王 浩　陶俊杰　王 真　肖炎东　唐锦阳

(吉首大学城乡资源与规划学院，湖南 张家界　427000)



·建筑材料及应用·

纤维改进聚合物混凝土性能研究★

王 浩陶俊杰王 真肖炎东唐锦阳

(吉首大学城乡资源与规划学院，湖南 张家界427000)

从理论研究、工程应用、技术标准等方面，阐述了纤维聚合物混凝土的研究现状，分析了纤维聚合物混凝土在研究过程中存在的问题，并提出了一些改进建议，以不断完善新型混凝土材料的研究体系。

纤维，聚合物混凝土，力学性能，研究现状

0　引言

聚合物混凝土(PC)是一种新型的高效多功能材料，具有高强、高抗渗、耐腐蚀、耐磨耗、电绝缘和快硬化等优点[1]。与普通聚合物混凝土相比，纤维聚合物混凝土具有较高的抗拉、抗弯拉等性能[2]，同时纤维对聚合物混凝土抗渗、防水、抗冻等方面也有很大的促进作用。近年来，在纤维应用于聚合物混凝土方面，我国研究人员做了大量的研究和探索性工作，并取得了令人满意的成果。但由于该研究领域是一个新兴的研究领域，对纤维促进聚合物混凝土性能的某些机理的解释，从理论上还不够清楚完善和深入，特别是纤维提高聚合物混凝土抗压、抗折性能和抗冲击性能等方面还有待于进一步的研究和完善，以便更好地指导试验研究工作。另一方面，目前该领域的研究主要集中通过纤维与聚合物混凝土的自然粘结来提高混凝土的性能，今后还应进一步拓宽该研究领域。

通过从研究对象、研究方法上把握混凝土材料中纤维聚合物混凝土方面的研究进展，杜绝其研究中的盲点，发现当前研究文献中存在的问题，整理文献资料和其他实际运用中的纤维改进聚合物混凝土技术，以期拓宽今后研究者的思路，对于今后在纤维和聚合物混凝土在新型混凝土材料中的各项研究工作提供帮助，进而可以更好的完善新型混凝土材料研究体系。

1　聚合物混凝土和纤维

聚合物混凝土(PC)是以聚合物(或单体) 作为胶凝材料或者聚合物混合水泥共同作为胶凝材料[3]。PC与普通混凝土的制作工艺相似，在加水搅拌时掺入一定量的有机物及其辅助剂，经成型、养护后固化而成[4]。主要成分为：环氧树脂、羧基丁苯等聚合物(或单体)、固化剂、增稠剂和增韧剂、稀释剂、填充剂等。按照其组成和工艺的不同，聚合物混凝土分为聚合物浸渍混凝土、聚合物水泥混凝土、聚合物胶结混凝土。

在纤维用于改进聚合物混凝土性能的研究方面，学者和科研工作者已经做了大量的研究工作，分别对钢纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和聚酯纤维等纤维聚合物混凝土进行了试验研究。

2　纤维聚合物混凝土研究现状

聚合物混凝土作为具有良好特性的高性能混凝土，已经广泛应用于水工建筑、机床基础、路面铺装、腐蚀防护等领域。但因其自身的结构特性存在:抗拉强度偏低、使用寿命短、应用成本高、施工工艺复杂等问题，限制了它的广泛应用。对此，通过研究大量文献，阐述其目前在我国的研究现状。

2.1钢纤维聚合物混凝土(SFPC)

于英华等[5]按照0,14.1,17,19.8,22.6比例，制成钢纤维聚合物混凝土(SFPC)，分别进行抗剪强度、抗拉强度和劈裂抗拉强度测试。试验结果显示，钢纤维的加入大幅提高PC的强度，钢纤维含量为19.8时，SFPC的抗剪强度和抗压强度最高，相比PC，分别提高23%和19%；钢纤维含量为22.6时，SFPC的劈裂强度最高，提高了38.4%。同时过量的加入钢纤维会由于搅拌不均匀等影响并降低SFPC的强度。于英华等[6]运用宏观热力学理论和损伤力学原理，推导出SFPC单轴抗压应力—应变模型。同时通过试验，得出模型与试验值相吻合，证明该模型可行。

徐平等[8]运用损伤本构关系模型分析了SFPC的弯曲性能，采用六面体单元细观并引入损伤因子，分析SFPC材料抗弯性能，推导出荷载—位移计算公式。最后通过对40 mm×40 mm×120 mm试样进行试验，其中钢纤维长径比分别为0，40，60，70，80，100，钢纤维含量为48，得到载荷(抗折强度)—位移曲线，与荷载—位移计算公式曲线进行比较，模型计算曲线与试验曲线基本吻合；徐平等还通过单点集中加载的方法研究了钢纤维长径比SFPC抗弯性能的影响[9]，钢纤维长径比和含量与文献[8]一致，SFPC试件尺寸40 mm×40 mm×160 mm，单点加载，记录应力与应变的数值，并绘制曲线。试验结果表明，钢纤维的加入能够显著提高PC的抗弯强度和韧度，当钢纤维长径比为70时，对应的SFPC抗弯性能最佳。

