超高性能纖維增強(qiáng)混凝土中纖維作用綜述

陳寶春， 林毅焌， 楊 簡， 黃卿維， 黃 偉， 余新盟

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350108； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院, 先進(jìn)土木工程材料研究中心, 福建 福州 350108； 3. 東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院, 廣東 東莞 523808)

0 引言

混凝土是當(dāng)今用量最大的建筑材料, 隨著科技發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步， 對其抗壓強(qiáng)度和耐久性要求不斷提高， 從普通混凝土向高性能和超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)發(fā)展. 與此同時(shí)， 在混凝土中加入纖維以改善其脆性大、 抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)的纖維增強(qiáng)混凝土(fiber reinforced concrete， FRC)也在不斷發(fā)展之中. 本研究討論的超高性能纖維增強(qiáng)混凝土(ultra-high performance fiber reinforced concrete， UHPFRC)， 既是UHPC中的一種， 也是FRC的一種[1].

用于FRC的纖維種類很多， 按材質(zhì)可分為金屬纖維(主要有鋼纖維)、 無機(jī)纖維(如玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)以及有機(jī)纖維(如聚乙烯纖維、 聚丙烯纖維等)； 按彈性模量又可分為高彈性模量纖維(如鋼纖維、 玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)和低彈性模量纖維(如有機(jī)纖維). 高彈性模量纖維的剛度大于混凝土， 基體產(chǎn)生微裂縫后， 纖維開始受力， 分擔(dān)混凝土所受應(yīng)力， 提高材料強(qiáng)度. 纖維剛度越大， 強(qiáng)度提高越明顯； 低彈性模量纖維的剛度小于混凝土， 受力一般在混凝土開裂之后， 主要用于提高材料延性[2].

鋼纖維彈模的抗拉強(qiáng)度高、 綜合性能較佳是UHPFRC中最常用的纖維. 因此從一開始鋼纖維在UHPFRC中增強(qiáng)增韌作用的研究就得到重視. 由于實(shí)際工程對材料的功能要求不盡相同， 其他種類纖維對UHPFRC材料性能的影響也得到了一定的研究. 本研究對鋼纖維與其他纖維在UHPFRC中的作用研究進(jìn)行綜述. 纖維不僅影響材料的力學(xué)性能， 也影響混凝土拌合物的工作性能， 纖維材料費(fèi)用還是UHPFRC的控制性因素. 不同(類型和規(guī)格)纖維對UHPFRC增強(qiáng)增韌效果不同， 混摻得到性能優(yōu)于單摻纖維(正混雜效應(yīng))[3]， 成為許多研究者追求的目標(biāo). 鑒于此， 本研究將對這方面的理論進(jìn)行系統(tǒng)分析和整理.

總之， 將UHPFRC看成由基體和纖維兩相材料組成的材料， 開展纖維在UHPFRC中作用的研究， 是UHPFRC研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn). 希望本綜述有助于推動(dòng)UHPFRC材料學(xué)研究的深入并促進(jìn)工程應(yīng)用的推廣.

1 鋼纖維

1.1 基本作用

1.1.1抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度低是混凝土材料的主要缺點(diǎn). 雖然UHPC基體的抗拉強(qiáng)度可達(dá) 5 MPa 以上， 比普通混凝土有很大的提高. 然而其拉壓比并無根本性改變， 一般仍維持在 0.1～0.2之間. 同時(shí)， UHPC基體抗壓、 抗拉的脆性問題愈顯突出， 因此普遍采用纖維增強(qiáng)增韌， 也即成為UHPFRC. 雖然， 近年來UHPC術(shù)語的應(yīng)用越來越多， 但日本、 法國、 瑞士的指南或規(guī)范以及大量的文獻(xiàn)仍采用UHPFRC這個(gè)術(shù)語， 不用UHPC， 認(rèn)為無纖維的UHPC不宜用于實(shí)際工程[1].

