钢-聚丙烯纤维混凝土研究与发展

摘要：本文综述了国内外混杂纤维混凝土混杂效应的研究概况，从力学性能和物理性能两个方面总结了国内外关于混杂纤维混凝土的抗拉、抗压、抗弯、抗冲击性能及抗干缩、耐高温、抗冻融等性能的研究现状，分析了混杂纤维混凝土研究过程中存在的不足，展望了其发展优势和应用前景，最后指出需进一步研究的方向。

关键词：钢纤维 聚丙烯纤维混杂纤维混凝土 力学性能 物理性能

中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：

[Abstrct]:Fiber reinforcement is commonly used to provide toughness and ductility to brittle cementitious matrices.two or more types of fibers are rationally combined to produce a composite that derives benefits from each of the individual fibers and exhibits a synergetic response.The enhancement mechanism of hybrid fibers reinforced and their research methods are analyzed in this paper. The status quo of the research and application about hybrid fiber reinforced concrete is summed up, and a pilot study about the application prospect of hybrid fiber reinforced concrete is discussed.

[Key words]: Fiber reinforced concrete；Hybrid fibers

0引 言

钢-聚丙烯纤维增强混凝土（steel-polypropylene hybrid fiber-reinforced concrete）是以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以非连续的短钢纤维和聚丙烯纤维作为增强材料所组成的水泥基复合材料的总称。试验研究表明，纤维掺入混凝土能够改善基体的特性，由于纤维性能不同，在基体中，单一纤维只是在一定程度上体现它的某些特性。其中高弹性模量钢纤维混凝土的优越的物理和力学性质主要表现为：(1)较高的抗拉、抗压、抗弯极限强度和抗剪性；(2) 卓越的抗裂和抗疲劳性能； (3) 抗冲击性能良好；(4)能明显改善变形性能； (5)强度和重量比较大，比较经济。而具有低弹性模量的聚丙烯纤维的优势主要表现在：(l)能够控制混凝土裂缝，提高结构物抗裂性、减少混凝土早期塑性裂缝；(2)耐腐蚀；(3)增加混凝土的延性、抗冲击性、抗渗性及耐磨性；(4)有助于防火；(5)用量少，价格低。如果在混凝土这种多相、多层次的复合材料中，掺杂多种不同性能的纤维，从不同层次上对基体进行优化，就可以发挥材料的最佳性能。

因此，随着材料科学和结构工程的发展，钢-聚丙烯纤维混凝土（以下缩写HFRC）特性正逐步成为国内外学者研究的焦点。本文将概述国内外的钢-聚丙烯混杂纤维的研究与发展，并在此基础上探讨目前混杂纤维研究所存在的问题及研究方向。

1 混杂纤维混凝土的混杂效应

混杂纤维在混凝土中的作用主要体现在阻裂、增强和增韧三个方面，目前对HFRC的增强机理主要有以下两种理论解释：一、复合材料力学理论；二、纤维间距理论。大量学者研究发现，在纤维材料差异及纤维体积率匹配的不同情况下，混杂纤维增强混凝土会出现正、负两种混杂效应。

孙伟[2]等选用不同尺寸不同弹性模量的纤维混杂，发现混杂纤维能提高混凝土的限缩能力和阻裂能力，并在改善其抗渗性能方面表现为正混杂效应。

王成启[3]对不同尺寸纤维混凝土的混杂效应机理做了分析，认为混凝土的破坏实质为裂缝产生、亚临界扩展和失稳扩展的过程，并在此基础上提出混杂增强效应系数的概念。

2004年，Banthia[4]等人通过试验，解释了钢纤维与聚丙烯纤维混杂时的增强效应原理。同时提出三种混杂效应:基于纤维本构关系的混杂、基于纤维尺寸的混杂、基于纤维功能混杂，对混杂纤维的混杂效应研究具有重要意义。

2 混杂纤维混凝土的力学性能

上世纪70年代中期，Walton和Majumdar[5]最先进行了HFRC的研究，研究表明钢纤维和聚丙烯纤维共同作用提高了基体的抗拉性能和抗冲击性能。

同时P.Sukontaukkul[6]研究发现，HFRC综合了钢纤维混凝土较高的初裂荷载、最大荷载的优点和聚丙烯纤维混凝土优越的延性韧性。

Parviz，Sorouhian[7]等人对HFRC的断裂性能进行了研究，并探讨了HFRC的增强机理和破坏机理。

姚志雄[8]等实验研究发现加入钢纤维后RPC断裂能、延性指数和特征长度大幅提高。并且RPC的断裂能随钢纤维掺量的增加而增大,但其延性指数和特征长度则随钢纤维掺量呈现出不同的变化规律。

