纤维增强多孔混凝土的研究及发展

赵洪 侯伟 饶美兰 李洋

（湖南工学院材料与化学工程学院）

纤维增强多孔混凝土的研究及发展

赵洪 侯伟 饶美兰 李洋

（湖南工学院材料与化学工程学院）

多孔混凝土由于其多孔结构的存在，会导致其力学性能相对较弱，而纤维是一种能够改善混凝土材料的韧性和抗冲击性、防止混凝土发生脆性破坏的材料，从而可以考虑利用纤维对多孔混凝土进行增强增韧处理。这一应用会在一定程度上拓展多孔混凝土的工程应用范围。本文分析和总结了几种纤维材料在多孔混凝土中增强增韧的试验研究进展，并指出：适用于普通混凝土的增强增韧方法同样也适用于多孔混凝土，其中的天然纤维具有经济性和力学性能兼具的特质，再加上这种绿色的天然纤维非常适合循环经济和建材行业可持续发展的需求，更加值得我们做进一步的探索并应用。

纤维；多孔混凝土；增强增韧；研究进展

1 引言

随着现代文明城市的建设，我们的居住环境被越来越多的钢筋混凝土材料所包围，这些钢筋混凝土在带给我们生活便利的同时也给我们带来了诸多的负面影响：热岛效应使得我们居住的环境越来越热；太多的不透水材料铺装，导致地表径流，使得我们的城市内涝灾害频发，土壤湿度、温度失去了原有的自然态等等不利影响。而多孔混凝土材料的出现，因为它的透水、透气性能使得我们在现代文明城市建设和生态居住环境之间找到了很好的平衡点，较好地缓解了这系列问题。但是多孔混凝土和普通混凝土相比具有特殊的多孔结构，为了减少多孔结构带来的强度损失，扩大多孔混凝土的应用范围，需要对其进行专门的增强增韧研究。本文回顾和总结了前人利用纤维对多孔混凝土增强增韧的研究成果，并对其未来的发展进行了展望。

2 多孔混凝土的特点与分类

多孔混凝土有很多名称，又叫生态混凝土、无砂大孔混凝土、透水混凝土等等，其特点就是由单一粒径的粗骨料作为骨架，将水泥净浆直接包裹在粗骨料表面，粗骨料在水泥净浆的胶结作用下，互相之间以粘结点的形式组成的具有蜂窝多孔状结构的一类混凝土材料。多孔混凝土的出现改变了传统混凝土密不透风、颜色单调的属性，使得混凝土具有了与居住环境沟通和交流的功能。

多孔混凝土的最早分类，来源于1995年日本混凝土协会提出的生态混凝土的分类方法，他们对生态混凝土分为环境友好型生态混凝土和生物相容型生态混凝土两大类[1]。其中环境友好型主要体现在多孔混凝土的多孔结构可以带来低环境负荷的效果，诸如透水、吸声、吸湿和吸收储存热量，以及能够截留一些介质对水、大气等进行净化处理等等。生物相容型主要体现在多孔混凝土的多孔结构可以为植物、细菌微生物等的生长和栖息带来空间和场地。

3 纤维增强多孔混凝土的研究进展

20世纪60年代中期，人们开始在水泥混凝土中掺入钢纤维形成钢纤维与混凝土的复合材料，随着我们对纤维在混凝土材料应用机理的研究逐步加深，越来越多的纤维材料被广泛应用到混凝土材料中。接下来，本文将综述几种纤维在多孔混凝土中应用的研究及发展情况。

3.1 聚合物纤维增强多孔混凝土

聚合物纤维在普通混凝土中的应用十分广泛，而且也取得了不错的应用效果，那么，在多孔混凝土中掺入聚合物纤维是否能够改善其性能，众多国内外科研工作者进行了相关试验探索。

