淺談纖維混凝土特性與應(yīng)用

俞君寶，呼夢(mèng)潔，楊鼎宜

（1.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

1824 年英國(guó)著名工匠約瑟夫·阿斯普丁發(fā)明了波特蘭水泥，水泥混凝土應(yīng)運(yùn)而生。 經(jīng)過一百多年的發(fā)展，水泥混凝土已成為建筑工程各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料。 眾所周知，水泥混凝土不僅原材料來源廣泛，而且具有優(yōu)異的力學(xué)性能。 混凝土具有較好的抗壓強(qiáng)度，極大地滿足了工程需求，但其抗拉強(qiáng)度低、韌性較差、容易出現(xiàn)開裂等缺點(diǎn)也限制了其在一些特殊工程中的應(yīng)用。 混凝土的這些缺點(diǎn)促使了一種復(fù)合材料“纖維混凝土”的產(chǎn)生。

纖維混凝土，又叫纖維增強(qiáng)混凝土，通常以水泥凈漿、砂漿或混凝土作為基材，摻入適量的非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)材料，形成的一種新型增強(qiáng)建筑材料[1]。 相關(guān)研究表明：纖維混凝土不僅具有傳統(tǒng)混凝土的優(yōu)良特性，而且還彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土的眾多缺陷。

1 纖維混凝土發(fā)展歷史及工作機(jī)理

1.1 纖維混凝土發(fā)展歷史

纖維混凝土的發(fā)展要追溯到20 世紀(jì)初，鋼纖維混凝土是最早出現(xiàn)在人們視野中的纖維混凝土。早在1910 年， 美國(guó)學(xué)者Porter 就著力于鋼纖維混凝土理論研究，并最早發(fā)表一篇關(guān)于鋼纖維混凝土論文。 不久后，美國(guó)學(xué)者Graham 將鋼纖維混凝土應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中， 驗(yàn)證了其優(yōu)良特性。 20 世紀(jì)40年代，各國(guó)學(xué)者開始關(guān)注研究纖維混凝土，并取得了一定成就。 20 世紀(jì)70 年代，纖維混凝土得到了快速發(fā)展，出現(xiàn)了碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯、植物等新型纖維混凝土。 20 世紀(jì)90 年代，纖維混凝土研究與應(yīng)用的序幕真正拉開，纖維混凝土的研究與應(yīng)用發(fā)生了質(zhì)的飛躍。我國(guó)關(guān)于纖維混凝土的研究起步較晚。1993 年，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)頒布了《纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》，標(biāo)志著我國(guó)纖維混凝土在工程實(shí)踐中正式推廣與應(yīng)用。近些年來，伴隨著新型復(fù)合纖維材料出現(xiàn)，纖維混凝土的性能得到改善，并廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。目前，纖維混凝土已廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、地鐵、隧道、港口、水利等土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。

1.2 纖維混凝土工作機(jī)理

纖維混凝土問世以來，關(guān)于其增強(qiáng)機(jī)理的理論研究一直受到各國(guó)學(xué)者的密切關(guān)注。 目前，比較成熟的增強(qiáng)機(jī)理理論有兩種：①美國(guó)J.P.Romualdi 提出的“纖維間距機(jī)理”。該理論是依據(jù)線彈性斷裂力學(xué)機(jī)理來解釋纖維對(duì)混凝土性能改善作用。該理論認(rèn)為混凝土內(nèi)部存在孔隙和缺陷，在外力作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，引起混凝土開裂。 纖維作用彌補(bǔ)了混凝土內(nèi)部缺陷，提高了混凝土韌性，極大地減少了應(yīng)力集中，改善了混凝土性能。 纖維間距理論在假定纖維與基體材料完全粘合的基礎(chǔ)上得出的，而實(shí)際情況并不能滿足其條件，因此存在一定缺陷。 ②英國(guó)Swamy Mamgat 等提出的“復(fù)合材料機(jī)理”。纖維混凝土是一種復(fù)合材料，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)受力機(jī)理來說明其增強(qiáng)機(jī)理。該理論認(rèn)為纖維混凝土強(qiáng)度是由纖維和基體的體積比和應(yīng)力所決定。

