混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究及发展.pdf

收稿日期：2023-01-20作者简介：畅丽君（1979-），助理工程师，学士，研究方向工程试验检测。基金项目：2021 年度河北省高等学校科学技术研究青年基金项目（基金编号 QN2021233）。33第22卷第3期石家庄铁路职业技术学院学报VOL.22 No.32023 年 9 月JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAYTECHNOLOGYSep.2023混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究及发展混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究及发展畅丽君（中铁十八局隧道工程有限公司天津100855）摘要：摘要：从混杂纤维种类、纤维掺量及纤维尺寸等方面系统归纳了近年来混杂纤维水泥混凝土抗渗性的研究现状，总结概括了现阶段混杂纤维混凝土抗渗性的研究成果及发展趋势。混杂纤维混凝土的抗渗性研究取得重要成果，混杂纤维对混凝土抗渗性的积极效果多数学者已达成共识，未来针对纤维的几何尺寸效应、纤维与混凝土基体的界面区状态、多元混杂、化学外加剂及矿物外加剂的复合效应以及基于实际使役环境下混凝土抗渗性的变化等方面的研究仍需进一步深入。关键词：关键词：混杂纤维；混凝土；抗渗性中图分类号中图分类号：V258+.5文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1673-1816(2023)03-0033-051引言引言混凝土的耐久性关系到工程的使用寿命，而其中混凝土的抗渗性对混凝土的耐久性起着决定性作用。由于自然环境条件的影响，在某些隧道或地下混凝土工程出现渗水或裂缝等病害导致混凝土的耐久性变差，已经成为混凝土工程的凸显问题。水泥混凝土作为脆性材料具有较高的抗压强度，然而其抗拉强度低，抗变形能力较差，易出现开裂，从而导致抗渗性能劣化。因此，研究如何改善混凝土的抗渗性具有重要实际意义和经济价值。水泥基材料的复合化可以提高混凝土的性能，其中利用纤维增强是改善混凝土性能的核心措施1。通过掺入纤维复合化改善混凝土性能在混凝土领域已经基本达成共识。因此出现了钢纤维2、玻璃纤维3、碳纤维4、聚丙烯纤维5,6、玄武岩纤维7,8等各类纤维用于改善混凝土性能的研究报道。根据弹性模量的差别可将应用于混凝土的各类纤维分为两类，一类是低弹性模量纤维，如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维等，低弹性模量纤维更倾向于提高水泥混凝土的韧性、抗冲击性、抗热爆裂性等。另一类是高弹性模量纤维，如钢纤维、碳纤维等；高弹性模量纤维可以提高混凝土的抗拉强度和刚性，同时也能提高其韧性。水泥混凝土是多相多组分的非均质体系，单一纤维的掺入仅能对其某一层次方面具有改善作用9，然而不同性能的纤维混杂掺入混凝土，能够在不同层次上进行强化，发挥不同纤维各自的特性效应，并且不同纤维的特性相互补充，达到协同增强的效果。因此，近年来关于混杂纤维水泥混凝土的力学性能和耐久性等方面的研究报道日益丰富10,11。然而关于混杂纤维对水泥混凝土抗渗性的系统研究报道不多，鉴于此，针对混杂纤维对混凝土的抗渗性影响进行归纳对比，为深入开展混杂纤维对混凝土抗渗性的研究提供参考。石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 3 期342混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究进展混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究进展各类纤维具有不同的品质和几何形态，混杂纤维分为二元混杂及多元混杂12。目前研究较热门的混杂形式是不同类型纤维的二元混杂，高弹性模量纤维和低弹性模量纤维的混杂，不同纤维特性的优势叠加对水泥混凝土起到显著的增韧增强效果。二元混杂还包括不同尺度上的纤维混杂，短纤维与长纤维按一定比例混杂，两者也能实现有效互补从而改善混凝土的性能13。2.1 钢纤维钢纤维-聚丙烯纤维混杂聚丙烯纤维混杂高弹性模量的钢纤维可有效抑制初期微裂纹的发展，低弹性模量的聚丙烯纤维可有效改善混凝土基体的韧性。钢-聚丙烯混杂纤维可有效融合二者特点，其比例、形状、尺寸势必会对水泥混凝土的抗渗性产生影响。