建筑工程用混杂纤维对混凝土性能的影响研究
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摘要：本文就工程用混杂纤维对混凝土性能的影响进行了初步分析和探讨。
关键词：混杂纤维 混凝土 性能 研究
混凝土材料虽然具有很高的抗压强度、较大的刚度以及较好的耐久性，但是它是一种拉压比很小的准脆性材料，因而给复杂的混凝土结构工程增添了许多不安全因素。采用纤维作为增韧材料的历史至少可以追溯到古埃及时代，然而纤维增强混凝土作为一种新型复合材料却是从20世纪70年代才发展起来的。纤维增强混凝土材料在经过了几十年的发展，不论是在纤维品种，还是纤维增强机理研究以及纤维混凝土的推广应用上，都有了十足的长进。混凝土材料是一种多相、多结构、多层次非均质结构复合材料。该复合材料从相角度上可以分为基相、分散相、结合相；从组织结构上可以分为三级，即：混凝土、砂浆、净浆；从尺寸层次上，它有小到微米级的CSH、粗到毫米级的砂子、大到厘米级的石子。理论上，如果只是掺入单一纤维，势必仅能改善某一相、某一结构、某一层次上的性能；因此若要综合提高混凝土的整体性能，所掺入纤维也应是多层次混杂的。采用单一纤维增强混凝土材料，可以通过提高纤维体积率、增加纤维长径比、提高纤维与基材的粘结力等方法，但是这些方法往往又受到限制，如：提高纤维掺量、增加长径比会受到现有搅拌工艺的限制，易发生纤维结团分散不均的现象。而且一种纤维往往只能在某些有限的方面发挥自己的优点，不可能面面俱到，如：低弹模纤维虽然增强效果并不十分理想，却能显著提高混凝土的延性和韧性。采用单一纤维增强混凝土很难达到既增强又增韧的理想效果，而多种纤维混杂可以弥补单一纤维的不足，充分发挥各种纤维的优点达到逐级阻裂和强化的功能。
一、混杂纤维对混凝土高温性能的影响
一般认为混凝土受热爆裂的过程，就是混凝土中水分从混凝土内部逸出的过程.随着温度的升高，混凝土强度损失的速率增加，600度时强度会损失50%，800度时强度损失在80%左右.对于高强度混凝土，由于其密实度高，孔隙率低，蒸发通道不畅，使水不能足够快地逸出，从而产生几乎达到饱和蒸汽压的过高蒸汽分压，远远超过混凝土抗张强度，导致混凝土不能抵御这种过大的内部压力而发生爆裂.水的热动力学也表明，孔中压力增加将导致表面保护层的爆炸性破坏。
高性能混凝土加入混杂纤维后，情况发生了变化.当温度为180度，混凝土还处于自蒸阶段时，内部压力还不大，由于聚丙烯纤维的熔点极低，在该温度下已经熔化，但因其液态体积远小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙，并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小而量又多，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，也就缓解了由于水分膨胀所形成的分压，使内部压力大大降低，从而防止了爆裂的产生.此外，混凝土中加入的钢纤维却能发挥其抗拉作用，当温度达到450度时，虽异形钢纤维与混凝土间的粘结力将降低20%以上，但在一定程度上仍对混凝土内部裂缝的产生和发展起约束作用，这就使得混凝土完整性在一定程度上仍能保持，并使得混凝土强度的降低幅度不大，高温后仍有较高的强度，但混凝土的耐久性则由于混凝土内部孔结构的改变而大大降低。
二、混杂纤维对混凝土力学性能的影响
一般认为，钢纤维对高强混凝土的抗压强度改善不大；而低弹性模量的聚丙烯纤维只改善混凝土的抗冲击性能，对混凝土抗压强度基本没有影响。对于混杂纤维增强混凝土，已有的研究表明，纤维混杂可提高混凝土的抗压强度、劈拉强度及抗折强度，但不同纤维混杂方式提高的幅度存在较大的差别。