梅迎军等[10]通过对普通混凝土和SFPC进行疲劳试验，试件尺寸100 mm×100 mm×400 mm，两种混凝土分别制作21个试件，其中3个试件用于抗弯拉极限荷载试验，其余18个用于3组不同应力水平疲劳试验。抗弯拉极限荷载试验中，SFPC的弯拉强度高于普通混凝土，但是抗压强度低于普通混凝土。疲劳试验中，结果表明两种混凝土的疲劳寿命均服从威布尔分布;在相同应力水平下，SFPC的疲劳寿命远高于普通混凝土。同时分析了钢纤维对混凝土疲劳寿命的影响和作用机理，认为混凝土中钢纤维被荷载作用拔出，能够抵消一部分荷载作用，延缓裂缝的发展；同时钢纤维能细化混凝土孔隙，提高了混凝土在荷载作用下的断裂强度。唐瑞等[11]采用正交试验法研究混凝土28 d在干养(标准条件下养护3 d后放置在室温养护25 d后)和标准养护条件下抗压强度的影响规律。结果表明复掺钢纤维、SAP、粉煤灰的混凝土，在标准条件养护28 d条件下较基准组混凝土抗冲磨强度有所降低，降幅8%，磨损率有所提升，增幅为8.9%;试件在干养条件下较基准组混凝土的抗冲磨强度提高25.78%，磨损率降幅为15.3%。说明复掺粉煤灰、SAP和钢纤维的混凝土在干养条件下对混凝土的抗冲耐磨性能较为有利。

林晓峰等[12]通过试验得出SFPC抗折强度比PC提高56%，而抗压强度只降低5%；SFPC的抗冲击性能比PC提高了239%～310%；SFPC耐磨性比PC提高了45%～61%，抗冻性提高8%，抗渗性能提高40%；SFPC道面板比PC道面板减薄45%。郑顺潮等[13]通过采用三点弯曲梁疲劳试验，对比C60混凝土与SFPC疲劳性能，试验得出两种材料的S—N曲线，结果表明SFPC疲劳极限比C60混凝土提高了31%。郑顺潮等[14]还对SPHC的抗弯疲劳性能进行了理论分析和实验研究，提出在外力与温度耦合作用下SPHC试件温度疲劳寿命的计算公式，并采用三点弯曲梁疲劳试件，进行温度疲劳试验，将试验结果与公式预测值进行比较，误差小于6.6%，认为采用推导公式预测SFPC的疲劳极限可行。

王明旭等[15]取纤维含量为6%，长径比为70，建立SFPC热变系数理论模型，进行有限元建模分析。通过计算与试验比较分析，认为该模型能够较为准确的预测SFPC的热变系数。同时对不同纤维含量的SFPC的热变系数进行预测，认为纤维含量与热变系数之间存在正比例的非线性关系。张伟[16]采用数字光弹性实验对SFPC的界面应力传递机理进行分析，发现直线型纤维埋入端、钩型纤维埋入端和形状改变处的界面应力最大；同时进行单纤维拉拔试验，得出SFPC的力学强度与纤维含量、纤维长径比分别成正比关系；通过有限元分析认为纤维长度和直径对界面应力的影响较小，但会改变纤维应力集中的位置。

2.2玄武岩纤维聚合物混凝土(BFPC)

