纖維自密實混凝土的研究進展

熊　恩　張志恒　熊國愷

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纖維自密實混凝土的研究進展

熊恩1張志恒1熊國愷2

（1.南華大學 城市建設學院，湖南 衡陽 421001；2.南華大學 設計與藝術學院，湖南 衡陽 421001）

自密實混凝土被稱為免人工振搗混凝土或高流態混凝土，在提高施工速度、改善施工環境等方面有著諸多優勢。在自密實混凝土中添加纖維，能改善自密實混凝土的基本力學性能和耐久性能。本文介紹了纖維種類和性能，以及對自密實混凝土工作性能和力學性能的影響，并探討纖維自密實混凝土研究中存在的問題和將來研究的方向。

纖維；自密實混凝土；工作性能；力學性能

引　言

自密實混凝土(Self－Compacting Concrete，簡稱SCC)具有高流動度、不離析、均勻性和穩定性，澆筑時無需外力振搗，能夠在自重作用下流動均勻地充滿模板空間[1]。自日本的Okamura[31]于1988年在東京大學實驗室成功配制自密實混凝土以來，其良好的工作性能受到越來越多工程界的歡迎，在城市建筑結構中的應用量逐年增加。自密實混凝土適應設計復雜、鋼筋配制密集等結構，消除傳統混凝土導致麻面、蜂窩、混凝土露筋和空洞等質量問題；由于不需要人工振搗，從根本上消除了混凝土振搗對施工人員身體健康和周邊居民正常生活的影響。但自密實混凝土為獲得高流動性而膠凝材料用量較高，這使得混凝土早期的收縮較大，容易導致裂縫的出現；同時存在和普通混凝土類似的抗折性能和韌性不足的問題。由此可見，自密實混凝土的力學性能和耐久性仍存在改善的空間，近年來不少學者開始研究自密實混凝土的改性，其中通過添加纖維來改善自密實混凝土性能是有效途徑之一。

1 纖維種類和性能

各種纖維的物理力學特性是各不相同的，其性質直接影響著纖維自密實混凝土的性能。目前國內所做的纖維( 增強)自密實混凝土試驗研究所摻入的纖維主要包括無機纖維和有機纖維，無機纖維包括聚丙烯纖維、鋼纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、聚丙烯腈纖維等；有機纖維主要是纖維素纖維[27]。上述纖維的主要優缺點分別概況如下:（1）鋼纖維易受到氯鹽腐蝕，影響耐久性；鋼纖維相對密度7.8左右，不利于減輕結構自重；（2）普通玻璃纖維耐堿性差，易受堿的侵蝕，玻璃纖維與水泥基的相容性差，并且質脆易斷，在攪拌過程易受到損壞；（3）碳纖維質輕、高強、彈性模量很高、化學性質穩定，與混凝土粘結性良好；但是由于價格高，應用受到一定的限制；（4）合成纖維雖然具有較高的抗拉強度、極限延伸率、較強的抗堿性且價格經濟、但是較易老化、而且合成纖維通常會使混凝土抗壓強度下降；（5）纖維素纖維來源廣，成本低，是一種可再生的資源；但是纖維素纖維吸水率大、耐堿性能差、柔軟性較差、成紗不均勻、限制了產品的進一步開發與應用[29]。根據所選用的纖維的模量不同，纖維可以分為高模量纖維，如鋼纖維、碳纖維等和低模量纖維，如聚丙烯纖維、聚丙烯晴纖維以及聚乙烯醇纖維。目前，對纖維自密實混凝土工作性能的研究中，纖維的摻加方式有單摻（包括鋼纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和玄武巖纖維等）和混摻（鋼纖維與玻璃纖維混摻、聚丙烯纖維與玄武巖纖維混摻）兩種方式。

2 纖維自密實混凝土工作性能

自密實混凝土具有高流動性、填充密實性、高間隙通過性、抗離析性等特點，傳統的測定普通混凝土坍落度的單點試驗法并不能正確反映自密實混凝土的工作度。目前，測定自密實混凝土工作性通常采用坍落度、坍落擴展度、T500時間、L型儀、U型儀、V型漏斗、J型環、篩分法等其中的一種或幾種組合控制自密實混凝土的工作性能[4]。纖維自密實混凝土工作性測試方法與自密實混凝土工作性測試方法是一樣的。