UHPFRC中使用的鋼纖維一般為微細(xì)鋼纖維， 其抗拉強(qiáng)度很高(一般達(dá) 2 000 MPa及以上). 大量的直拉實(shí)驗(yàn)表明： UHPFRC受拉時(shí)， 當(dāng)拉應(yīng)力超過其開裂強(qiáng)度后， 基體出現(xiàn)第一條裂紋. 纖維的橋接作用會(huì)抑制裂紋寬度的擴(kuò)展從而在其他地方出現(xiàn)第二條裂紋， 繼而第三條、 第四條， 直到應(yīng)力將某條裂紋中的纖維從基體中拔出， 構(gòu)件才受拉破壞[4]. 因此， UHPFRC受拉存在應(yīng)變硬化與類塑性的現(xiàn)象， 其強(qiáng)度指標(biāo)有開裂強(qiáng)度與抗拉(極限)強(qiáng)度兩個(gè). 抗拉強(qiáng)度和韌性的提高， UHPFRC在結(jié)構(gòu)受力中抗拉能力得以發(fā)揮. 在設(shè)計(jì)計(jì)算中加以考慮， 這也是與普通混凝土最主要的區(qū)別之一(普通混凝土在設(shè)計(jì)計(jì)算中一般不考慮抗拉強(qiáng)度).

研究發(fā)現(xiàn)纖維沿著受拉方向布置時(shí)抗拉強(qiáng)度最大， 比自然分布高45%， 垂直方向強(qiáng)度最低, 這說明纖維分布對UHPFRC強(qiáng)度有較大的影響[5-6]. 關(guān)于纖維分布取向?qū)Τ咝阅芑炷量估瓘?qiáng)度等性能的影響較少， 需要進(jìn)一步探究.

尤其鋼纖維摻量在0%～3%時(shí), 隨著摻量的增大， UHPFRC抗拉性能遞增, 而3%后基本沒有提高[7]， 摻量太大會(huì)導(dǎo)致造價(jià)上升且嚴(yán)重影響其流動(dòng)性等問題[3, 8-11]. 實(shí)際工程常用的摻量范圍在2%～3%.

1.1.2抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是混凝土最基本力學(xué)性能. 無纖維的UHPC受壓破壞時(shí)呈爆炸或類似爆炸狀態(tài)， 纖維的摻入使這種脆性破壞現(xiàn)象得到極大改善[12]. 同抗拉強(qiáng)度一樣， 纖維摻量的提高， 一開始會(huì)提高抗壓強(qiáng)度， 隨后纖維摻量的增加會(huì)增大其不利的影響. 以常用的長度 13 mm、 直徑 0.2 mm鋼纖維為例， 摻量在0.5%～3%之間時(shí)， 纖維三維亂向分布形成了纖維網(wǎng)骨架， 限制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展. 隨摻量增加， 強(qiáng)度提高， 纖維摻量大于3%左右時(shí)， 易出現(xiàn)纖維分布不均勻， 會(huì)降低纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度， 增加混凝土中空隙數(shù)量， 其強(qiáng)度反而隨著摻量的增加而降低， 3%摻量稱其為轉(zhuǎn)折點(diǎn). 不同鋼纖維轉(zhuǎn)折點(diǎn)不同， 如長度1 mm、 直徑0.2 mm鋼纖維的轉(zhuǎn)折點(diǎn)為7%， 長度30 mm約為5.5%[3,13-15]. 轉(zhuǎn)折點(diǎn)在工程上具有重要的意義， 影響因素也較多， 是一個(gè)值得研究的問題.

1.1.3韌性與阻裂

韌性是指材料在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力, 是延性和強(qiáng)度的綜合， 可以用應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包圍的面積表示， 即斷裂能. 鋼纖維的摻入對提高混凝土韌性效果十分明顯， UHPFRC斷裂能一般在18 kJ·m-2以上， 比不摻纖維UHPC至少高出100%. 隨纖維摻量增加， 增韌效果遞增[4].

混凝土開裂是構(gòu)件失效的主要原因， 鋼纖維摻入可以阻止裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展. 鋼纖維對抑制裂縫的發(fā)展效果顯著， 對阻止初始微裂縫的產(chǎn)生作用不大[10]. 目前出現(xiàn)了一種非晶體鋼纖維(AMF)， 呈細(xì)小長方形, 其與基體粘結(jié)強(qiáng)度很大， 對UHPFRC早期開裂阻止效果較強(qiáng). 但其抗拉強(qiáng)度較弱， 纖維在被拔出基體之前斷裂， 無法有效抑制裂縫后期發(fā)展[16-17]. 所以， 如何同時(shí)提高纖維增強(qiáng)初裂強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度， 是一個(gè)難點(diǎn)， 也是今后研究的一個(gè)重點(diǎn).