钢-聚丙烯混杂纤维总掺量一般不超过 1%，并且钢纤维掺量大于聚丙烯纤维的掺量。钢纤维大多采用长度 30 mm 以上，长径比 80，50 或 40，纤维类型有针片状弯曲型、剪切压痕型及波纹型。聚丙烯纤维一般采用 12-19 mm，直径 10-12m、18m、48m 等。纤维具有不同形状和尺寸，分析表 1 数据发现，研究人员倾向于得出纤维最优掺量，而针对纤维尺寸及形状的系统研究不多。杨成蛟等14研究表明混杂纤维的掺入降低了混凝土的抗渗性，引气剂的加入对提高混杂纤维混凝土抗渗性有促进作用。然而采用的是长度 3050 mm；直径 1.0m 的超长超细聚丙烯纤维，可能是纤维尺寸的差异使混凝土的抗渗性改变，纤维的外形尺寸对混凝土抗渗性的影响研究有待进一步深入。朱安标15研究表明混杂纤维的掺入会降低混凝土抗渗性，聚丙烯纤维的影响比钢纤维更显著，然而混杂纤维在提高混凝土的抗冻性、抗硫酸盐侵蚀性具有明显优势。2.2 玄武岩纤维玄武岩纤维-聚丙烯纤维混杂聚丙烯纤维混杂玄武岩纤维属于高弹性模量纤维，其主要成分是硅酸盐矿物，与水泥混凝土基体具有良好的相容性，其具有耐酸碱腐蚀、耐高温、耐冲击及成本相对较低等诸多优点，在众多纤维增强材料中脱颖而出，成为纤维复合水泥基材料中的研究热点。表 1 列出了近年来玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土抗渗性的研究指标，可以看出玄武岩-聚丙烯混杂纤维对提升基体抗渗性具有积极效果。与钢-聚丙烯混杂纤维相比，玄武岩-聚丙烯混杂纤维的最佳纤维掺量较低，一般总掺量不超过 0.5%；纤维尺寸方面，玄武岩纤维长度一般为 12 mm，聚丙烯纤维长度在 620 mm 之间；混凝土抗渗性能方面，渗水高度降低 12.1%26.8%。由表 1 数据得出不同实验条件下混杂纤维对抗渗性的改变程度不同，玄武岩-聚丙烯混杂纤维可以改善混凝土基体的抗渗性得到众多学者的认可。赵兵兵等16认为控制合理的混杂纤维比例及掺量呈现正混杂效应，使混杂纤维混凝土的抗渗性优于单一纤维混凝土的抗渗性。王艳19得出玄武岩-聚丙烯混杂纤维可以优化活性粉末混凝土的抗渗性。黄依莹20研究表明玄武岩-聚丙烯混杂纤维可以提升轻骨料混凝土的抗渗性。刘浩喆17研究了玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗氯离子抗渗性，得出在硬化早期 28 d，混杂纤维对混凝土的抗渗性改善程度不大，但在硬化后期混凝土的抗氯离子渗透性显著提高。超长龄期混杂纤维混凝土的性能研究将对提升工程结构的耐久性具有重要价值。针对玄武岩-聚丙烯混杂纤维可以改善混凝土基体的抗渗性这一结论也有学者有不同观点，李慧18研究发现混杂纤维不如单掺纤维更能提高混凝土基体的抗渗性，与玄武岩纤维相比聚丙烯纤维对提高混凝土抗渗性的贡献较小，其单掺玄武岩纤维混凝土 SEM 图出现纤维团聚现象，改进拌和工艺使纤维充分分散，是保障混凝土质量的前提。第 3 期畅丽君混杂纤维改性混凝土抗渗性的研究及发展35表 1玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土的抗渗性参数文献报道纤维掺量纤维尺寸抗渗性参数的变化玄武岩纤维聚丙烯纤维玄武岩纤维聚丙烯纤维李慧185 kg/m30.8 kg/m3长度 12mm；直径12m长度 20 mm；直径20 m混杂纤维比单掺 5 kg/m3玄武岩纤维混凝土 6 h 电通量值增加 105%赵兵兵等160.20%0.10%长度 12mm；短切连续型长度 12mm；束状渗水高度降低 25.06%0.40%0.20%渗水高度降低 22.13%刘浩喆170.3%0.2%长度 12 mm；直径16 m长度 12 mm；直径1845 m；束状单丝与素混凝土相比 28 d 龄期 6 h 电通量增加 13.6%；180d 龄期 6 h 电通量减小 14.6%王艳194 kg/m30.6 kg/m3长度 12mm；直径11m长度 21mm；直径25m与素混凝土相比 6 h 电通量值减小约60%刘大昌21纤维掺量 0.050.2%长度 12 mm；直径17.4 m长度 6 mm；直径31 m混凝土渗水高度降低了5.2%12.1%长度 12 mm；直径31 m混凝土渗水高度降低了0.9%13.0%黄依莹200.15%0.1%长度 19mm；直径13m长度 19mm；直径31m混凝土渗水高度降低了 26.8%2.3 其它纤维混杂其它纤维混杂2.3.1 玻璃纤维-聚丙烯纤维针对玻璃-聚丙烯混杂纤维混凝土抗渗性的研究报道不多，学者的研究结果也存在差异。