有学者[2～3]将聚丙烯纤维加入到多孔混凝土中，发现在掺量超过每方1.5kg时，纤维的弱界面效应表现超过了阻裂效应，由此得出低掺量的聚丙烯纤维对多孔混凝土具有一定的力学性能改善作用，而且不会影响到其多孔结构。有文献将刚性聚合物纤维[4～6]掺入到多孔混凝土中，发现刚性聚合物纤维对透水系数的影响最大，随着刚性聚合物纤维的掺量增加，其透水率会有一个先增后降的过程。但是控制刚性纤维掺量在一定范围内，就会带来透水系数的增加而不降低抗压强度的效果。同时，刚性纤维具有抑制多孔混凝土干缩和开裂的能力。而且刚性纤维与钢纤维相比，不会生锈，与普通聚丙烯纤维相比，则更容易在混凝土材料中分散，可见，其在多孔混凝土中具有一定的实用性。

可以看出，聚合物纤维对多孔混凝土材料增强具有一定的效果，只要控制好掺量，就可以做到在不影响其透水效果的情况下，达到对多孔混凝土材料增强增韧的力学效果。

3.2 天然纤维增强多孔混凝土

天然纤维具有其独特的经济环保性，在混凝土中的使用比较常见的有亚麻纤维、剑麻纤维以及竹筋材料。笔者曾做过竹筋对多孔混凝土预制板力学性能的增强增韧探索工作[7]，以期获得一个大尺寸预制构件进行快速施工。竹筋的掺入能较好的分散外力对多孔混凝土预制构件的作用，从而起到提高韧性的工程效果，在大尺寸构件的制作中具有一定的可应用性。但是对于这类天然材料在多孔混凝土的耐久性这一方面尚缺必要的探讨，同时，很多文献[8～9]对其他天然纤维材料诸如亚麻、剑麻等在普通混凝土的增强效果进行了试验研究，增强效果显著，那么天然纤维是否对多孔混凝土也具有同样的增强增韧效果，非常值得进一步试验研究和探索。

3.3 钢纤维增强多孔混凝土

在混凝土材料中最先使用的纤维就是钢纤维，有学者将钢纤维、玻璃纤维和聚合物（PPS）纤维[10]分别掺入到多孔透水混凝土中进行相应的试验研究，结果表明：钢纤维对多孔透水混凝土的增强效果最明显；对于所有的纤维来说，其增强增韧效果都存在一个最佳掺量值，一旦超过该最佳掺量就会产生相反效果。另外，也有学者对比了在高孔隙率（30%）下钢纤维和聚合物（聚丙烯腈）纤维[11]对多孔混凝土力学性能的影响，以期获得一个在不牺牲自身强度的前提下对孔隙率进一步提升的工程效果，他的研究结果表明：纤维材料有助于提高多孔混凝土的抗压强度，其中钢纤维的效果最好，但是孔隙率一旦超过30%，增强效果就大打折扣，甚至会不能满足工程强度的需要。还有国外学者为了探讨钢材料在多孔混凝土内的抗碳化和耐腐蚀能力[12]，设计了普通钢筋、镀锌钢筋以及覆盖水泥净浆钢筋三种形式进行试验研究，结果表明：钢筋表面预处理能够带来耐久性的增强；采用表面覆盖水泥净浆的形式相对于普通钢筋内置可以提高耐腐蚀能力3倍以上。

由上面的分析可以看出，在多孔混凝土当中，钢纤维完美地延续了其在普通混凝土中优异的增强增韧特质，同时，我们可以采用在相对低的孔隙率（30%）状态下使用钢纤维和表面预处理钢纤维的形式达到对多孔混凝土增强增韧最优化的应用效果。

3.4 新型纤维材料增强多孔混凝土

我国学者有将纤维素纤维掺入到多孔混凝土中进行增强性能的研究[13]，发现纤维素纤维不会降低多孔混凝土的抗压强度和透水能力，但是可以显著地提高多孔混凝土抗折、抗拉强度。美国学者[14]将碳纤维掺入到透水混凝土中，并就其表面耐磨性能、抗压、劈裂抗拉、抗碳化等性能进行了一系列的试验，发现碳纤维能较好地对多孔混凝土的物理力学性能进行改善、增强。