1.1.4工作性能

鋼纖維摻入會(huì)降低拌合物的流動(dòng)性和纖維分布的均勻性， 影響工作性能， 隨摻量提高不斷加深. 因此， 實(shí)際工程中鋼纖維的摻量一般在5%以下， 以2%～3%最為常見[13].

1.1.5收縮

纖維對收縮性能的影響， 現(xiàn)有的研究存在著不同結(jié)論， 還需要深入分析. 鋼纖維的摻入可以分散毛細(xì)管的收縮應(yīng)力， 有效緩解局部應(yīng)力集中現(xiàn)象， 減小UHPFRC的收縮, 隨纖維摻量提高改善效果越好[7]. 而文獻(xiàn)[18]發(fā)現(xiàn)相比2%摻量鋼纖維， 3%材料的收縮僅降低1.5%， 提高幅度不大, 過多纖維可導(dǎo)致多孔薄弱界面區(qū)增加， 收縮抑制作用減小.

相關(guān)學(xué)者研究了鋼纖維類型對收縮與徐變的影響， 結(jié)論是影響不明顯[19-23].

1.1.6混凝土自愈合

微裂縫寬度不超過0.3 mm， 大氣中的水分等成分滲透進(jìn)混凝土， 在其中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并生成物質(zhì)填充間隙， 即自愈合能力.

纖維有助于抑制微裂縫寬度， 有利于自愈合. 纖維摻量、 種類對自愈合影響規(guī)律需要進(jìn)一步研究[24].

1.2 鋼纖維參數(shù)

1.2.1形狀

鋼纖維形狀大致可分為圓直形、 波浪形、 波紋形(壓痕形)、 啞鈴形(扁頭形)、 端鉤形(弓形)、 螺紋形(扭曲形). 除了最常見的圓直形， 其余形狀的纖維(稱為異形鋼纖維) 與混凝土粘結(jié)強(qiáng)度較大， 形狀越曲折， 抑制微裂縫效果越強(qiáng). 相比普通纖維， 雖然纖維形狀對其抗壓強(qiáng)度影響不大， 但是異形鋼纖維能更有效提高抗拉強(qiáng)度和韌性[25-30].

在同等摻量和相同基體情況下， 扁頭形對抗拉強(qiáng)度提高最強(qiáng)， 其攪拌過程纖維分布均勻、 無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象. 端鉤形強(qiáng)度次之， 波紋形和端鉤形由于纖維形狀曲折使其與基體粘結(jié)強(qiáng)度較強(qiáng)， 與韌性提高相比其他形狀纖維更佳. 波紋形和端鉤形增韌效果存在爭議， 因此增韌效果最好的形狀須進(jìn)一步研究； 抗壓方面， 波浪形提高效果最佳， 其次是扭曲形. 但波浪形抗拉強(qiáng)度和韌性提高相比扁頭形和端鉤形低[25-30]. 文獻(xiàn)[31]對圓直形、 端鉤形、 波浪形進(jìn)行纖維拉拔試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)后兩種纖維和基體粘結(jié)強(qiáng)度分別比圓直形(14 MPa)約高出121%、 20%. 文獻(xiàn)[32]通過有限元模擬分析纖維拉拔試驗(yàn)進(jìn)一步證明了端鉤形粘結(jié)強(qiáng)度較高， 韌性提高效果較強(qiáng). 今后可通過纖維拉拔實(shí)驗(yàn)或模擬分析來探究纖維形狀的影響.

表1 纖維形狀對UHPFRC材性影響

Tab.1 Effects of fiber shape on properties of UHPFRC

流動(dòng)性方面， 異形對其流動(dòng)性的降低幅度比等摻量圓直形約高出10%～22%[12， 26-28]. 纖維端部形狀越曲折， 流動(dòng)性越小[25].

統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示[25-30, 33-34]， 分析表中內(nèi)容得到如下結(jié)論： 1) 纖維形狀在不同材料性能方面的提高強(qiáng)弱順序須進(jìn)一步探究； 2) 受限于市場纖維的來源， 目前對纖維形狀影響的研究難以保持其他纖維參數(shù)一致； 3) 纖維形狀影響在不同基體中是否不變， 也缺乏研究.