2 纖維混凝土特性

近些年來，關(guān)于纖維混凝土理論研究及工程應(yīng)用試驗(yàn)取得了較好的成績(jī)。隨著合成纖維材料的創(chuàng)新，出現(xiàn)了眾多種類的纖維混凝土。目前，比較成熟的有鋼纖維、聚丙烯、碳纖維等纖維混凝土。

2.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是指在混凝土中摻入適量的鋼纖維形成的一種新型復(fù)合材料。鋼纖維混凝土具有優(yōu)良的性能：①較高的抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度。 鋼纖維具有良好的抗拉性能，與混凝土的抗壓性能形成互補(bǔ)。 鋼纖維不僅具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度而且其抗剪強(qiáng)度也顯著提高。②抗彎性能較好。鋼纖維混凝土兼有鋼纖維和混凝土優(yōu)良性能并形成互補(bǔ)。鋼纖維在混凝土內(nèi)部呈不規(guī)則分布，能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)抗彎性能。 研究表明：鋼纖維混凝土的抗彎性能比混凝土要提高0.5~1.5 倍。 ③具有卓越的抗沖擊性能和耐疲勞性能。鋼纖維混凝土在抵抗沖擊或振動(dòng)荷載作用過程中， 鋼纖維會(huì)吸收較多能量，提高了其沖擊韌性。相關(guān)研究表明：鋼纖維混凝土的抗沖擊性能約為素混凝土的5~10 倍。 鋼纖維無規(guī)則的分布在混凝土內(nèi)部，極大地提高了其耐疲勞性能。④耐腐蝕性能改善。鋼纖維混凝土耐腐蝕性和鋼筋混凝土一樣，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是混凝土自身?yè)p傷破壞；二是鋼材銹蝕。 鋼纖維具有良好的抗拉性能， 阻礙了混凝土裂縫形成與發(fā)展，使得腐蝕介質(zhì)難以進(jìn)入混凝土內(nèi)部，鋼纖維混凝土耐腐蝕性能得到很好的改善。

鋼纖維混凝土具有較多的優(yōu)良特性，但也存在一些問題，限制了其在工程中的應(yīng)用。例如：和易性能較差，增加了施工難度；鋼纖維均勻分散性一直難以解決。

2.2 聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維具有強(qiáng)度高、耐酸、耐堿等優(yōu)良特性，在混凝土中摻入較低水平短切聚丙烯纖維形成的聚丙烯纖維混凝土，是一種新型的混凝土增強(qiáng)復(fù)合材料。 研究表明，聚丙烯纖維混凝土有以下優(yōu)越性能[2-6]：

（1）提高混凝土的抗裂性能。在混凝土攪拌過程中，聚丙烯纖維受到水泥、砂、骨料的沖擊就會(huì)散開，均勻分布于混凝土中，約束了混凝土的顆粒下沉，降低了由于混凝土中水溢出形成的毛細(xì)通道數(shù)量，降低了混凝土體積的變化和泌水現(xiàn)象， 從而抑制了混凝土微裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土的抗裂性能。

（2）提高混凝土的抗?jié)B性能。聚丙烯纖維的摻入能有效抑制混凝土的塑性收縮， 阻止了原有裂縫的發(fā)展和延伸，減緩混凝土和受力鋼筋被潮濕氣體、氯化物等有害物質(zhì)的侵蝕， 使用聚丙烯纖維混凝土的建筑物使用壽命得以延長(zhǎng)。同樣，抗?jié)B能力的提高也間接地提高了聚丙烯纖維混凝土的抗凍能力。