何小兵[5]研究聚丙烯纖維對自密實混凝土工作性的影響，通過實驗測試，發現在不改變原有自密實混凝土配合比的情況下，聚丙烯纖維體積率達到0.1%時，聚丙烯自密實混凝土工作性能滿足自密工作性要求。當聚丙烯纖維的體積摻量超過0.1%時，混凝土工作性已不能滿足自密實的工作性要求。在提高膠凝材料和減水劑用量的條件下，聚丙烯纖維體積率最大可以達到0.15%。

畢巧魏[6]研究單摻玄武巖纖維和聚丙烯纖維，然后兩種纖維混摻對自密實混凝土工作性能影響。研究發現，無論是單摻玄武巖纖維還是聚丙烯纖維都在一定程度上減小了自密實混凝土的坍落擴展度以及L槽的高差H2/H1，而增大了J型環內外高差以及T50和T40的測試時間，雖然摻加纖維以后自密實混凝土的各工作性能有所降低，但各項工作性能都符合自密實混凝土的標準。通過比較實驗結果得出，纖維摻量越少對自密實混凝土工作性能的產生的影響就越小，聚丙烯纖維較玄武巖纖維而言對自密實混凝土工作性能的影響要更為明顯。

張根俞等[7]分析不同摻量、不同長度玻璃纖維對自密實混凝土工作性的影響，研究表明小摻量玻璃纖維對混凝土坍落流動度影響不大；纖維長度對自密實混凝土的工作性能影響較小。

張春曉[8]通過將15mm、20mm、30mm三種不同長度，不同摻量的波浪型鋼纖維加入自密實混凝土中研究混凝土抗離析性能，結果表明，鋼纖維的長度增加到30mm時，自密實混凝土的流動性和擴展度已不能滿足工作性的要求。隨著長度和摻量的增加，鋼纖維在混凝土中的分散系數變小，結團現象出現，影響鋼纖維的均勻分布，從而使鋼纖維增強自密實混凝土的流動性變差。三種長度的鋼纖維自密實混凝土，長度為15mm的鋼纖維體積含量可達1.25%，長度為20mm的鋼纖維體積含量可達0.5%，30mm長的鋼纖維為微量。

耿卓[9]研究了聚丙烯纖維相同體積摻量0.15%，不同長度9mm、12mm、15mm的自密實混凝土工作性能，采用坍落擴展度試驗、V形漏斗試驗和L-Box試驗,結果表明：在三個實驗中，不摻纖維時混凝土拌合物流動性最好，相同摻量下摻入短纖維的混凝土拌合物流動性較好，摻入長纖維對混凝土拌合物流動性的降低較大。

盧睿[10]從流變模型入手研究不同體積摻量和不同長徑比短切玄武巖纖維對C45自密實混凝土流變性能的影響。試驗結果表明，在相同配合比下，玄武巖纖維自密實混凝土坍落流動度隨纖維體積摻量的增加而下降，當纖維體積摻量達到0.3%時混凝土的坍落流動變得緩慢，黏度變大；隨著短切玄武巖纖維長度的增大，自密實混凝土坍落流動度呈下降趨勢；相對于纖維體積摻量對自密實混凝土坍落擴展度的影響，纖維長度的影響相對較小。對于相同配合比的基準混凝土，隨著短切玄武巖纖維體積摻量和長度的增加，玄武巖纖維自密實混凝土坍落流動時間呈升高趨勢，且滿足三級自密實混凝土的要求。

K.M.A.Hossain等[11]在自密實混凝土中分別摻入不同體積率的聚乙烯醇纖維，研究發現當聚乙烯醇纖維的體積率不超過0.125%時，纖維自密實混凝土的工作性能可以達到自密實的要求。

3 纖維自密實混凝土基本力學性能

混凝土的力學性能包括抗壓強度、抗拉強度、劈拉強度、韌性、抗滲性等一系列性能，纖維的抗拉強度高、彈性模量大、比重小、韌性強，可以提高混凝土的塑性和應力重分布能力，還可部分代替混凝土中的鋼筋、減少裂縫寬度、減低混凝土收縮。所以纖維對自密實混凝土的力學性能影響也是試驗研究一項重點內容。