1.2.2d直徑、 長徑比

鋼纖維按其直徑劃分， 可分為超細(xì)(d直徑≤0.08 mm)、 細(xì)(0.08 mm1 mm)； 按長度劃分可分為超短(l長度≤8 mm)、 短(8 mm30 mm)； 按長徑比可分為微細(xì)(長徑比≥65)、 中等(50<長徑比<65)以及粗短鋼纖維(長徑比≤50). 由于纖維在UHPFRC中攪拌均勻， 對強(qiáng)度提高顯著， 流動(dòng)度影響較小， 故常用之[35].

UHPFRC的臨界纖維體積率是指復(fù)合材料在基體開裂后的承載力不下降所必須的最小纖維體積率. 工程意義為在纖維體積率超過臨界纖維體積率時(shí)UHPFRC得到了充分的增韌， 能形成穩(wěn)定可靠的應(yīng)變硬化現(xiàn)象. 在受拉時(shí)裂紋會(huì)穩(wěn)定充分傳遞直至基體無法再形成新的裂紋為止. 此種情況下， 基體的塑性達(dá)到了最大， 裂紋與拉應(yīng)力得到了充分的傳遞. 由細(xì)觀力學(xué)理論可知： 當(dāng)其他因素相同時(shí)， 纖維直徑越細(xì)， 長度越長， 臨界纖維體積率越小， 這個(gè)影響是二次方或三次方關(guān)系. 在基體相同， 基體與纖維的界面作用相近的情況下， 纖維越細(xì)長， 纖維臨界體積率越小， UHPFRC越容易達(dá)到穩(wěn)定的應(yīng)變硬化狀態(tài). 然而， 越細(xì)的鋼纖維， 對材質(zhì)與工藝要求越高， 造價(jià)也越高. 因此對于鋼纖維的直徑選擇， 須從性價(jià)比來考慮[36].

纖維長短也是一個(gè)影響混凝土性能的重要參數(shù). 直徑與摻量相同時(shí)， 短纖維的根數(shù)多于長纖維， 更能抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展， 提高混凝土初裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度. 長鋼纖維在開裂斷面上， 錨固長度長， 與基體結(jié)合作用強(qiáng)， 更能抑制宏觀裂縫的發(fā)展， 提高抗拉極限強(qiáng)度和韌性[37].

纖維長徑比綜合考慮了直徑、 長度， 是影響UHPFRC性能的重要參數(shù). 抗壓方面， 文獻(xiàn)[3]研究分別單摻2%長度 1、 12 mm 圓直纖維(長徑比分別50、 75)， 強(qiáng)度分別為148.7、 188.5 MPa. 文獻(xiàn)[38]研究長度3、 12 mm 圓直纖維(長徑比為15、 75)， 發(fā)現(xiàn)摻長徑比75的纖維材料強(qiáng)度更高. 文獻(xiàn)[37]研究分別單摻2.5%、 2.0%長度分別為6、 13 mm的纖維(長徑比分別為37.5、 81.25)， 發(fā)現(xiàn)單摻2.5%、 2.0%的長徑比81.25 纖維材料的強(qiáng)度比長徑比37.5的分別提高2.6%、 7.2%. 以上說明隨長徑比增大， 其強(qiáng)度遞增. 而文獻(xiàn)[39]研究長度13.0、 19.5、 30.0 mm圓直纖維(長徑比分別為65.0、 97.5、 100.0)， 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 強(qiáng)度隨著長徑比增大， 從 211.8 MPa下降到209.7 MPa； 文獻(xiàn)[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為65、 80、 100)， 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 隨長徑比增大， 強(qiáng)度遞減. 結(jié)論矛盾， 是因?yàn)闆]有分析得出長徑比對抗壓強(qiáng)度提高的最佳值. 文獻(xiàn)[41]研究長度13.0、 16.3、 19.5 mm圓直纖維(長徑比分別為65、 81.5、 97.5)， 發(fā)現(xiàn)單摻1.6%纖維強(qiáng)度分別為201.8、 204.5、 197.3 MPa， 強(qiáng)度在長徑比81.5取得最佳值.