（3）增強(qiáng)了混凝土的強(qiáng)度和沖擊韌性。 素混凝土試件在抗壓試驗(yàn)過程中，加載到一定荷載壓裂后立即完全破碎。聚丙烯纖維混凝土試件在抗壓試驗(yàn)過程中，加載到一定荷載壓裂后并不破碎，由于摻入的聚丙烯纖維均勻分布于混凝土中，能顯著提高聚丙烯纖維混凝土的變形性能，使得荷載加至最大后仍不破碎。 建筑結(jié)構(gòu)中使用聚丙烯纖維混凝土，在遭受地震破壞時(shí)能保證人員和財(cái)產(chǎn)的安全。

（4）提高混凝土的抗凍融性能?；炷恋目箖鋈谛阅芤彩悄途眯缘囊环N體現(xiàn)， 北方寒冷地區(qū)混凝土的抗凍融性能是最基本的性能之一。 將摻入較低分量短切聚丙烯纖維的混凝土試件做凍融試驗(yàn)， 經(jīng)過二十五次反復(fù)凍融循環(huán)，并沒有發(fā)現(xiàn)分層、龜裂等現(xiàn)象。 事實(shí)上，聚丙烯纖維隨機(jī)均勻分布于混凝土內(nèi)部各個(gè)方向，類似于混凝土內(nèi)部微加筋的作用，減緩了混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力作用和溫度裂縫的發(fā)展。

（5）提高混凝土的耐磨損性能。 聚丙烯纖維的摻入提高了混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。南京水科院和長(zhǎng)江科學(xué)院分別對(duì)聚丙烯纖維混凝土采用不同的試驗(yàn)方法進(jìn)行抗沖磨試驗(yàn)，均證實(shí)聚丙烯纖維混凝土的耐磨損性能較素混凝土有顯著提高。

（6）提高混凝土的彎曲疲勞性能。 聚丙烯纖維混凝土和素混凝土一樣具有較好的抗壓強(qiáng)度，但其抗彎曲強(qiáng)度能在一定程度上較素混凝土有所提高，提高的程度與聚丙烯纖維摻入量有關(guān)。同濟(jì)大學(xué)的試驗(yàn)研究顯示，聚丙烯纖維混凝土中聚丙烯纖維的摻入量為0.8 kg/m3時(shí)， 其抗彎強(qiáng)度僅提高7.6%，表明低摻量的聚丙烯纖維對(duì)提高混凝土抗彎曲強(qiáng)度的影響效果甚微。

除此之外，聚丙烯纖維在酸性、堿性環(huán)境下基本上不發(fā)生變化，使得摻入聚丙烯纖維的混凝土在海水環(huán)境下的耐腐蝕性較好。聚丙烯纖維混凝土相對(duì)于鋼纖維、鋼筋網(wǎng)的比較經(jīng)濟(jì)。 聚丙烯纖維具有較高的熔點(diǎn)(162 ℃左右)，火災(zāi)高溫下能迅速熔化，在混凝土內(nèi)形成氣體通道，有效防止高強(qiáng)度混凝土的爆炸。 天津塘沽“8.12”大爆炸事故的發(fā)生，若鄰近高層建筑物采用聚丙烯纖維混凝土作為防火混凝土，可以有效減少混凝土爆炸，減少財(cái)產(chǎn)的損失和人員的損傷。