玄武岩纤维掺量为1.5，2.5，3.5;聚合物乳液为羧基丁苯乳液，掺量为胶凝材料用量的5%，10%，15%；混凝土强度等级为C50，分别制作普通混凝土、玄武岩纤维混凝土、聚合物混凝土(PC)、BFPC四类混凝土，对BFPC分别进行了干缩试验[17]、抗压强度试验和抗折强度试验[18]、电通量试验[19]。李齐阳等[17]从3 d龄期测量试件初始长度，并测量3 d,7 d,14 d,28 d,60 d，90 d时间间隔的试件变化值。试验结果表明，分别加入玄武岩纤维和聚合物乳液均会增大混凝土的干缩值；而玄武岩纤维和聚合物复掺能够降低干缩值，有效改善混凝土的干缩，玄武岩纤维掺量为2.5，聚合物掺量为10%时效果最佳。宋云祥等[18]进行了抗压强度试验和抗折强度试验。结果表明，玄武岩纤维混凝土，PC，BFPC的抗压强度与普通混凝土相比有高有低，差距不大，说明玄武岩纤维和聚合物乳液对提高混凝土抗压强度作用有限。抗折试验结果表明，单掺玄武岩纤维的混凝土7 d龄期和28 d龄期的抗折强度有所提高，纤维掺量为2.5时抗折强度最高，7 d强度为6.9 MPa，28 d强度为7.7 MPa，比普通混凝土分别提高7.8%和2.6%；单掺丁苯乳液的混凝土7 d龄期和28 d龄期的抗折强度随丁苯乳液的含量增加而增大，当丁苯乳液含量为10%最高，7 d强度为7.3 MPa，28 d强度为9.2 MPa，分别提高了14%和23%； BFPC混凝土中，纤维掺量2.5 和丁苯乳液含量10%的BFPC抗折强度最高，7 d强度为7.5 MPa，28 d强度为8.8 MPa，均提高了17%。分析可以看出聚合物能够有效提高混凝土的抗折强度，纤维对提高混凝土的早期抗折强度有利，对晚期抗折强度的提升作用有限。刘全庆等[19]按照GB/T 50082—2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准，进行电通量试验。结果表明，单掺玄武岩纤维2.5时混凝土的电通量最低，比基准混凝土电通量降低了26%；单掺丁苯乳液10%时混凝土电通量最低，比基准混凝土电通量降低了31%；BFPC抗氯离子渗透性能的改善作用要明显优于玄武岩纤维或丁苯乳液单掺的情况，纤维含量为2.5，丁苯乳液为10%的BFPC比2.5玄武岩纤维混凝土和10%丁苯乳液混凝土的电通量分别降低了61%和59%，较基准混凝土降低了71%，但是随着纤维或者丁苯乳液含量的增加，电通量随之升高，表明纤维含量为2.5，丁苯乳液为10%时BFPC的抗氯离子渗透性能最佳。上述研究表明，玄武岩纤维含量2.5，丁苯乳液为10%的BFPC的兼顾抗压、抗折和抗渗透的综合性能最佳。

李光辉等[20]试验分析玄武岩纤维和丁苯聚合物乳液掺量对PC的抗压强度、抗折强度、干燥收缩性能以及抗氯离子渗透性能的影响。抗压强度、抗折强度以及抗氯离子渗透性能试验结果与李齐阳[17]、宋云祥[18]、刘全庆[19]等大体一致。而干缩试验中，干缩量随玄武岩纤维的增加而增大，玄武岩纤维对改善混凝土的干缩性能不利；丁苯乳液的掺量在一定范围内能有效改善干缩性能，最佳掺量为10%。于英华等[21]将含量为0.3%的玄武岩纤维加入PC中，分别对BFPC和PC 进行抗压试验和劈裂抗拉试验， BFPC较PC的抗压强度提高27.3%，劈裂抗拉强度高17.4%，分析认为纤维能够较好的阻止BFPC固化成型时的收缩初始裂缝，并能阻止裂缝在荷载作用下的进一步扩展。

2.3聚酯纤维聚合物混凝土(PFPC)

金玉杰等[22]通过抗压试验和抗折试验研究聚酯纤维含量对聚合物混凝土性能的影响。试验结果表明，纤维含量为0.8%时，抗压强度和抗折强度最大，分别比普通砂浆试件提高5%和17%，分析认为纤维能够抑制原生裂缝的产生，同时能够弥补混凝土固化后的内部缺陷。

3　存在的问题与建议

1)国内许多研究人员对纤维聚合物混凝土的力学性能，以及抗渗、抗干缩性能进行了研究。研究结果均显示纤维的加入能有效的改善聚合物混凝土的各项性能，但是不同纤维制备的聚合物混凝土各项性能不同，性能变化幅度也不同，以及对纤维聚合物混凝土抗腐蚀、抗冻性能的研究较少。因此，需进一步全面的研究纤维聚合物混凝土各项性能，形成较为系统的纤维改进机理。

2)目前该领域的研究主要集中通过纤维与聚合物混凝土的自然粘结来提高混凝土的性能，今后还应进一步拓宽该研究领域，比如利用各类界面改性剂提高聚合物、纤维、集料之间的粘结性能，提出界面改性技术改进纤维聚合物混凝土的理论和方法。

3)由于聚合物混凝土的粘度大以及固化特性，以及纤维容易聚团的特性，在实际试验搅拌过程中发现，纤维聚拢成团，无法均匀分布于混凝土中间。因此缺乏研究改良施工拌和流程，在实际应用中较难达到理论要求，现场施工存在一定的困难。

4　结语

通过从理论研究、工程应用、技术标准等方面，对各类纤维改进聚合物混凝土性能的国内外研究成果进行归纳总结；对纤维提高聚合物混凝土抗压、抗折性能和抗冲击性能以及纤维与聚合物混凝土粘结的作用和机理进行分析研究；提出纤维—聚合物混凝土在国内研究和应用方面存在的问题，对今后纤维在聚合物混凝土的应用研究和发展提出建议并进行展望。

[1]曾海燕.纤维增强呋喃树脂混凝土的力学性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2014.