抗拉方面， 有學(xué)者研究單摻2%長度1、 12 mm圓直纖維(長徑比分別為50、 75)， 劈裂強(qiáng)度分別為7.8、 12.6 MPa[3]. 文獻(xiàn)[37]研究分別單摻2.5%、 2%長度6、 13 mm 纖維(長徑比分別為37.5、 81.25)， 發(fā)現(xiàn)單摻2.5%、 2.0%長徑比81.25纖維材料的劈裂強(qiáng)度比長徑比37.5的分別提高17.8%、 25.6%. 這說明隨長徑比增大， 劈裂強(qiáng)度遞增.文獻(xiàn)[42]研究了長度13、 25 mm弓形纖維(長徑比為65、 125)， 發(fā)現(xiàn)同摻量下長徑比125的材料抗折強(qiáng)度比長徑比65強(qiáng). 文獻(xiàn)[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為65、 80、 100)， 也發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 隨長徑比增大， 抗折強(qiáng)度遞增； 文獻(xiàn)[41， 43-44]研究長度13.0、 16.3、 19.5、 30.0 mm圓直纖維(長徑比分別為 65.0、 81.5、 97.5、 100.0)， 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 隨長徑比增大， 抗折強(qiáng)度先遞增后遞減， 最佳長徑比為97.5.

綜上， 長徑比對UHPFRC強(qiáng)度增強(qiáng)存在一個(gè)最佳值. 原因可能是同體積摻量， 較小長徑比的纖維數(shù)量較多、 長度較小， 較大長徑比的纖維長度較大、 數(shù)量較少. 在材料單位體積內(nèi)纖維數(shù)量、 長度越大， 對微裂縫控制越強(qiáng)， UHPFRC強(qiáng)度越高. 所以纖維對強(qiáng)度的提高存在一個(gè)最佳長徑比， 其值與基體、 纖維摻量、 纖維形狀的關(guān)系須進(jìn)一步探究.

圖1 纖維在澆筑過程的分布取向[45] Fig.1 Distribution orientation of fiber during casting process[45]

隨纖維長徑比的增大， 流動(dòng)性遞減. 澆筑過程中， 亂向分布的纖維取向， 除了靠近模具邊壁產(chǎn)生的邊壁效應(yīng)(取向平行邊壁)， 其他位置趨于垂直于流動(dòng)方向. 尤其在邊壁之間的中間位置， 會(huì)產(chǎn)生最大抵抗力， 降低流動(dòng)度[33]. 如圖1所示, 纖維長徑比越大， 纖維越細(xì)長， 或者纖維端部形狀越曲折， 取向更易趨于垂直流動(dòng)方向. 文獻(xiàn)[3]研究單摻5%長度1、 12 mm圓直纖維(長徑比分別為50、 75)， 坍落度分別為95、 65 mm. 文獻(xiàn)[30]研究長度7、 13、 20 mm圓直纖維(長徑比分別為35、 65、 50)對流動(dòng)性影響， 發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 長徑比65纖維材料流動(dòng)性總是最小， 長徑比35纖維材料流動(dòng)性總是最大. 文獻(xiàn)[40]研究了長度13、 16、 20 mm弓形纖維(長徑比分別為 65、 80、 100)， 也發(fā)現(xiàn)單摻定量纖維， 隨長徑比增大， 流動(dòng)性遞減.

纖維規(guī)格(形狀、 長度、 直徑、 長徑比)對UHPFRC性能有很大影響. 目前研究以試驗(yàn)觀察為主， 缺乏有限元等模擬分析探究， 對于細(xì)觀作用機(jī)理研究極少. 纖維來源無論是在實(shí)驗(yàn)中還是在工程應(yīng)用中， 均以被動(dòng)地接受市場成品為主. 今后， 應(yīng)加強(qiáng)作用機(jī)理研究， 為纖維主動(dòng)設(shè)計(jì)(含纖維規(guī)格的設(shè)計(jì)、 根據(jù)性能要求對UHPFRC中纖維規(guī)格選用與摻量確定) 打下基礎(chǔ).

