纖維混凝土研究進(jìn)展

王曉翠 吳凱 徐玲琳

[摘要] 混凝土是一種脆性材料，具有抗拉強(qiáng)度低、易開裂、變形性能差等弱點(diǎn)，而采用纖維增強(qiáng)混凝土是對(duì)混凝土進(jìn)行改性的重要途徑。本文概述了現(xiàn)階段纖維混凝土的分類、研究和發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對(duì)纖維混凝土在實(shí)際應(yīng)用過程中需注意的問題進(jìn)行了總結(jié)。

[關(guān)鍵詞] 混凝土；纖維；分類；進(jìn)展

[中圖分類號(hào)] TU528.527 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A[文章編號(hào)] 1003-1324（2012）-04-0071-04

混凝土是一種多相復(fù)合材料，由于各組成材料性質(zhì)的差異和施工養(yǎng)護(hù)的影響，混凝土內(nèi)部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強(qiáng)度，這也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。通過加入摻合料和化學(xué)外加劑實(shí)現(xiàn)混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度的提高，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%作用，仍存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點(diǎn)。隨著抗壓強(qiáng)度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)得愈明顯[1]。而纖維具有抑制混凝土收縮、提高混凝土抗拉強(qiáng)度、增加混凝土韌性的作用，能夠解決高強(qiáng)高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題，也能適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件[2]。因此，纖維混凝土是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

1 分類

1.1 鋼纖維混凝土

在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的混凝土，稱為鋼纖維混凝土或鋼纖維增強(qiáng)混凝土。與普通混凝土相比，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高[3]。

早期混凝土工程中采用的鋼纖維主要品種有：用細(xì)鋼絲切斷生產(chǎn)的圓直型鋼纖維，用熔抽法生產(chǎn)的鋼纖維，用薄鋼板剪切生產(chǎn)的平直型或扭曲型鋼纖維。隨著混凝土應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)鋼纖維性能的認(rèn)識(shí)不斷深入。根據(jù)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用實(shí)際情況，鋼絲切斷圓直型纖維與基體的粘結(jié)性能差，碳鋼熔抽型纖維在高溫冷卻過程中表面往往會(huì)形成氧化皮，從而嚴(yán)重降低了纖維與基體的粘結(jié)性能。因而這幾種類型的鋼纖維在工程中被逐漸淘汰。相應(yīng)的高強(qiáng)鋼絲切斷端鉤型纖維、鋼錠銑削端鉤型纖維、剪切異型纖維、低合金鋼熔抽型纖維，因其增強(qiáng)了與混凝土基體的粘結(jié)力，對(duì)混凝土的阻裂、增強(qiáng)、增韌的效果顯著，在工程中逐漸得以廣泛應(yīng)用。

1.2 碳纖維混凝土

碳纖維混凝土是將碳纖維均勻地分散在水泥基體中，用以增加混凝土的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。碳纖維混凝土的主要特征具有普通增強(qiáng)型混凝土所不具備的優(yōu)良機(jī)械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強(qiáng)堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸的穩(wěn)定性[4]。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。

碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。碳纖維混凝土具有很高的抗拉性、抗彎性、抗斷裂性、抗蝕性等特點(diǎn)。由于碳纖維的較小的膨脹系數(shù)，碳纖維混凝土的耐熱性較好，溫度變形也較小。

碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是：阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展并阻止宏觀裂縫的發(fā)生及發(fā)展。因此對(duì)于其抗拉強(qiáng)度和主要由主拉應(yīng)力控的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等均有明顯改善；同時(shí)具有高基體的抗變形能力，從而改善其抗拉、抗彎和沖擊韌性。碳纖維體積分?jǐn)?shù)為1.18%時(shí)，試件劈拉強(qiáng)度提高1.2%，按復(fù)合規(guī)則，碳纖維的增強(qiáng)作應(yīng)隨水泥中纖維含量的增大而增加，在碳纖維的重量百分含量小于5%時(shí)，這個(gè)關(guān)系幾乎是線性的，含量再增加時(shí)，碳纖維難以在基體中分散均勻，不能起到增強(qiáng)效果，甚至使碳纖維混凝土抗拉強(qiáng)度降低。此外，碳纖維混凝土還具有良好的耐腐蝕性、抗?jié)B透性、耐磨性、耐干縮性及耐久性。

1.3 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維混凝土（GRC）是將彈性模量較大的抗堿玻璃纖維，均勻地分布于水泥砂漿、普通混凝土基材中而制得的一種復(fù)合材料。近20年來，玻璃纖維混凝土在英國、美國、日本等40多個(gè)國家已開始大量應(yīng)用。它將輕質(zhì)、高強(qiáng)和高韌性優(yōu)點(diǎn)集于一體，在建筑領(lǐng)域中占有獨(dú)特地位。特別自20世紀(jì)90年代以來，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現(xiàn)，把玻璃纖維混凝土技術(shù)引向新的發(fā)展階段。