赵晶22采用长 12 mm 耐碱玻璃纤维与长 1519 mm 聚丙烯纤维组成混杂纤维，研究发现混杂纤维可以提高混凝土的抗渗性，但提升效果不如单一纤维。何尔仁等23对改性聚丙烯纤维和耐碱玻璃纤维混杂纤维混凝土性能进行了试验，结果表明混杂纤维混凝土的抗渗性优于单一纤维混凝土，混杂纤维存在合适的掺量及比例，以 0.4 kg/m3改性聚丙烯纤维和 0.8 kg/m3耐碱纤维混杂混凝土的抗渗性最佳。2.3.2 聚乙烯醇纤维-其它纤维近年来关于聚乙烯醇纤维引入混凝土基体的报道增多，聚乙烯醇与纤维素纤维、玄武岩纤维及钢纤维的混杂掺入对混凝土抗渗性具有提升作用，许多研究报道验证了这一结论。曹军伟24研究了聚乙烯醇-纤维素纤维增强混凝土的性能，得出在 28 d、60 d、90 d 龄期时混杂纤维混凝土的抗氯离子渗透性优于单一纤维混凝土及基准混凝土。钱红萍25也将聚乙烯醇纤维及纤维素纤维混杂掺入水泥混凝土，纤维长度分别为 12 mm 和 2.12.3 mm，纤维掺量均为 0.45 kg/m3，得出混杂纤维混凝土的抗渗性有所提高。龚飞26将耐碱玄武岩纤维及聚乙烯醇纤维掺入混凝土，结果表明混杂纤维混凝土抗氯离子渗透性较基准混凝土提高了 51.4%。刘宾27分析了钢纤维及聚乙烯醇纤维不同混杂掺量对混凝土耐久性的影响，得出当纤维总掺量在 0.2%0.8%时，钢纤维-聚乙烯醇纤维以 1:6 的混杂比例掺入混凝土，其抗渗性最佳。2.3.3 聚丙烯腈纤维-其它纤维聚丙烯腈纤维与其它纤维混杂引入混凝土基体，周祎28以聚丙烯腈纤维和塑钢纤维组成混杂纤维，研究表明该类型混杂纤维能够提高混凝土的抗渗性。孙崇亮29对聚丙烯腈-玄武岩混杂纤维混凝石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 3 期36土的抗渗性进行了研究，得出控制混杂纤维比例及掺量对提高混凝土的抗渗性十分必要，另外该文献还提出粉煤灰和膨胀剂与混杂纤维的复合添加更能有效改善混凝土的抗渗性。近年来，混杂纤维混凝土的抗渗性研究取得重要成果，然而混杂纤维多局限于二元混杂，多元混杂、化学外加剂及矿物外加剂对混凝土的复合作用仍需进一步深入研究。2.3.4 纤维素纤维-其它纤维万惠文等30对比了纤维素纤维和钢纤维、纤维素纤维和聚丙烯纤维两种混杂形式对混凝土抗渗性的影响，以 0.6 kg/m3纤维素纤维和 25 kg/m3钢纤维，0.8 kg/m3纤维素纤维和 0.8 kg/m3聚丙烯纤维混杂的纤维混凝土渗透高度比基准混凝土分别降低了 68%和 88%，得出这两种混杂形式均能改善混凝土的抗渗性，聚丙烯纤维与钢纤维相比与纤维素纤维混杂后对提升混凝土的抗渗性更佳。不同材质混杂纤维对混凝土性能的对比研究报道不多，尤其针对纤维材料组成及纤维与混凝土基体的界面区状态的报道还较为鲜见，界面区状态是提升复合材料性能的决定性因素，复合材料界面区状态的研究对混杂纤维混凝土的性能提升具有重要价值。3结语结语（1）通过对混杂纤维混凝土抗渗性研究进展的归纳总结，发现混杂纤维对混凝土抗渗性的积极效果多数学者已达成共识，然而混杂纤维混凝土的最优配比参数及抗渗性改性效果存在较大差异，今后在优化配比参数的同时基于实际使役环境研究基体抗渗性的变化将更有意义。（2）关于混杂纤维混凝土的研究大多侧重于纤维掺量及种类，缺乏对纤维几何尺寸效应的深入研究，缺少不同材质纤维材料的对比数据，尤其针对纤维材料组成及纤维与混凝土基体的界面区状态的报道还较为鲜见，界面区状态是提升复合材料性能的决定性因素。先进的测试手段及宏观微观相结合的分析方法研究混杂纤维混凝土是很必要的。（3）水泥的水化是一个长期发展变化的过程，不同龄期及超长龄期混杂纤维混凝土的性能研究将对提升工程结构的耐久性具有重要意义。（4）混杂纤维混凝土的抗渗性研究取得重要成果，然而混杂纤维多局限于二元混杂，多元混杂、化学外加剂及矿物外加剂对混凝土复合作用的研究仍需进一步深入。参考文献：参考文献：1 吴中伟,廉慧珍.高性能混凝土.中国铁道出版社,1994.2 仝国芸,于丽英,牛建广.冬季冰冻区域的钢纤维喷射混凝土抗渗和抗冻性能试验研究J.混凝土,2018(03):138-140.3 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service environment still need to be studied in depth.Key words:hybrid fiber;concrete;impermeability