土(PC)是一種新型的高效多功能材料，具有高強(qiáng)、高抗?jié)B、耐腐蝕、耐磨耗、電絕緣和快硬化等優(yōu)點(diǎn)[1]。與普通聚合物混凝土相比，纖維聚合物混凝土具有較高的抗拉、抗彎拉等性能[2]，同時(shí)纖維對(duì)聚合物混凝土抗?jié)B、防水、抗凍等方面也有很大的促進(jìn)作用。近年來，在纖維應(yīng)用于聚合物混凝土方面，我國研究人員做了大量的研究和探索性工作，并取得了令人滿意的成果。但由于該研究領(lǐng)域是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，對(duì)纖維促進(jìn)聚合物混凝土性能的某些機(jī)理的解釋，從理論上還不夠清楚完善和深入，特別是纖維提高聚合物混凝土抗壓、抗折性能和抗沖擊性能等方面還有待于進(jìn)一步的研究和完善，以便更好地指導(dǎo)試驗(yàn)研究工作。另一方面，目前該領(lǐng)域的研究主要集中通過纖維與聚合物混凝土的自然粘結(jié)來提高混凝土的性能，今后還應(yīng)進(jìn)一步拓寬該研究領(lǐng)域。

通過從研究對(duì)象、研究方法上把握混凝土材料中纖維聚合物混凝土方面的研究進(jìn)展，杜絕其研究中的盲點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前研究文獻(xiàn)中存在的問題，整理文獻(xiàn)資料和其他實(shí)際運(yùn)用中的纖維改進(jìn)聚合物混凝土技術(shù)，以期拓寬今后研究者的思路，對(duì)于今后在纖維和聚合物混凝土在新型混凝土材料中的各項(xiàng)研究工作提供幫助，進(jìn)而可以更好的完善新型混凝土材料研究體系。

1　聚合物混凝土和纖維

聚合物混凝土(PC)是以聚合物(或單體) 作為膠凝材料或者聚合物混合水泥共同作為膠凝材料[3]。PC與普通混凝土的制作工藝相似，在加水?dāng)嚢钑r(shí)摻入一定量的有機(jī)物及其輔助劑，經(jīng)成型、養(yǎng)護(hù)后固化而成[4]。主要成分為：環(huán)氧樹脂、羧基丁苯等聚合物(或單體)、固化劑、增稠劑和增韌劑、稀釋劑、填充劑等。按照其組成和工藝的不同，聚合物混凝土分為聚合物浸漬混凝土、聚合物水泥混凝土、聚合物膠結(jié)混凝土。

在纖維用于改進(jìn)聚合物混凝土性能的研究方面，學(xué)者和科研工作者已經(jīng)做了大量的研究工作，分別對(duì)鋼纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和聚酯纖維等纖維聚合物混凝土進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2　纖維聚合物混凝土研究現(xiàn)狀

聚合物混凝土作為具有良好特性的高性能混凝土，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水工建筑、機(jī)床基礎(chǔ)、路面鋪裝、腐蝕防護(hù)等領(lǐng)域。但因其自身的結(jié)構(gòu)特性存在:抗拉強(qiáng)度偏低、使用壽命短、應(yīng)用成本高、施工工藝復(fù)雜等問題，限制了它的廣泛應(yīng)用。對(duì)此，通過研究大量文獻(xiàn)，闡述其目前在我國的研究現(xiàn)狀。

2.1鋼纖維聚合物混凝土(SFPC)

于英華等[5]按照0,14.1,17,19.8,22.6比例，制成鋼纖維聚合物混凝土(SFPC)，分別進(jìn)行抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋼纖維的加入大幅提高PC的強(qiáng)度，鋼纖維含量為19.8時(shí)，SFPC的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度最高，相比PC，分別提高23%和19%；鋼纖維含量為22.6時(shí)，SFPC的劈裂強(qiáng)度最高，提高了38.4%。同時(shí)過量的加入鋼纖維會(huì)由于攪拌不均勻等影響并降低SFPC的強(qiáng)度。于英華等[6]運(yùn)用宏觀熱力學(xué)理論和損傷力學(xué)原理，推導(dǎo)出SFPC單軸抗壓應(yīng)力—應(yīng)變模型。同時(shí)通過試驗(yàn)，得出模型與試驗(yàn)值相吻合，證明該模型可行。