2 其他纖維

2.1 碳纖維

碳纖維是一種含碳量90%以上的纖維狀材料， 可以克服無鋼纖維容易生銹和玻璃纖維致癌等缺點(diǎn)， 并提高UHPFRC的抗拉強(qiáng)度、 抗裂性能、 抗疲勞性能等. 隨著碳纖維摻入, 基體抗壓、 抗折強(qiáng)度有所提高， 摻量1%時(shí)， 抗折、 抗壓強(qiáng)度相比不摻纖維UHPC高出22.3%、 7.8%， 壓折比提高了11.4%. 同時(shí)， 隨摻量增加抗壓強(qiáng)度先遞增后遞減， 臨界值約在1.5%. 相比鋼纖維， 其對混凝土強(qiáng)度和韌性的提高較弱， 脆性改善效果不佳， 但對早期阻裂效果較強(qiáng)[46-47]. 養(yǎng)護(hù)制度對碳纖維UHPFRC強(qiáng)度有不同的影響， 其中熱養(yǎng)護(hù)可以顯著提高其力學(xué)強(qiáng)度， 蒸汽養(yǎng)護(hù)后材料后期強(qiáng)度存在倒縮現(xiàn)象[47]. 碳纖維表面吸水嚴(yán)重， 加入基體內(nèi)會(huì)使流動(dòng)性大幅度降低. 采用先加干料后加水的制備方式可以有所緩解， 建議工程上纖維摻量不超 1%[48]. 碳纖維也可以碳纖維層形式包裹在構(gòu)件表面提高強(qiáng)度和剛度[49].

2.2 玻璃纖維

玻璃纖維抗拉強(qiáng)度大， 對基體強(qiáng)度和韌性有一定的提高. 文獻(xiàn)[50]發(fā)現(xiàn)摻量2.5%時(shí)抗折、 抗壓強(qiáng)度達(dá)到20、 170 MPa, 但摻量過大或者攪拌過程出現(xiàn)結(jié)團(tuán)， 會(huì)對強(qiáng)度造成不利影響. 玻璃纖維彈模小于鋼纖維， 對混凝土強(qiáng)度提高相對較弱. 相對于玄武巖、 聚乙烯和聚丙烯纖維， 同長徑比、 摻量的玻璃纖維UHPFRC干燥收縮較小， 抗壓、 彎曲強(qiáng)度較大[51]. 但玻璃纖維有一定的致癌作用， 人體接觸后易受傷， 在工程上很少應(yīng)用.

2.3 玄武巖纖維

玄武巖纖維具有高抗拉強(qiáng)度、 高彈模、 耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)， 其極限抗拉強(qiáng)度為4 800 MPa， 遠(yuǎn)大于鋼纖維強(qiáng)度. 其與混凝土攪拌時(shí)易分散， 施工性能好， 對抗壓、 抗折強(qiáng)度有一定提高. 文獻(xiàn)[52]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維含量為3 kg·m-3時(shí), 抗壓、 抗折強(qiáng)度提高最大. 此時(shí), 對比長度分別為6、 12、 25 mm的纖維可知： 長度12 mm的纖維在抗壓、 抗折強(qiáng)度上相比不摻纖維UHPC分別提高約34.6%、 27.2%， 比其他兩種長度纖維改善效果更佳. 說明玄武巖纖維的長度等纖維參數(shù)會(huì)影響其在基體中作用. 玄武巖纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度較弱， 限制了其對混凝土性能的改善作用， 極少在實(shí)際工程中應(yīng)用[52]. 因此， 提高其與基體之間粘結(jié)強(qiáng)度， 是今后研究重點(diǎn).

2.4 有機(jī)纖維

有機(jī)纖維一般是低彈模纖維， 主要用于提高韌性， 對強(qiáng)度提高效果不大. 主要是通過提高混凝土初裂時(shí)撓度來提高韌性， 其長度不宜過長， 否則容易結(jié)團(tuán)， 造成混凝土內(nèi)部空隙增大， 降低強(qiáng)度. 有機(jī)纖維種類有很多， 在工程上常用的有聚乙烯醇纖維(PVA)、 聚乙烯(PE)、 聚丙烯(PP)等.

PVA是一種合成纖維， 與基體粘結(jié)強(qiáng)度很高， 一定程度上可控制混凝土早期塑性裂縫， 并且提高其韌性和抗沖擊性能. 該纖維自重小、 價(jià)格低廉， 對混凝土抗裂性能提高顯著， 但是對28 d之前的抗壓有所降低. 另外， 該纖維的摻入會(huì)降低流動(dòng)性, 摻量增加， 下降幅度越大, 在工程應(yīng)用中建議最佳摻量為0.1%[2].