2.3 碳纖維混凝土

碳纖維混凝上是指在普通混凝土的原材料中按一定用量和方式摻入短纖維或長(zhǎng)纖維，在攪拌機(jī)的拌和過程中，使纖維在水泥和骨料的沖擊混合作用下，隨機(jī)分布于混凝土中而形成的新型混凝土復(fù)合材料。 碳纖維混凝上具有以下優(yōu)良性能：①碳纖維混凝上改善了混凝土的力學(xué)性能。在碳纖維混凝中隨機(jī)分布的碳纖維阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展，并阻滯宏觀裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)大，從而改善了其抗裂、抗?jié)B、沖擊韌性等性能，更符合現(xiàn)代高新建筑對(duì)工程材料的要求。②碳纖維混凝土具有良好的電學(xué)性能?；炷林刑祭w維之間未水化的水泥顆粒水化產(chǎn)物、缺陷裂紋等阻隔所形成的勢(shì)壘構(gòu)成了具有一定電阻的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可使其電阻率下降四個(gè)數(shù)量級(jí)，具有顯著的導(dǎo)電性能[7]。 國(guó)內(nèi)外研究者先后提出在水泥凈漿、砂漿或混凝土中摻入各種碳纖維材料制備具有典型壓敏效應(yīng)的水泥基智能材料，包括普通短切碳纖維、碳納米管、納米碳纖維三種碳材料，基于材料性能與成本分析，納米碳纖維最具有推廣應(yīng)用前景[8]。

3 纖維混凝土在工程中的應(yīng)用

纖維混凝土由于其優(yōu)良特性已廣泛應(yīng)用于工程之中，鋼纖維、聚丙烯、碳纖維等纖維混凝土在工程中廣泛應(yīng)用。

3.1 鋼纖維混凝土在工程中的應(yīng)用

近幾年，由于車輛數(shù)量的增加，人們對(duì)路橋依賴性日益提高， 這就要求路橋有更好的耐久性、安全性和適用性。 普通水泥混凝土路面脆性大、容易開裂、路面板塊容易受彎折而產(chǎn)生斷裂，無法滿足日益增加的交通流量對(duì)路橋的要求。鑒于鋼纖維混凝土較普通混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能、韌性及抗裂性能都有顯著改善， 在路橋中的應(yīng)用前景不可限量，是路面、橋面及機(jī)場(chǎng)跑道的理想材料。

在路橋工程中，鋼纖維混凝土主要用于路面施工和橋面鋪裝。對(duì)于損壞的普通混凝土路面可以采用鋼纖維混凝土進(jìn)行修復(fù)。 譚春波等[9]在某二級(jí)公路修復(fù)施工中，實(shí)施“碎石化+沖擊壓實(shí)+加鋪防水層+加鋪鋼纖維混凝土罩面層”的修補(bǔ)工藝，施工中碎石化后的混凝土路面質(zhì)量均勻，減薄了道路的面層厚度，使得工期得以縮短、原材料得以節(jié)約；于此同時(shí)減少了路面的切縫數(shù)量，節(jié)省了人工費(fèi)與材料費(fèi)。在新建路面工程中采用鋼纖維混凝土可保證雙車道路路面不設(shè)縱縫，延長(zhǎng)路面使用壽命。 在橋梁鋪裝工程中應(yīng)用鋼纖維混凝土，可大幅度提高橋面的抗裂性能、耐磨性能以及舒適度，從而確保橋梁工程的施工質(zhì)量。 在路橋結(jié)構(gòu)加固過程中，針對(duì)受動(dòng)載影響而產(chǎn)生的橋梁表面損壞、裂縫出現(xiàn)以及橋梁墩臺(tái)的情況，采用噴射機(jī)噴射一定厚度的鋼纖維混凝土，能改善橋梁受力狀況，起到加固橋梁整體結(jié)構(gòu)的作用。 除了在路橋中的應(yīng)用，鋼纖維混凝土也可用于隧道和邊坡的防護(hù)加固。