由于玻璃纖維的直徑僅為5～20μm，幾乎與水泥的顆粒相接近，使用玻璃纖維時(shí)，所用的結(jié)合材料為水泥漿，或者在其中摻入細(xì)砂來使用，幾乎不使用粒徑較大的粗骨料。所以，用這種素材制作而成的復(fù)合材料，又稱為增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)水泥。

采用玻璃纖維混凝土是建筑工程今后發(fā)展方向，它不僅可以彌補(bǔ)普通混凝土制品自重大、抗拉強(qiáng)度低、耐沖擊性能差等不足，而且還具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纖維混凝土制品較薄，質(zhì)量較輕。由于采用抗拉強(qiáng)度極高的玻璃纖維作增強(qiáng)材料，因而其抗拉強(qiáng)度很高。玻璃纖維均勻分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龜裂，由于在破壞時(shí)能大量吸收能量，因而耐沖擊性能優(yōu)良、抗彎強(qiáng)度較高[5]。此外，玻璃纖維混凝土制品脫模性好、加工方便，易做成各種形狀的異型制品。

1.4 聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維混凝土是將切成一定長(zhǎng)度的聚丙烯纖維，均勻地分布在水泥砂漿或普通混凝土的基材中，用以增強(qiáng)基材的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。這種纖維混凝土具有輕質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高、抗沖擊和抗裂性能等優(yōu)點(diǎn)，也可以以聚丙烯纖維代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，從而增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。

聚丙烯纖維混凝土是研究與應(yīng)用最多的合成纖維混凝土。隨結(jié)晶度不同，聚丙烯纖維的密度范圍為0.87～0.95 g/cm3，熔融溫度107～141℃。根據(jù)纖維形狀和構(gòu)造不同，聚丙烯纖維可分為單絲纖維、并行的原纖化纖維束和薄膜纖維。單絲纖維有較高的長(zhǎng)徑比，并行的原纖化纖維束能方便地在水泥基體中分散，雖化學(xué)鍵連接有限，但機(jī)械粘結(jié)好，可使纖維受力時(shí)不被拔出[6，7]。

聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度雖然比普通混凝土高，但其彈性模量卻比較低，在較高應(yīng)力情況下，混凝土易達(dá)到極限變形。但在摻加適量聚丙烯纖維時(shí)，這種復(fù)合材料的抗沖擊性能比普通混凝土要大得多，這為荷載不高但要求耐沖擊、高韌性構(gòu)件的制作，找到了一條很有發(fā)展前途的路子。此外，聚丙烯纖維不銹蝕，其耐酸、耐堿性能也好。

2 纖維的作用

纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬纖維、無機(jī)非金屬纖維、合成纖維或天然纖維為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料。由于纖維并不改變混凝土中各種材料本身的化學(xué)性能，因而不會(huì)破壞混凝土的耐久性。纖維在增強(qiáng)水泥基材纖維的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和提高極限延伸率等方面都遠(yuǎn)較素混凝土大，將這些纖維摻入混凝土中，不但可有效地限制水泥基體中微裂縫的擴(kuò)展，還可提高混凝土強(qiáng)度，彌補(bǔ)普通混凝土的自身缺陷，延長(zhǎng)其使用壽命，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。

纖維加入水泥基體中，主要有以下三方面的作用[2，8]：

（1）阻裂作用；

混凝土內(nèi)部缺陷是混凝土破壞的誘導(dǎo)因素，纖維加入后可阻止基體中原有缺陷（微裂縫）的擴(kuò)展并有效延緩新裂紋的出現(xiàn)。這種阻裂作用既存在于硬化前的塑性階段，也存在于硬化階段。混凝土未硬化前，由于水泥基體在澆注后24h內(nèi)抗拉強(qiáng)度較低，此時(shí)均勻分布于混凝土單位體積內(nèi)較大數(shù)量的纖維，猶如存在于混凝土內(nèi)的大量微細(xì)筋，它們構(gòu)成均勻亂向支撐體系，不但可承受因塑形收縮引起的拉應(yīng)力，還可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和硬化初期）離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，減小原生裂隙的數(shù)量和尺度?；炷劣不院?，若基體仍處于約束狀態(tài)，當(dāng)因周圍環(huán)境溫度、濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，也極易生成大量裂縫，在這種情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。

