纖維自密實混凝土配合比設計及工作性能的研究進展

王 晨，王正君，張 瑋，賈 峰，李樹航

黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080

0 引言

自密實混凝土被提出以來，受到國內外學者的高度關注，在實際工程中也有廣泛應用。然而，由于自密實混凝土水膠比較低、膠凝材料用量較大，導致自密實混凝比普通混凝土更容易發生開裂，影響混凝土結構的耐久性［1］。研究發現，通過在混凝土中摻入不同類型及摻量的纖維，能夠明顯改善混凝土的力學性能、收縮變形、疲勞性能及耐久性等，故有學者在自密實混凝土中摻入纖維，得到纖維自密實混凝土，并研究其配合比設計及性能。

1 配合比設計方法

通過對國內外研究現狀的分析可知，現有的自密實混凝土配合比的計算方法主要為絕對體積法、固定砂石體積法、全計算法、改進全計算法、簡單配合比設計法、比表面積法、正交試驗法、參數法、試配法等。雖然對于纖維自密實混凝土的研究已經越來越多，但是對于配合比的計算方法都是沿用自密實混凝土的配合比設計方法，或在已有研究的基礎上，通過反復試配進行優化，纖維的摻量并沒有明確的計算標準。

于婧等［2］對混雜鋼纖維增強自密實混凝土的配合比進行了相關的研究，其創新之處在于提出了凈漿流動度和砂纖比兩個概念。首先以凈漿流動度為指標確定了凈漿的配合比。然后以力學性能和工作性能為標準，確定平均裹漿厚度和砂纖比。通過實驗發現，混雜鋼纖維增強自密實混凝土中的纖維體積分數如果超過1.55%，混凝土比較容易發生結團。

何小兵等［3］針對自密實混凝土提出了一種新的配合比設計方法，該方法是基于砂漿和骨料組成的兩相懸浮體系，使用屈服剪切應力和塑性粘度來預測混凝土的工作性能。然后他又在此方法的基礎上，對微細鋼纖維自密實混凝土的配合比進行了研究。首先，確定基礎自密實混凝土的配合比，然后，把由基礎砂漿和微細鋼纖維組成的微細鋼纖維砂漿和骨料作為新的兩相懸浮體系，最后，把微細鋼纖維的裹漿厚度等同于基礎自密實混凝土中的砂的凈漿厚度，進而計算出添加鋼纖維時所需要的凈漿量。

2 工作性能檢測

表1 自密實混凝土拌合物工作性能檢測方法

工作性能是保證自密實混凝土結構性能的關鍵，新拌制的自密實混凝土應當具有良好的工作性能，其具體包括填充性、間隙通過性以及抗離析性三個方面。根據《自密實混凝土設計和施工指南》（CCES 02-2004）［4］、《自密實混凝土應用技術規程》（JGJ/T 283-2012）［5］以及國外相關規范，自密實混凝土拌合物工作性能的主要檢測方法見表1。

3 纖維對自密實混凝土工作性能的影響

張根俞等［6］分別對單摻玻璃纖維以及玻璃-鋼纖維混雜自密實混凝土的工作性能進行了試驗研究，試驗結果表明，對于單摻玻璃纖維的自密實混凝土，隨著纖維摻量的增加，其坍落擴展度隨之降低；對于混雜纖維自密實混凝土，其坍落擴展度高于素混凝土，是因為長度和根數適中的纖維使得纖維表面摩擦系數較低從而增大了混凝土的坍落擴展度。

周世康等［7］通過不同鋼纖維的摻量，從填充性、間隙通過性和抗離析性三個方面對自密實混凝土的工作性進行了試驗研究，他指出：鋼纖維的摻量對填充性幾乎沒有影響；而鋼纖維對間隙通過性有一定的提高，但當鋼纖維摻量超過30kg/m3后，自密實混凝土的間隙通過性則不能得到有效改善；抗離析性則受鋼纖維摻量的影響較大，當鋼纖維摻量為40 kg/m3時，改善自密實混凝土的抗離析性的效果最佳，這可能是由于適量的鋼纖維不僅能夠作為混凝土拌合物的填料，還能起到連接作用，抑制了混凝土的離析。

