混杂纤维增韧高性能混凝土的研究

赖震环, 胡 辉

暨南大学力学与土木工程系（510632）

1 概述

在当代工程材料中,混凝土的用量最大,应用范围最广泛。自1824年英国人J.Aspdin发明了波特兰水泥以来,混凝土材料在近200年的历史中,获得了突飞猛进的发展,从最早的素混凝土发展到钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、纤维混凝土、聚合物混凝土、高强混凝土、智能混凝土和高性能混凝土。

2 高性能混凝土

2.1 高性能混凝土的定义

高性能混凝土(High Performance Concrete,简称HPC)是20世纪90年代发展起来的高技术混凝土。HPC主要是通过原材料控制、配合比设计、拌合物生产制备以及施工方法来改善混凝土的脆性大、抗裂性和耐久性差等弱点。概括而言，高性能混凝土主要具有以下特点：高工作性，良好的稳定性，高强度（至少是中强度），高抗裂性，高耐久性，良好的施工工艺性和经济性且绿色环保。

2.2 高性能混凝土的组分

高性能混凝土的配置主要是通过以下途径得以实现的：首先选用优质原材料,如优质水泥与粉煤灰、超细矿渣与矿粉、优质高效减水剂和具有优异力学性能且级配良好的骨料；其次在配合比设计时,减少水泥用量；最后施工时,严格控制施工、强化质量[2]。可见，HPC除了水、水泥、砂、石等基本组分外，还含有优质高效减水剂和超细矿粉等新组分。

3 混杂纤维在高性能混凝土中的作用

我国混凝土材料专家、中科院院士吴中伟教授指出,HPC是当前水泥基材料发展的主要方向,其中复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心，对高强水泥基材料增加韧性、抗冲击性等起关键作用,复合化的技术思路—超叠加效应对纤维增强混凝土高性能化有重要意义,可用公式“1+23”表示。混杂纤维高性能混凝土是复合思想—超叠加效应在水泥基复合材料中的又一突破性应用,它将进一步推动混凝土高性能化和思想化[3]。采用高模量纤维可提高混凝土的强度,而低模量、大变形纤维掺入混凝土后可明显提高其韧性，欲同时提高混凝土的强度和韧性,用单一纤维难以实现[4]。选用高弹性纤维如钢纤维，则体积含量受到限制、分散、搅拌困难，用低弹高延性纤维如聚丙烯纤维可提高复合材料的韧性，但增强作用不明显。因此，近年来，开始研究将高弹纤维和高延性纤维混杂共同增强混凝土的尝试，获得了具有优异综合力学性能的混杂纤维增强混凝土[5-6]。混杂纤维混凝土方面的研究,主要是试图把具有不同性能和优点的纤维混杂，取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强混凝土，以适应不同工程的需要。目前，应用最广泛的是用钢纤维和有机纤维混杂,常用的有机纤维有聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维等。

4 实例分析

本研究主要采用钢纤维和聚丙烯纤维混杂作为增强材料，力求配制出高性能混凝土。主要采用正交分析实验法进行研究，选择聚丙烯纤维掺量、钢纤维掺量、水胶比和粉煤灰掺量等作为主要影响因素,以坍落度值与抗折强度值作为考察指标，最后采用功效系数法来考核各指标的优劣情况。正交试验设计、试验结果和考核指标分析见表1所示。试验结果表明，最佳的试验条件是A2B1C3D3，聚丙烯纤维掺量为0.10%、钢纤维掺量0.6%、水胶比为0.38、粉煤灰掺量为20%。研究表明，在最佳实验条件下，可以配置出和易性与抗折强度优异的高性能混凝土。

5 结论

一般而言,采用钢纤维与其他有机合成纤维混杂是节省造价、减轻自重的一种有效途径。钢纤维增强、增韧效果均很好,但价格较高；合成纤维增强效果较差,增韧效果较好,价格便宜,可通过合理的材料设计，经纤维混杂，相互取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥“混杂效应”来增强混凝土。因此,采用钢纤维与聚丙烯纤维混杂是节省造价、减轻自重和提高综合性能的一种重要途径。目前,混杂纤维混凝土是混凝土研究的一个新兴领域,在许多方面尚待进一步系统探讨和研究。

[1]冯乃谦.高性能混凝土结构[M].北京：机械工业出版社,2004(1)：1-7

[2]洪雷.混凝土性能及新型混凝土技术[M].大连：大连理工大学出 版社,2005(4)：53-55

[3]何晓达.低掺量钢纤维/聚丙烯纤维高性能混凝土试验研究[M].大连理工大学工程硕士学位论文,2002(9)

表1 正交试验设计、试验测试结果及考核指标表

[4]胡晓波,陈志源.碳－尼龙纤维混杂改性水泥基复合材料的研究[J].混凝土与水泥制品,1995(6)：8-12

[5]华渊,连俊英,邓勇.混杂纤维混凝土的强度研究[J].石家庄铁道学院学报,1995,10(4)：24-28

[6]华渊,张少波,姜雅清.混杂纤维混凝土弯曲疲劳性能的试验研究[J].混凝土与水泥制品,1997(4)：40-43