（2）增強(qiáng)作用；

混凝土不僅抗拉強(qiáng)度低，而且內(nèi)部由于原材料、施工、養(yǎng)護(hù)和使用等方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷載的作用下，這些缺陷周圍應(yīng)力分布不均勻，成為混凝土破壞的誘導(dǎo)因素。當(dāng)混凝土中加入適量的纖維后，在混凝土硬化過程中，均勻分布的短纖維可以起到改變混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)、減少混凝土內(nèi)部缺陷的作用。在受力過程中，纖維與基體共同承擔(dān)荷載、共同發(fā)生變形，即使在基體開裂后纖維仍能繼續(xù)承擔(dān)荷載，從而使混凝土的抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度等有一定程度的提高。

（3）增韌作用；

混凝土凝固后，由于水泥與包裹水泥的纖維絲相粘連而形成亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng)，有利于限制裂縫的發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的韌性。在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開裂，纖維還可以橫跨裂縫而承受一定拉應(yīng)力，使混凝土具有較高的剩余強(qiáng)度和極限應(yīng)變。同時(shí)在混凝土受載過程中纖維還可吸收大量能量，有效減少應(yīng)力集中程度，阻礙裂縫的迅速擴(kuò)展，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊能力。研究結(jié)果表明，將纖維摻入混凝土中，不僅能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度，而且還能增強(qiáng)混凝土的耐磨性、抗侵蝕性、抗沖擊性、抗凍融性和抗?jié)B性等耐久性能，避免構(gòu)件“脆斷”現(xiàn)象的發(fā)生。纖維在混凝土中的作用還與纖維品種、性能、纖維與混凝土界面間的豁結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強(qiáng)度等級(jí)等因素密切相關(guān)，并不是所有的纖維都能同時(shí)起到以上三種作用的。

3 影響因素

3.1 纖維本身的性質(zhì)

纖維是處在一個(gè)堿性的環(huán)境中發(fā)揮其物理效應(yīng)的，所以纖維首先必須具有較好的耐堿性，不受水泥水化物的侵蝕，其次保證纖維與水泥基體之間有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，必須具有比較高的抗拉強(qiáng)度和較大的變形能力。與水泥基體相比，抗拉強(qiáng)度至少要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，極限延伸率至少要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。纖維摻量太少，起不到阻裂的作用；纖維摻量過多，使混凝土和易性變差。同時(shí)，過多的界面使內(nèi)部界面微裂紋增多，基體混凝土強(qiáng)度性能反而下降。此外，纖維必須具有合適的尺寸，在均勻分散的前提下，纖細(xì)而挺實(shí)的纖維具有更好的抗裂增強(qiáng)性能，其長(zhǎng)度與直徑的比值大于臨界值時(shí)才能對(duì)水泥基體產(chǎn)生明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。

3.2 施工方式

纖維的分散性是纖維的關(guān)鍵指標(biāo)，纖維混凝土中所用的纖維應(yīng)具有良好的分散性，不結(jié)團(tuán)，不成束，這樣纖維才能在實(shí)際的混凝土工程中推廣應(yīng)用。不同的施工方式，對(duì)纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。在振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會(huì)產(chǎn)生平行于骨料、模板或振搗設(shè)備表面的“邊緣效應(yīng)”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應(yīng)合理控制振搗時(shí)間，并且盡可能提高纖維混凝土的自密實(shí)能力。

3.3 配合比的影響

與普通混凝土的配合相比，纖維混凝土的配合比有以下特點(diǎn)：

1）骨料間的空隙率增加。當(dāng)1m3混凝土中摻入體積摻率Vf=1%的鋼纖維時(shí)，纖維的堆積體積占0.12 m3是其絕對(duì)體積的12倍，所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

2）纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應(yīng)采用較高的單位水泥用量。同時(shí)纖維將吸附更多的拌和水，纖維間交錯(cuò)搭接阻礙了骨料間的相對(duì)滑移，使拌和物變稠，流動(dòng)性下降。可使用減水劑增大水灰比或者是增加單位水泥用量。

3）選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱處，也是最先發(fā)生破壞的地方。當(dāng)纖維長(zhǎng)度大于最大公稱粒徑時(shí)，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強(qiáng)和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發(fā)揮纖維的增強(qiáng)、增韌作用。集料粒徑大于平均纖維間距，將導(dǎo)致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。

4 理論研究

纖維混凝土的理論研究有助于更好地認(rèn)識(shí)纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，以便更有效地發(fā)揮混凝土和纖維的作用，進(jìn)而為纖維混凝土的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和必要的施工技術(shù)參數(shù)。