徐平等[8]運(yùn)用損傷本構(gòu)關(guān)系模型分析了SFPC的彎曲性能，采用六面體單元細(xì)觀并引入損傷因子，分析SFPC材料抗彎性能，推導(dǎo)出荷載—位移計(jì)算公式。最后通過對(duì)40 mm×40 mm×120 mm試樣進(jìn)行試驗(yàn)，其中鋼纖維長徑比分別為0，40，60，70，80，100，鋼纖維含量為48，得到載荷(抗折強(qiáng)度)—位移曲線，與荷載—位移計(jì)算公式曲線進(jìn)行比較，模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線基本吻合；徐平等還通過單點(diǎn)集中加載的方法研究了鋼纖維長徑比SFPC抗彎性能的影響[9]，鋼纖維長徑比和含量與文獻(xiàn)[8]一致，SFPC試件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，單點(diǎn)加載，記錄應(yīng)力與應(yīng)變的數(shù)值，并繪制曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維的加入能夠顯著提高PC的抗彎強(qiáng)度和韌度，當(dāng)鋼纖維長徑比為70時(shí)，對(duì)應(yīng)的SFPC抗彎性能最佳。

梅迎軍等[10]通過對(duì)普通混凝土和SFPC進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，兩種混凝土分別制作21個(gè)試件，其中3個(gè)試件用于抗彎拉極限荷載試驗(yàn)，其余18個(gè)用于3組不同應(yīng)力水平疲勞試驗(yàn)?？箯澙瓨O限荷載試驗(yàn)中，SFPC的彎拉強(qiáng)度高于普通混凝土，但是抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土。疲勞試驗(yàn)中，結(jié)果表明兩種混凝土的疲勞壽命均服從威布爾分布;在相同應(yīng)力水平下，SFPC的疲勞壽命遠(yuǎn)高于普通混凝土。同時(shí)分析了鋼纖維對(duì)混凝土疲勞壽命的影響和作用機(jī)理，認(rèn)為混凝土中鋼纖維被荷載作用拔出，能夠抵消一部分荷載作用，延緩裂縫的發(fā)展；同時(shí)鋼纖維能細(xì)化混凝土孔隙，提高了混凝土在荷載作用下的斷裂強(qiáng)度。唐瑞等[11]采用正交試驗(yàn)法研究混凝土28 d在干養(yǎng)(標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3 d后放置在室溫養(yǎng)護(hù)25 d后)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明復(fù)摻鋼纖維、SAP、粉煤灰的混凝土，在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d條件下較基準(zhǔn)組混凝土抗沖磨強(qiáng)度有所降低，降幅8%，磨損率有所提升，增幅為8.9%;試件在干養(yǎng)條件下較基準(zhǔn)組混凝土的抗沖磨強(qiáng)度提高25.78%，磨損率降幅為15.3%。說明復(fù)摻粉煤灰、SAP和鋼纖維的混凝土在干養(yǎng)條件下對(duì)混凝土的抗沖耐磨性能較為有利。

林曉峰等[12]通過試驗(yàn)得出SFPC抗折強(qiáng)度比PC提高56%，而抗壓強(qiáng)度只降低5%；SFPC的抗沖擊性能比PC提高了239%～310%；SFPC耐磨性比PC提高了45%～61%，抗凍性提高8%，抗?jié)B性能提高40%；SFPC道面板比PC道面板減薄45%。鄭順潮等[13]通過采用三點(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)，對(duì)比C60混凝土與SFPC疲勞性能，試驗(yàn)得出兩種材料的S—N曲線，結(jié)果表明SFPC疲勞極限比C60混凝土提高了31%。鄭順潮等[14]還對(duì)SPHC的抗彎疲勞性能進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出在外力與溫度耦合作用下SPHC試件溫度疲勞壽命的計(jì)算公式，并采用三點(diǎn)彎曲梁疲勞試件，進(jìn)行溫度疲勞試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與公式預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，誤差小于6.6%，認(rèn)為采用推導(dǎo)公式預(yù)測(cè)SFPC的疲勞極限可行。