3.2 聚丙烯纖維混凝土在工程中的應(yīng)用

聚丙烯纖維混凝土在公路工程和水利工程中的應(yīng)用非常廣泛。 在公路路面、機(jī)場(chǎng)跑道應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土，其塑性龜裂能得以有效控制，提高了其抗疲勞性能、 耐沖擊破碎性能和耐磨損能力，延長(zhǎng)了路面的使用壽命。 在國(guó)外，停機(jī)場(chǎng)、機(jī)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)跑道、地下傳輸管道等工程的綜合加固措施中已廣泛應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土。水利工程中應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土，可顯著改善現(xiàn)代水利工程對(duì)水工混凝土的抗?jié)B、防裂、耐磨、抗沖擊韌性和耐久性等高性能的要求。 大中型水利水電工程在施工期內(nèi)，對(duì)裝備重型或超重型汽車的需求量較大，現(xiàn)場(chǎng)施工道路路面要滿足施工運(yùn)輸?shù)囊?，鑒于用鋼纖維鋪設(shè)的路面造價(jià)較高且存在磨損輪胎問題，以及聚丙烯纖維混凝土良好的耐磨損和抗沖擊疲勞特點(diǎn)，可采用聚丙烯纖維混凝土鋪設(shè)路面。

3.3 碳纖維混凝土在工程中的應(yīng)用

與普通混凝土相比， 碳纖維混凝土不僅保持了抗壓性能，還改善了混凝土的力學(xué)性能和電學(xué)性能，從而在建筑工程中得以廣泛的應(yīng)用。 碳纖維混凝土用作混凝土的增強(qiáng)材料， 其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度比混凝土提高5~10 倍，同等強(qiáng)度下，質(zhì)量更輕，更為經(jīng)濟(jì)。建筑工程中大量基礎(chǔ)性設(shè)施暴露于空氣中，鋼筋銹蝕膨脹和混凝土自身收縮易產(chǎn)生裂縫， 碳纖維混凝土可以有效遏制開裂，并解決鋼筋腐蝕問題。碳纖維混凝土可以用于修復(fù)加固混凝土結(jié)構(gòu)， 由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、施工方便， 目前碳纖維修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)在工程中應(yīng)用廣泛。碳纖維導(dǎo)熱系數(shù)比混凝土大，熱傳導(dǎo)性能都比較好， 在其纖維方向具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，纖維受熱收縮對(duì)混凝土產(chǎn)生壓力，混凝土的膨脹就會(huì)受到纖維的抑制，混凝土中摻入碳纖維后，就可以有效控制混凝土的溫度變形。

近年來， 智能材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研發(fā)過程中，碳纖維混凝土良好的導(dǎo)電性能使其在大型混凝土健康監(jiān)測(cè)技術(shù)中得以廣泛應(yīng)用。 美國(guó)DDLChung 等[10]在1989 年首先對(duì)摻短切碳纖維水泥基材料的機(jī)敏特性展開試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)碳纖維水泥基材料具有自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。 摻適量短切碳纖維可使水泥砂漿或混凝土的力學(xué)、電學(xué)性能顯著改善， 可以用于制作結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的傳感元件。吳獻(xiàn)等研究發(fā)現(xiàn)碳纖維混凝土的電阻變化率三向受壓時(shí)是單軸受壓條件下的兩倍，且所得的壓敏特性比單軸受壓時(shí)更理想[11]?；诖丝蓪⑻祭w維混凝土作為傳感器，用于監(jiān)測(cè)高速公路上過往車輛載重的情況，及時(shí)掌控道路的服役狀態(tài)。

4 纖維混凝土的發(fā)展前景

纖維混凝土的研究與應(yīng)用已取得了一些成就，有著良好的發(fā)展前景。但纖維混凝土耐久性和可降解性仍需做進(jìn)一步研究：①纖維混凝土耐久性的研究。 在普通混凝土中摻入各種合成化學(xué)纖維，可在不同程度上有效改善其抗?jié)B性、抗凍融性、抗氯離子滲透和抗碳化性能。但在特殊環(huán)境下纖維改善混凝土耐久性的研究仍比較匱乏，需進(jìn)一步研究在碳化、凍融、荷載與氯鹽環(huán)境共同作用下，纖維對(duì)混凝土耐久性的改善狀況。②環(huán)境保護(hù)。 隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，建筑垃圾的逐漸增多給人們生活帶來不便，而合成纖維可降解、無污染的特性使得纖維混凝土有更加廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。

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