以上科研工作初步给我们展示了新型纤维材料可以同样适用于多孔混凝土的增强增韧应用的概念，但是这个过程中还有更多的性能有待进一步研究发现，比如更多龄期的力学性能、耐久性等等，同时新型纤维的经济性能是否适合加入到多孔混凝土材料中，也值得我们做进一步的探讨。

4 总结与展望

多孔混凝土打破了传统混凝土给人的认知，为我国创建海绵城市带来可能，可以让我们城市达到人与自然和谐共处的境界，非常符合可持续发展观的要求，也非常值得我们做进一步的探索工作去大力研发并推广应用。从以上的总结和归纳中可以看出，适用于普通混凝土的增强增韧方法同样也适用于多孔混凝土。针对以上国内外对多孔混凝土增强增韧的方法做进一步的总结，笔者提出以下展望供参考：

⑴聚合物、钢纤维以及新型纤维材料对多孔混凝土增强都具有一定的实际效果，但是在其抵抗各种介质的侵蚀性、经济性等方面有待做进一步的试验探索和工程研究，这些工作仍是我们后续需要继续努力研究的一个方向。

⑵天然纤维属于可再生资源，绿色环保，而且对于有些天然纤维来说，能就地取材的特质非常适合作为我们混凝土用原材料。多孔混凝土的多孔结构注定了其特殊的使用场合，我们应该充分发挥天然纤维的经济性能和力学性能，对其在增强多孔混凝土中的应用做进一步的探索和研发，使得多孔混凝土的制备达到经济性和力学性能均优异的工艺水平。

⑶多孔混凝土具有与周边环境交流与沟通的特质，是未来城市建设中非常需要的新型水泥基材料，但是其力学性能限制了其使用范畴，需要广大科技工作者和工程技术人员加大对其性能增强的试验探索，以获得更广泛的应用前景。●

[1]吴磊.生态植草混凝土工程应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2011.

[2]王金晶，刘志奇.透水性混凝土中掺聚丙烯纤维的可行性试验[J].混凝土与水泥制品，2009,4:41-46.

[3]王娇娜.透水性聚丙烯纤维混凝土的初步探讨[J].水科学与工程技术，2008，2:32-34.

[4]刘肖凡，李继祥.刚性纤维增强透水混凝土配合比的试验研究[J].河北工业大学学报，2015,12:104-107.

[5]王婷，刘肖凡，李继祥.刚性聚合纤维对透水混凝土改性的试验研究[J].混凝土，2012,12:117-119.

[6]高润东，李向民，许清风，等.聚丙烯仿钢纤维（PPTF）透水混凝土试验研究[J].新型建筑材料，2015，3:1-4

[7]赵洪.预制竹筋多孔混凝土板研究[D].广州：华南理工大学，2014.

[8]陈鑫，冯辉荣，吴能森.麻布加固对提高混凝土梁抗弯性能的试验[J].广东建材，2011,9：25-27.

[9]徐蕾.应用亚麻纤维减少混凝土塑性收缩开裂的研究[J].混凝土，2013,10：91-94.

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[11]宋文杰.边坡生态防护的植生混凝土研究[D].长沙：长沙理工大学，2011.

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[13]秦子鹏，田艳，朱建宏.纤维素纤维对透水混凝土性能影响的研究[J].水利与建筑工程学报，2012,8:66-68.

[14]MilenaRangelov,SomayehNassiri，LivHaselbach etc.Using carbon?ber composites for reinforcing pervious concrete[J].Construction and Building Materials ,2016,126:875-885.

湖南工学院科研项目（HY15004）；湖南省教育厅科学研究项目（16C0429）