王明旭等[15]取纖維含量為6%，長徑比為70，建立SFPC熱變系數(shù)理論模型，進(jìn)行有限元建模分析。通過計(jì)算與試驗(yàn)比較分析，認(rèn)為該模型能夠較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)SFPC的熱變系數(shù)。同時(shí)對(duì)不同纖維含量的SFPC的熱變系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，認(rèn)為纖維含量與熱變系數(shù)之間存在正比例的非線性關(guān)系。張偉[16]采用數(shù)字光彈性實(shí)驗(yàn)對(duì)SFPC的界面應(yīng)力傳遞機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)直線型纖維埋入端、鉤型纖維埋入端和形狀改變處的界面應(yīng)力最大；同時(shí)進(jìn)行單纖維拉拔試驗(yàn)，得出SFPC的力學(xué)強(qiáng)度與纖維含量、纖維長徑比分別成正比關(guān)系；通過有限元分析認(rèn)為纖維長度和直徑對(duì)界面應(yīng)力的影響較小，但會(huì)改變纖維應(yīng)力集中的位置。

2.2玄武巖纖維聚合物混凝土(BFPC)

玄武巖纖維摻量為1.5，2.5，3.5;聚合物乳液為羧基丁苯乳液，摻量為膠凝材料用量的5%，10%，15%；混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，分別制作普通混凝土、玄武巖纖維混凝土、聚合物混凝土(PC)、BFPC四類混凝土，對(duì)BFPC分別進(jìn)行了干縮試驗(yàn)[17]、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)[18]、電通量試驗(yàn)[19]。李齊陽等[17]從3 d齡期測(cè)量試件初始長度，并測(cè)量3 d,7 d,14 d,28 d,60 d，90 d時(shí)間間隔的試件變化值。試驗(yàn)結(jié)果表明，分別加入玄武巖纖維和聚合物乳液均會(huì)增大混凝土的干縮值；而玄武巖纖維和聚合物復(fù)摻能夠降低干縮值，有效改善混凝土的干縮，玄武巖纖維摻量為2.5，聚合物摻量為10%時(shí)效果最佳。宋云祥等[18]進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，玄武巖纖維混凝土，PC，BFPC的抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比有高有低，差距不大，說明玄武巖纖維和聚合物乳液對(duì)提高混凝土抗壓強(qiáng)度作用有限?？拐墼囼?yàn)結(jié)果表明，單摻玄武巖纖維的混凝土7 d齡期和28 d齡期的抗折強(qiáng)度有所提高，纖維摻量為2.5時(shí)抗折強(qiáng)度最高，7 d強(qiáng)度為6.9 MPa，28 d強(qiáng)度為7.7 MPa，比普通混凝土分別提高7.8%和2.6%；單摻丁苯乳液的混凝土7 d齡期和28 d齡期的抗折強(qiáng)度隨丁苯乳液的含量增加而增大，當(dāng)丁苯乳液含量為10%最高，7 d強(qiáng)度為7.3 MPa，28 d強(qiáng)度為9.2 MPa，分別提高了14%和23%； BFPC混凝土中，纖維摻量2.5 和丁苯乳液含量10%的BFPC抗折強(qiáng)度最高，7 d強(qiáng)度為7.5 MPa，28 d強(qiáng)度為8.8 MPa，均提高了17%。分析可以看出聚合物能夠有效提高混凝土的抗折強(qiáng)度，纖維對(duì)提高混凝土的早期抗折強(qiáng)度有利，對(duì)晚期抗折強(qiáng)度的提升作用有限。劉全慶等[19]按照GB/T 50082—2009普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行電通量試驗(yàn)。結(jié)果表明，單摻玄武巖纖維2.5時(shí)混凝土的電通量最低，比基準(zhǔn)混凝土電通量降低了26%；單摻丁苯乳液10%時(shí)混凝土電通量最低，比基準(zhǔn)混凝土電通量降低了31%；BFPC抗氯離子滲透性能的改善作用要明顯優(yōu)于玄武巖纖維或丁苯乳液?jiǎn)螕降那闆r，纖維含量為2.5，丁苯乳液為10%的BFPC比2.5玄武巖纖維混凝土和10%丁苯乳液混凝土的電通量分別降低了61%和59%，較基準(zhǔn)混凝土降低了71%，但是隨著纖維或者丁苯乳液含量的增加，電通量隨之升高，表明纖維含量為2.5，丁苯乳液為10%時(shí)BFPC的抗氯離子滲透性能最佳。上述研究表明，玄武巖纖維含量2.5，丁苯乳液為10%的BFPC的兼顧抗壓、抗折和抗?jié)B透的綜合性能最佳。