佟鈺[12]研究短切碳纖維對自密實混凝土的力學強度的影響，以兩個強度等級的混凝土作為空白試樣，碳纖維的長度和摻量不同。研究結果表明，適量短切碳纖維可有效改善混凝土的力學強度，相比于空白試樣，抗壓強度增幅不是很明顯，劈拉強度和抗折強度提高明顯；隨著纖維體積率增大，相應的力學強度反而呈降低趨勢，抗壓強度會低于空白試樣的抗壓強度，原因在于混凝土受壓時在剪切應力作用下發生滑移破壞，而碳纖維易于發生撓曲變形，因此無法提供更有效的抵抗作用；基體混凝土強度由C40提高至C50，盡管碳纖維摻量和長度對混凝土力學強度比的影響趨勢大致相同，但各強度比的增漲幅度出現了一定程度的下降，僅纖維大摻量情況下的抗折強度比大致維持在相近水平。斷面形貌分析認為，碳纖維的增強效果在相對較弱的基體中可發揮出更顯著的增強效果。

何小兵[5][13]研究聚丙烯纖維（PP纖維）對自密實混凝土的強度、抗滲性能和斷裂性能的影響。試驗研究表明，在不改變自密實混凝土原有配合比情況下，當纖維體積摻量達到0.15%時，3d抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度相對于普通自密實混凝土分別提高16%，40%和26%；28d抗壓強度、劈裂強度和彎拉強度相對于普通自密實混凝土分別提高9%,24%和21%；PP纖維自密實混凝土具有較好的早強特性，3d強度就至少達到28d強度的63%，7d強度最高可達到28d強度的88%；優化配合比（增加減水劑和增加膠凝材料）后，聚丙烯纖維自密實混凝土的早強特性更明顯，3d彎拉強度達到28d強度的75%，阻裂效能系數達到89.8%，早期斷裂韌性提高37.6%；PP纖維自密實混凝土具有較好的抗水滲透能力，當PP纖維體積摻量不超過0.15%，滲水標號可以達到S35以上；當PP纖維體積摻量不超過0.10%時，PP纖維自密實混凝土滲水高度隨著纖維體積摻量的增加而增加。

丁一寧[14]研究鋼纖維對自密實混凝土梁抗剪性能的影響，試驗梁按照剪跨比、鋼纖維摻量和配箍率的不同分為A、B系列。A系列梁剪跨段長360mm，剪跨比λ=3；B系列梁剪跨段長480mm，剪跨比λ=4。兩個系列梁均包括4種鋼纖維摻量，即0、20、40和60kg/m3，A系列梁包括4種配箍率：0、0.183%、0.367%和0.550%，B系列梁包括兩種配箍率：0和0.138%。通過荷載-跨中撓度曲線、荷載-混凝土主應變曲線和荷載-箍筋應變曲線分別分析了剪跨比、配箍率、鋼纖維摻量對抗剪性能的影響，得出以下結論：(1)鋼纖維可以有效地改善無腹筋梁的抗剪性能，摻量為20kg/mm3的鋼纖維使梁的極限承載力提高達97%；（2）鋼纖維與箍筋協同抗剪時的正混雜效應十分顯著，配箍率為0.183%A系列梁的箍筋與摻量為20kg/mm3的鋼纖維共同抗剪時，可使梁的極限承載力提高達130%；（3）由摻量為20kg/mm3的鋼纖維部分替代0.183%的箍筋可以使梁的破壞形態由剪切破壞變為彎曲破壞。

巫祖烈等[16]研究大長細比聚丙烯纖維（19mm）對自密實混凝土的力學性能影響，28d抗壓強度比未摻纖維混凝土強度降低7%可以忽略，但劈拉強度提高33%，彎拉強度提高36%，其阻裂增強效果顯著，混凝土的韌性提高，破壞形態好。

蔡軍等[17]研究鋼纖維自密實混凝土疲勞性能，鋼纖維采用長度30 mm、長徑比60的冷拔鋼絲弓形鋼纖維，抗拉強度為1000MPa。建立不同失效概率下的P-S-N 疲勞方程，分析疲勞方程中的回歸參數a，材料的疲勞性能取決于疲勞方程中的回歸參數a，參數a反映疲勞曲線的高度，a值越大，疲勞曲線越高，則材料的疲勞性能越好。通過疲勞試驗研究，對于相同存活率下的雙對數疲勞方程，鋼纖維自密實混凝土的回歸參數a值相比普通混凝土提高10.2%，鋼纖維自密實混凝土的疲勞性能相比普通混凝土明顯增強。