李韌等［8］和Zeynep Algin等［9］研究了不同摻量的玄武巖纖維對自密實混凝土工作性能的影響，研究表明：玄武巖纖維的摻量會降低自密實混凝土的工作性。李韌等［8］給出建議：為了滿足自密實混凝土工作性能的要求，玄武巖纖維體積摻量不應超過0.12%。

周玲珠等［10］和何小兵等［11］均對不同摻量的聚丙烯纖維自密實混凝土的工作性進行了試驗，發現聚丙烯纖維的摻量與自密實混凝土的流動性成反比，其原因是纖維與混凝土拌合物具有良好的黏聚性，從而約束了自密實混凝土的流動。何小兵等［11］還指出，為了保證自密實混凝土工作性能，通過提高自密實混凝土膠凝材料用量以及外加劑用量，聚丙烯纖維的體積摻量最大可增加至0.15%。

K.M.A.Hossain 等［12］研究了不同摻量的聚乙烯醇纖維對自密實混凝土工作性能的影響，他指出：聚乙烯醇纖維會降低自密實混凝土的工作性，但只要其摻量不超過0.125%，自密實混凝土的工作性能就可以滿足要求。

羅素蓉等［13］研究了鋼-聚丙烯腈混雜纖維自密實混凝土的工作性能。試驗結果表明：對于混雜纖維自密實混凝土，該兩種纖維摻量過高會導致自密實混凝土在拌合過程中出現纖維結團的現象，從而影響混凝土的力學性能。為保證自密實混凝土能夠充分發揮其工作性能和力學性能，聚丙烯腈纖維摻量應不超過1.2kg/m3、鋼纖維體積摻量應不超過1.5%。

王鈞等［14］為了研究纖維類型對自密實混凝土工作性能的影響，在自密實混凝土拌合物中摻入不同含量的鍍銅微絲鋼纖維和納米碳纖維，研究表明：摻入鍍銅微絲鋼纖維后，自密實混凝土的流動性和坍落擴展度降低，摻量越多，其工作性越差；納米碳纖維同樣會降低自密實混凝土的工作性，但影響沒有鋼纖維明顯。

Sherif Yehia 等［15］研究了一定摻量下鋼纖維、合成纖維和混雜纖維對自密實混凝土工作性能的影響，結果表明：鋼纖維、合成纖維以及鋼-合成纖維混雜自密實混凝土的流動性和抗離析性均能滿足規范要求，但是合成纖維和混雜纖維自密實混凝土拌合物的間隙通過性較差。

徐祥偉［16］研究了碳纖維和纖維素纖維對自密實混凝土工作性能的影響，結果表明：在單摻纖維試驗中，自密實混凝土的工作性隨著碳纖維摻量和長度的增加而降低，其中纖維長度的影響更大；而纖維素纖維對其工作性影響較小；當纖維素-碳纖維混雜后，自密實混凝土的工作性能與單摻碳纖維時相差不大，由此可見，碳纖維對自密實混凝土工作性的影響較大。

根據現有研究表明，纖維自密實混凝土中的纖維類型和摻量對其工作性能的影響各不相同，現將部分文獻中纖維摻量及長度對自密實混凝土工作性能的影響列入表2。

表2 纖維類型及摻量對自密實混凝土工作性能的影響

4 存在問題與展望

目前，在纖維自密實混凝土領域已有大量的研究，但是關于自密實混凝土中的纖維摻量還沒有一個明確的標準，如何科學的量化自密實混凝土中的纖維摻量是未來研究的目標。同時，纖維的摻入會對自密實混凝土的工作性能造成一定影響，兩種纖維混雜則能夠明顯改善混凝土各方面的性能，在保證自密實混凝土工作性能的情況下，能夠最大幅度提高自密實混凝土的力學性能、變形性能、耐久性等各方面性能的是何種類型纖維混雜以及其具體摻量需要進一步探討。