李光輝等[20]試驗(yàn)分析玄武巖纖維和丁苯聚合物乳液摻量對(duì)PC的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、干燥收縮性能以及抗氯離子滲透性能的影響?？箟簭?qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗氯離子滲透性能試驗(yàn)結(jié)果與李齊陽[17]、宋云祥[18]、劉全慶[19]等大體一致。而干縮試驗(yàn)中，干縮量隨玄武巖纖維的增加而增大，玄武巖纖維對(duì)改善混凝土的干縮性能不利；丁苯乳液的摻量在一定范圍內(nèi)能有效改善干縮性能，最佳摻量為10%。于英華等[21]將含量為0.3%的玄武巖纖維加入PC中，分別對(duì)BFPC和PC 進(jìn)行抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)， BFPC較PC的抗壓強(qiáng)度提高27.3%，劈裂抗拉強(qiáng)度高17.4%，分析認(rèn)為纖維能夠較好的阻止BFPC固化成型時(shí)的收縮初始裂縫，并能阻止裂縫在荷載作用下的進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.3聚酯纖維聚合物混凝土(PFPC)

金玉杰等[22]通過抗壓試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)研究聚酯纖維含量對(duì)聚合物混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維含量為0.8%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度最大，分別比普通砂漿試件提高5%和17%，分析認(rèn)為纖維能夠抑制原生裂縫的產(chǎn)生，同時(shí)能夠彌補(bǔ)混凝土固化后的內(nèi)部缺陷。

3　存在的問題與建議

1)國內(nèi)許多研究人員對(duì)纖維聚合物混凝土的力學(xué)性能，以及抗?jié)B、抗干縮性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果均顯示纖維的加入能有效的改善聚合物混凝土的各項(xiàng)性能，但是不同纖維制備的聚合物混凝土各項(xiàng)性能不同，性能變化幅度也不同，以及對(duì)纖維聚合物混凝土抗腐蝕、抗凍性能的研究較少。因此，需進(jìn)一步全面的研究纖維聚合物混凝土各項(xiàng)性能，形成較為系統(tǒng)的纖維改進(jìn)機(jī)理。

2)目前該領(lǐng)域的研究主要集中通過纖維與聚合物混凝土的自然粘結(jié)來提高混凝土的性能，今后還應(yīng)進(jìn)一步拓寬該研究領(lǐng)域，比如利用各類界面改性劑提高聚合物、纖維、集料之間的粘結(jié)性能，提出界面改性技術(shù)改進(jìn)纖維聚合物混凝土的理論和方法。

3)由于聚合物混凝土的粘度大以及固化特性，以及纖維容易聚團(tuán)的特性，在實(shí)際試驗(yàn)攪拌過程中發(fā)現(xiàn)，纖維聚攏成團(tuán)，無法均勻分布于混凝土中間。因此缺乏研究改良施工拌和流程，在實(shí)際應(yīng)用中較難達(dá)到理論要求，現(xiàn)場(chǎng)施工存在一定的困難。

4　結(jié)語

通過從理論研究、工程應(yīng)用、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面，對(duì)各類纖維改進(jìn)聚合物混凝土性能的國內(nèi)外研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)；對(duì)纖維提高聚合物混凝土抗壓、抗折性能和抗沖擊性能以及纖維與聚合物混凝土粘結(jié)的作用和機(jī)理進(jìn)行分析研究；提出纖維—聚合物混凝土在國內(nèi)研究和應(yīng)用方面存在的問題，對(duì)今后纖維在聚合物混凝土的應(yīng)用研究和發(fā)展提出建議并進(jìn)行展望。

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Performance research on fiber polymer concrete★

Wang HaoTao JunjieWang ZhenXiao YandongTang Jinyang

(College of Resources and Planning Sciences, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China)

Starting from aspects of theoretical research, engineering application and technical criteria, the paper describes the research status of fiber polymer concrete, analyzes problems existing fiber polymer concrete in research process, and puts forward some improving suggestions, with a view to continuously improve the research system of new concrete material.

fiber, polymer concrete, mechanical performance, research status

1009-6825(2016)25-0105-03

2016-06-21★：吉首大學(xué)大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào)：JSU-CX-2016-63)

王浩(1987- )，男，碩士，工程師

TU528.41

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