丁慶軍等[18]研究了鋼纖維對微膨脹鋼管混凝土力學性能與體積變形性能的影響規律，并根據鋼管混凝土低溫施工要求，研究了自密實補償收縮鋼纖維鋼管混凝土的抗凍性設計方法，對其抗凍性進行了驗證。研究表明，試驗制備的自密實補償收縮鋼纖維鋼管混凝土具有較好的抗凍性能，能夠滿足依托工程鋼管混凝土低溫灌注施工質量要求。

丁一寧等[19]在自密實混凝土拌合物中分別摻入了鋼纖維、聚丙烯纖維、混雜鋼纖維和聚丙烯纖維，探究了纖維對自密實混凝土強度和抗彎韌性的影響，研究結果表明:混雜纖維自密實混凝土梁呈現出多條裂縫破壞模式,比只出現一條裂縫破壞模式的鋼纖維自密實混凝土梁拉應力分布更均勻，在較短的鋼纖維被拔出之后,較長的聚丙烯纖維可繼續連接混凝土中的裂縫并傳遞拉應力,這在一定程度上阻止了裂縫的進一步擴展,因此混雜纖維混凝土梁相比鋼纖維自密實混凝土表現出更好的韌性。在混雜纖維混凝土中,鋼纖維和聚丙烯纖維的破壞形態有很大區別，鋼纖維是被拔出的，而聚丙烯纖維則是部分被拉斷，部分被拔出的，聚丙烯纖維抗拉性能的充分發揮可更好地阻止混凝土開裂后鋼纖維的進一步拔出。因此，混雜纖維(鋼纖維和聚丙烯纖維的組合)可作為配制纖維自密實混凝土的最佳選擇之一，混雜纖維比單一纖維能更好地改善纖維自密實混凝土的性能，也是生產纖維自密實混凝土的最佳途徑之一。

羅素蓉等[20]在試驗中使用鋼纖維、聚丙烯腈纖維、鋼纖維和聚丙烯腈纖維混雜，通過梁的三點彎曲實驗，研究不同摻量和不同種類的纖維對自密實混凝土斷裂性能的影響規律。試驗中制作了未摻纖維且強度相近的自密實混凝土伴隨試件，用以對比并計算斷裂能增益比，研究結果表明：鋼纖維能顯著提高自密實混凝土的斷裂性能，隨著鋼纖維摻量的增加，其斷裂能呈線性增加；隨著聚丙烯腈纖維摻量的增加，聚丙烯腈纖維自密實混凝土的斷裂能并非線性增加，聚丙烯腈纖維對自密實混凝土的斷裂性能影響較小，其斷裂過程表現出明顯的脆性；在鋼纖維摻量保持不變，聚丙烯腈纖維摻量不超過最大體積率的情況下，其混凝土的斷裂能隨聚丙烯腈纖維摻量的增加而增大，聚丙烯腈纖維起到正混雜效應。鋼纖維和聚丙烯纖維兩種的彈性模量不同，低彈性模量的聚丙烯纖維主要抑制混凝土初期的塑性收縮，控制裂縫的發展，而高彈性模量的鋼纖維在裂縫發展較大時來抵抗荷載；此外由鋼纖維和聚丙烯腈纖維共同作用所產生的機械咬合力使裂縫間的纖維更難拔出，從而能在更大程度上提高纖維的增強增韌效果。

張猛[21]研究混雜纖維對混凝土耐堿腐蝕能力的影響，試驗分為腐蝕30d、60d、90d和120d四個腐蝕齡期，腐蝕液為不同濃度氫氧化鈉溶液，設計濃度為10%、20%和30%三個濃度，試驗結果得出結論：中等強度堿腐蝕和強堿腐蝕的環境下在高強自密實混凝土中摻入混雜纖維能夠明顯的降低混凝土抗壓強度的損失。但在弱堿腐蝕時混雜纖維的這種能力表現的不明顯；堿性環境中，混雜纖維對高強自密實混凝土劈裂抗拉強度的影響要較抗壓強度的影響明顯，無論是弱堿，中等強度堿還是強堿溶液，摻入混雜纖維都能明顯降低混凝土劈裂抗拉強度的衰減，甚至提高劈裂抗拉強度。