（1）力學(xué)性能方面

纖維混凝土的力學(xué)性能是其工程應(yīng)用最關(guān)鍵、最基本的指標(biāo)，也是纖維混凝土眾多研究者熱衷的研究課題。目前的研究主要集中在纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折、抗沖擊強(qiáng)度，纖維對(duì)混凝土斷裂性能和韌性的增強(qiáng)作用以及混雜纖維的增強(qiáng)效果上。雖然纖維對(duì)混凝土具有增強(qiáng)作用，但不同彈性模量的纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響是不同的，隨著彈性模量的減小增強(qiáng)作用也會(huì)有一定程度的降弱。一般認(rèn)為纖維對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高很小甚至有所降低，而對(duì)于抗拉、抗折、抗沖擊強(qiáng)度均會(huì)有不同程度的提高，不同試驗(yàn)者得出的數(shù)據(jù)雖不盡相同，但結(jié)論都是相同的。纖維加入后混凝土的斷裂性能和韌性也會(huì)有較大提高。纖維性質(zhì)不同，對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用也會(huì)存在差異，纖維可提高混凝土的強(qiáng)度，而小彈性模量、大變形纖維可明顯增強(qiáng)混凝土的韌性。單一纖維很難實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度和韌性的同時(shí)提高和增強(qiáng)，但若同時(shí)摻入大彈性模量的纖維和強(qiáng)延性纖維，使兩種甚至幾種纖維在混凝土的不同受荷階段和不同結(jié)構(gòu)層次上發(fā)揮各自的增強(qiáng)、增韌作用，便可獲得具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能的混雜纖維混凝土。因而混雜纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的研究是一個(gè)很有潛力的方向。

（2）耐久性方面

目前對(duì)纖維混凝土耐久性的研究主要集中在纖維混凝土的抗裂性、抗?jié)B性、抗凍性、耐磨性和抗沖擊性等方面。國內(nèi)外關(guān)于鋼纖維混凝土的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，鋼纖維可有效地增強(qiáng)混凝土的抗裂性、抗?jié)B性、抗凍性、抗疲勞性、抗沖擊性及抗沖刷耐磨性。纖維混凝土在水工結(jié)構(gòu)、地下工程及處于惡劣環(huán)境中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件等方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

5 使用時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）纖維材料的選擇要根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境、受力特點(diǎn)等，選擇抗拉強(qiáng)度高，耐久性能好，易施工，成本低的纖維材料；

（2）控制好纖維長(zhǎng)度和截面形態(tài)可使纖維在混凝土中分布均勻，小結(jié)團(tuán)，同時(shí)與混凝土有較大的接觸表面，有較好的粘結(jié)強(qiáng)度；

（3）配制混凝土?xí)r既要保證強(qiáng)度的要求，又要有較好的和易性，還要方便施工，能與纖維結(jié)合緊密；

（4）摻入纖維材料后混凝土的表面抗裂性能、抗拉性能、抗折性能等都有明顯的改善，這要求配制混凝土?xí)r的水灰比不能過大，因此在配制混凝土?xí)r要加入一定量的減水劑、緩凝劑，從而進(jìn)一步提高混凝土的性能，充分發(fā)揮纖維材料的作用。

6 結(jié)束語

我國自20 世紀(jì)70年代以來，纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣闊，并且編制了包括鋼纖維混凝土和合成纖維混凝土的《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CECS38：2004）。這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施大大推進(jìn)了各種纖維在我國各項(xiàng)工程中的使用。加入纖維后也出現(xiàn)了一些問題，比如使得混凝土的成本提高、施工工藝復(fù)雜、流動(dòng)性變差，甚至性能惡化，尤其成本和性能是制約纖維混凝土應(yīng)用的最主要原因。因此，進(jìn)一步降低成本，開發(fā)能有效改善混凝土力學(xué)和耐久性能的纖維材料成為今后該領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃士元. 近代混凝土技術(shù)[M]. 西安： 陜西科學(xué)技術(shù)出版社， 2002.

[2] 沈榮熹， 王璋水， 崔玉忠. 纖維增強(qiáng)水泥纖維與纖維增強(qiáng)混凝土[M]. 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2006.

[3] 寇小健， 齊承濤. 淺談鋼纖維混凝土[J]. 山西建筑， 2005， 35（1）： 195-196.

[4] 沈文忠， 張雄. 碳纖維功能混凝土研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J]. 新型建筑材料， 2004， （8）： 30-32.

[5] 唐乃巖， 李秋平， 劉乃蕓. 玻璃纖維混凝土的研究進(jìn)展與工程應(yīng)用[J]. 山東建材， 1999， （2）： 22-23.

[6] 孫家瑛. 混雜聚丙烯纖維混凝土性能研究[J]. 混凝土， 2003， （11）： 16-20.

[7] 鄧宗才. 高性能合成纖維混凝土[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2003.

[8] 沈榮熹， 崔琪， 李青海. 新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料[M]. 北京： 中國建材工業(yè)出版社， 2004.