纤维在混凝土中主要起桥接裂缝的作用.当混凝土出现较小裂缝时，混杂纤维中的高弹性模量钢纤维通过其与混凝土间的粘结力及机械咬合力而发挥了最佳的增强作用；当混凝土出现较大裂缝时，钢纤维与混凝土间的粘结力和机械咬合力下降很多，此时低弹性模量的改性聚丙烯纤维在发生大的变形后开始发挥其增强增韧作用。混凝土抗折强度的显著提高显示了纤维混杂的良好效果。但当改性聚丙烯纤维含量较多时，由于其弹性模量较混凝土低，故此时混杂纤维对混凝土的约束增强作用有限，而且改性聚丙烯纤维在受力变形后其截面迅速收缩，这将导致其与混凝土间的粘结面减少，又进一步削弱了其增强作用.不同尺度和不同性质的纤维混杂，则充分发挥了纤维的尺度和性能效应，使纤维可在混凝土中逐级阻裂，从而达到进一步增强的目的。
三、混杂纤维对混凝土抗渗性能的影响
目前大部分人认为纤维的掺入可提高混凝土的抗渗性能，原因是掺入纤维后，由于纤维的弹性模量相对高于凝结初期混凝土基体的弹性模量，增加了混凝土塑性和硬化初期的抗拉强度，从而有效地抑制了混凝土早期收缩裂缝的产生和发展，降低了混凝土的孔隙率；同时纤维使混凝土基体的失水面积减小，水分迁移困难，从而使毛细管因失水收缩所形成的毛细管张力减小，提高了混凝土的抗渗性。但也有人认为，纤维的加入增加了混凝土中的界面，导致了混凝土中孔隙率的提高，从而使混凝土的抗渗性在掺入纤维后下降。纤维对混凝土抗渗性能的影响分有利和不利两个部分，谁起控制作用纤维混凝土就显现相应的效果。纤维的有利作用如上所述，而不利作用主要是纤维增加了混凝土中的界面.一方面，增加的纤维界面占用了大量的水泥浆，使混凝土的流动性降低，从而导致混凝土密实性下降，混凝土孔隙率增加；另一方面，定量的水泥浆包裹更多的骨料和纤维，其界面必然要比只包裹骨料的界面薄弱，容易形成微裂缝；此外，未完全水化的水在混凝土内形成毛细孔，由于有较大的孔隙率，所以更容易通过毛细孔与其他孔隙相连形成连通孔，这样就大大提高了混凝土的渗水性。
四、混杂纤维对混凝土收缩性能影响
纤维在混凝土硬化收缩和自由水分挥发收缩时，能够阻止微裂缝的发展，有效抑制混凝土的早期干缩裂纹和离析裂纹产生和发展，大大提高混凝土抗裂、抗渗性能。马一平教授等就三种不同几何形态聚丙烯纤维对水泥基材料的抗塑性干缩开裂性能的影响做了比较研究，研究结果表明三种聚丙烯纤维均能改善抗塑性干缩开裂性能，但是改善效果大小与纤维几何形状和掺量大小密切相关。纤维材料确实可以在不同程度上改善水泥基材料的抗塑性干缩开裂性能。
不论是单掺某种纤维还是纤维间的混掺，都能够明显降低混凝土的收缩率；但是纤维混杂的效果明显优于单掺效果，充分体现了纤维混杂的限缩效应，且该限缩效应的大小与纤维混杂种类、纤维体积掺量大小等因素密切相关。虽然可以通过纤维材料改善水泥基材料的抗收缩性能，从而达到改善其抗渗性能的目的；但是不能忽视在引入纤维的同时也在水泥基材内部增加了许多界面，具有劣化作用，因此存在纤维最佳掺量问题。而纤维混杂同样也存在着纤维混杂正负效应，这与纤维品种、纤维间比例大小、纤维掺量等因素密切相关。虽然聚丙烯纤维对混凝土具有抗塑性开裂的作用，但是这一作用能否起到改善混凝土抗渗性能，还应取决于它引入的界面劣化作用的大小。
五、结语
目前，对于混杂纤维混凝土的研究处于起步阶段，对于力学、物理性能积累的数据比较有限，特别是耐久性能的研究。其在工程上特别是结构工程的应用则更为少见，但是根据现有资料的研究，混杂纤维混凝土有着广泛的应用领域，相信随着研究的深入，混杂纤维混凝土的优越性能将日益显露，必将有广大的应用范围。
参考文献：
[1]夏冬桃，徐礼华，池寅，等.混杂纤维增强高性能混凝土强度的试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2007，23（1）：77-81