駱冰冰[22]采用壓汞法對混雜纖維自密實混凝土（玄武巖纖維和聚丙烯纖維的混雜）進行微觀孔結構試驗，并進行抗壓強度試驗，分析了混雜纖維自密實混凝土孔結構的孔隙率、孔徑尺寸與級配、孔分布特征與強度的關系，得出混雜纖維自密實混凝土孔結構與抗壓強度的關系趨勢。研究結果表明，在自密實混凝土中混雜摻入玄武巖纖維和聚丙烯纖維，其微觀孔結構的改善對提高抗壓強度有著直接的影響。

4 纖維自密實混凝土的工程應用

目前，纖維自密實混凝土的工程應用尚處于起步階段，但具有廣闊的應用前景。

天津市某立交橋建于80年代，由于多年鹽侵蝕、凍融以及堿集料反應的破壞，對結構已形成很大的影響，外觀較差，需對該橋進行維修美化。橋的柱子和梁損壞最為嚴重，表皮部分泛堿、脫落、嚴重的露出鋼筋。經各部門商討，維修方案如下: 柱子和梁需剔除表面松動混凝土，銹蝕鋼筋除銹，嚴重銹蝕還需補筋，將柱子和梁用混凝土加厚5cm。由于加固厚度較薄、易開裂，柱子較高，梁跨度大，無法振搗，一般混凝土無法完成結構的修補加固，因此選用了合成纖維免振自密實混凝土進行施工。該材料具有較高的流動性、較好的穩定性、良好的自密實性、極佳的抗開裂性以及優良的力學性能和耐久性能，而且該材料在現場加水即可應用，施工無需振搗，拆模后表觀較好，適合本工程的應用[24]。

中央電視臺新臺址工程，是北京市重點工程之一，主樓部分外簡柱設計為型鋼混凝土組合柱，外筒為SRC柱工程，由于結構特殊外筒柱尺寸超出常規，內部型鋼柱夠復雜，外包混凝土鋼筋密集，混凝土澆注作業困難，為順利施工，保證混凝土成型質量，采用C60鋼纖維自密實混凝土施工[25]。

武漢市青菱至鄭店高速公路是武漢市規劃的七條快速出口通道中的一條南部高速公路，其中的鋼箱梁橋橋面凈寬9.50 m，總長為三跨144 m（42 m+60 m+42 m），為保證橋面鋪裝施工質量，同時又不增加鋼橋梁的荷載而影響橋梁結構安全，決定在橋面上應用鋼纖維輕集料自密實混凝土進行鋪裝。研制的鋼纖維增強輕集料自密實混凝土完全能夠滿足無振搗、自密實施工要求；混凝土經泵送后直接無振搗、自流平，但須經人工抹面；混凝土的表面沒有發現裂縫，混凝土的耐久性能得到明顯改善，通常兩年后未出現推移、擁包等病害[26]。

5　存在的問題和研究展望

纖維自密實混凝土是在自密實混凝土的基礎上發展的，結合了自密實混凝土和纖維混凝土兩者的優點，這使得將在以后的工程會被廣泛地應用。但是，纖維自密實混凝土在得到更好的性能的同時也存在一些問題亟待解決：

（1）新拌自密實混凝土的工作性能會隨著纖維的摻入而降低，且摻量越大工作性能越差，當纖維摻量達到一定量時，新拌合物甚至達不到自密實的要求。工作性能是自密實混凝土一項重要的性能，如何提高摻量纖維自密實混凝土的工作性能是仍需要繼續研究的課題。

（2）目前研究纖維自密實混凝土性能的主要方法是在實驗室做實驗，需要耗費大量的人力和材料，對于利用計算機和有限元軟件來分析纖維自密實混凝土性能還很少，建立纖維自密實混凝土有限元本構模型是以后研究的重點。

（3）目前纖維自密實混凝土研究的強度等級還不是很高，缺乏實際工程應用的高強度等級混凝土的研究資料，高強度等級的施工纖維自密實混凝土是以后研究重點。

（4）目前對于自密實混凝土、纖維自密實混凝土的研究較多，而對于輕骨料纖維自密實混凝土的研究很少，輕骨料纖維自密實混凝土的工作性能和力學性能有待研究。

（5）纖維自密實混凝土在國內的工程應用較少，相關的工程應用的詳細規范和技術性文件也缺乏，仍需要大量的理論和試驗研究來推動規范和技術文件的制定，使得設計人員做到有據可依。

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（責任編校：何俊華）

2016－03－25

熊恩（1985－），男，湖南沅江人，碩士，研究方向為土木工程。

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1673-2219（2016）05-0058-04