[2]胡恒.钢纤维聚合物混凝土快速修复桥面技术研究[D].西安:长安大学,2001.

[3]张学旭,张书香,施强,等.聚合物—水泥基复合材料相关术语的思考与商酌[J].化学建材,2006(3):30-32.

[4]杨俊斯.国内路用聚合物改性水泥混凝土(PMC)研究进展[J].科技信息,2012(15):371-372.

[5]于英华,刘敬福,李智超.钢纤维含量对树脂混凝土力学性能的影响[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2012(6):389-391.

[6]于英华,胡晓军,徐平.钢纤维聚合物混凝土单轴抗压应力—应变关系[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2003(3):389-391.

[7]徐平,崔剑.纤维长径比和含量对钢纤维聚合物混凝土抗压强度的影响[J].机械制造,2004(10):60-61.

[8]徐平,王明旭,潘一山.钢纤维聚合物混凝土抗弯性能的分析[J].科学技术与工程,2005(24):1976-1978.

[9]徐平,王明旭,潘一山.钢纤维长径比对钢纤维聚合物混凝土抗弯性能的影响[J].机械工程材料,2006(4):54-55,97.

[10]梅迎军,赵翔,代超,等.弯曲荷载作用下钢纤维聚合物混凝土疲劳寿命[J].公路交通科技,2015(9):20-25.

[11]唐瑞,孟云芳,马超,等.钢纤维超吸水聚合物混凝土抗冲耐磨性能试验研究[J].宁夏工程技术,2013(1):35-40.

[12]林晓峰,关恒,许金余.钢纤维聚合物水泥混凝土的试验及其应用[J].混凝土与水泥制品,2007(1):49-52.

[13]郑顺潮,黄培彦,郭馨艳.钢纤维聚合物高强混凝土疲劳性能的实验研究[J].实验力学,2011(1):1-7.

[14]郑顺潮,黄培彦,郭馨艳,等.钢纤维聚合物高强混凝土的温度疲劳性能[J].华南理工大学学报(自然科学版),2011(9):88-92.

[15]王明旭,徐平,王中营.基于能量原理的钢纤维聚合物混凝土热性能研究[J].机械设计与研究,2013(4):140-142.

[16]张伟.钢纤维聚合物混凝土的界面应力传递与增强机理研究[J].山东农业大学学报(自然科学版),2015,46(6):908-912.

[17]李齐阳,王勇杰,宋云祥.玄武岩纤维聚合物水泥混凝土干缩性能试验研究[J].粉煤灰综合利用,2014(6):30-39.

[18]宋云祥,杨静,王建强.玄武岩纤维增强聚合物混凝土基本力学性能试验研究[J].华北水利水电学院学报,2012(6):18-20.

[19]刘全庆,李光辉,宋云祥,等.玄武岩纤维聚合物混凝土抗氯离子渗透性能试验研究[J].建材世界,2014(6):32-35.

[20]李光辉,杨静,宋云祥.用于桥面铺装层的玄武岩纤维增强聚合物混凝土试验研究[J].公路,2016(1):192-196.

[21]于英华,张文龙,徐平,等.玄武岩纤维增强树脂混凝土制备及其抗压和劈裂抗拉性能实验研究[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2016(5):509-512.

[22]金玉杰,康力.聚酯纤维掺量对聚合物树脂混凝土力学性能的影响[J].吉林建筑工程学院学报,2012(5):12-14.

Performance research on fiber polymer concrete★

Wang HaoTao JunjieWang ZhenXiao YandongTang Jinyang

(College of Resources and Planning Sciences, Jishou University, Zhangjiajie 427000, China)

Starting from aspects of theoretical research, engineering application and technical criteria, the paper describes the research status of fiber polymer concrete, analyzes problems existing fiber polymer concrete in research process, and puts forward some improving suggestions, with a view to continuously improve the research system of new concrete material.

fiber, polymer concrete, mechanical performance, research status

1009-6825(2016)25-0105-03

2016-06-21★：吉首大学大学生研究性学习和创新性实验计划项目资助(项目编号：JSU-CX-2016-63)

王浩(1987- )，男，硕士，工程师

TU528.41

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