Johnston[9]与Swanmy的实验证实，混凝土中掺入纤维对其提高抗压强度意义并不大，但由于纤维的加入，增大了混凝土压缩破坏时的延性。但Glavind 和 Aarre 等人的研究表明，将钢－聚丙烯混杂纤维掺入混凝土中，可以提高混凝土的极限压应变。

贺大荣[10]也证实混杂纤维混凝土的抗压强度变化幅度不大。研究发现当纤维掺量较低时,可以增强砼抗压强度。反之，纤维混凝土的抗压强度会降低,甚至低于素混凝土的强度。

1982年 KobayashiKll[11]等人研究了HFRC的弯曲性能并首次提出“Hybrid”一词，研究表明混杂纤维对混凝土有更好的增韧效果。

梁济丰等人[12]对S-P混杂纤维混凝土抗冲击试验发现混杂纤维混凝土对抗冲击性能的提高非常明显，王凯[13]等人通过试验研究表明，钢纤维和聚丙烯纤维在较低掺量下，混凝土的抗压、抗拉强度、断裂强度和抗弯韧性有显著提高。,张平中等人在对S―P混杂纤维混凝土进行抗冲击强度试验分析后也得出类似结论。

3 混杂纤维混凝土的物理性能

钱红萍等在研究各龄期内纤维混杂对混凝土收缩性能影响规律时发现混杂纤维能明显降低混凝土的收缩率，且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。

M.sarigaphutil[14]等对纤维增强混凝土的收缩开裂与耐久性进行了试验研究，发现掺入纤维可以有效地减少混凝土的收缩开裂，且与未加纤维的混凝土相比可以有效地减少裂缝宽度。

Zhang J．[15]等人基于纤维间距理论和纤维、混凝土间剪应力传递的概念，建立了纤维混凝土收缩公式，并认为纤维的减缩作用类似粗骨料工作原理。

鞠丽艳等人在混杂纤维混凝土抗爆裂性能研究时发现,800℃时,混杂纤维明显提高了混凝土的抗爆裂性能,同时分析了混杂纤维改善高性能混凝土高温性能的作用机理.

潘慧敏采用液化石油气燃烧模拟火灾,对HFRC高温力学性能及抗爆裂性能进行了研究。结果表明混杂纤维的掺入提高了混凝土火损试验后的抗压强度和劈裂抗拉强度。高温下,混杂纤维能有效地阻止混凝土产生爆裂,并能较好地保持混凝土的完整性。

何晓达试验发现在400oC高温下恒温2小时后，混杂纤维混凝土仍能承受较高荷载，此时强度绝对值在35MPa左右；强度剩余率在65％左右；在800 oC高温下恒温2小时后，混杂纤维混凝土强度剩余率在30％左右。

陈猛[16]等人对素混凝土和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土两种材料进行了弯曲疲劳试验，发现混杂纤维混凝土在循环荷载作用下的疲劳破坏表现为良好的塑性性质。

孙家瑛[17]试验发现纤维混杂比例会对混凝土的抗渗性产生正负效应。陈德玉和谭克锋[18]研究了长度不同的聚合物微纤维的抗渗性能，认为均匀分布在混凝土中的大量纤维起到了“分流和筛滤”的作用，降低了混凝土表面的析水，阻碍了集料的离析，可以极大地提高抗渗能力。朱缨[19]也有类似的结论，而且随着微纤维掺量增加，抗渗性能增加。易成等人的带裂纹试件渗透试验表明，渗透流量与裂缝宽度之间不服从立方定律，掺入纤维后混凝土的裂缝扩展方式更有利于混凝土抗渗。

黄承连[20]认为低掺量的合成纤维也能明显提高混凝土抗冻性能，可使冻融循环次数提高50%甚至是1倍以上，若纤维掺量太少则对混凝土的抗冻性能改善作用明显降低。

杨成蛟[21]通过混杂纤维混凝土力学性能及抗渗性能的试验研究发现,混杂纤维对混凝土抗渗性能影响不大.引气剂有助于提高混杂纤维混凝土的抗渗性.另外简单分析了纤维混杂方式对混凝土力学性能和抗渗性能影响的机理.

4总结展望

本文主要介绍了混杂纤维混凝土的增强机理和国内外混杂纤维混凝土的物理性状、力学性状的研究状况，虽然混杂纤维混凝土的很多理论还亟待完善,但是，随着人们对混杂纤维混凝土研究工作的深入开展，研究领域的不断扩展，混杂纤维混凝土在铁路工程、工业建筑地面、机场跑道、公路、大坝等有着广泛的应用潜能。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，其应用前景也必将是十分广阔的。

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