聚丙烯纖維摻量適當(dāng)時(shí)可提高UHPFRC抗拉強(qiáng)度和抗裂能力， 并且有效提高斷裂能. 纖維摻量0.15%時(shí)材料韌性達(dá)到最大， 繼續(xù)增加反而下降[53]. 該纖維長度以不大于19 mm為佳， 否則分散困難， 其最適合摻量是0.2%， 同樣其會(huì)降低工作性能， 但能顯著提高延性[54]. 然而， 文獻(xiàn)[55]認(rèn)為該纖維不會(huì)提高強(qiáng)度， 如果攪拌不均甚至還會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度下降. 文獻(xiàn)[56]發(fā)現(xiàn)UHPFRC中摻入該纖維無法有效提高結(jié)構(gòu)的耐火性能. 此外， 聚乙烯纖維能顯著提高力學(xué)強(qiáng)度以及韌性. 摻量2%時(shí)， 抗折、 抗壓強(qiáng)度分別為28、 157 MPa， 相比不摻纖維基體分別提高47.3%、 28.1%[57].

有關(guān)UHPFRC 中有機(jī)纖維作用的研究還不多， 有些結(jié)論相互矛盾， 須開展進(jìn)一步研究.

3 纖維混雜

3.1 不同規(guī)格鋼纖維混雜

3.1.1不同長度圓直形鋼纖維混雜

圓直形是工程上最常用的鋼纖維， 其長度有多種， 從1 mm到70 mm都有. 將不同長度的圓直形纖維進(jìn)行混雜， 已開展了一定的研究. 長度16 mm和長度19 mm 的鋼纖維混摻時(shí)， 總摻量不超2%， UHPFRC抗裂、 抗折強(qiáng)度比單摻纖維強(qiáng)[58]. 混雜2%長度6 mm和1%長度13 mm 鋼纖維， 抗壓強(qiáng)度(156.1 MPa)比單摻最大值(單摻2%長度6 mm 抗壓145.8 MPa、 單摻1%長度13 mm 抗壓136.9 MPa)高7%. 混雜1%長度6 mm和2%長度13 mm 纖維， 抗壓強(qiáng)度比單摻2%長度13 mm纖維低8.7%[59]. 這說明不同混雜比例產(chǎn)生不同混雜結(jié)果， 以上兩種混雜抗壓強(qiáng)度均比單摻3%長度6 mm(161.8 MPa)低. 從纖維總量不變分析， 這兩種混雜產(chǎn)生的都是負(fù)混雜效應(yīng). 纖維總摻量3%， 混雜1%長度1 mm、 直徑0.02 mm 圓直纖維和2%長度12 mm、 直徑0.16 mm 圓直纖維， 抗壓強(qiáng)度達(dá)到正效應(yīng)峰值253.2 MPa， 較單摻3%長度12 mm 纖維增加10.96%[3]. 保持鋼纖維 2%摻量不變， 混雜以上兩種纖維， 發(fā)現(xiàn)混雜1.5%長度13 mm和0.5%長度6 mm， 抗壓達(dá)到最大值141.5 MPa， 比單摻2%長度13 mm纖維高1.6%[45]. 而文獻(xiàn)[33]發(fā)現(xiàn)其值高出6.9 %[33]， 數(shù)值不等可能是所采用的基體材料和配比不同.

通過對長度分別為13.0、 19.5、 30.0 mm 鋼纖維進(jìn)行兩兩混雜. 發(fā)現(xiàn)30.0 mm 和 19.5 mm 混雜有提高抗折強(qiáng)度的作用， 其他組合反而降低. 長、 短鋼纖維混雜發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)， 如圖2所示， 不僅與混雜比例有關(guān)系， 也與纖維長度相關(guān)[60]. 不同直徑的混雜研究較少見.

混雜纖維流動(dòng)性需要考慮長短纖維之間相互作用， 長纖維相對短纖維等同于“邊壁”， 導(dǎo)致長纖維附近的短纖維趨于與長纖維平行. 其整體提高了邊壁效應(yīng)， 流動(dòng)性比單摻纖維大， 呈現(xiàn)正混雜效應(yīng)， 如圖3所示. 保持2%摻量， 發(fā)現(xiàn)混雜0.5%長度13 mm纖維(直徑 0.2 mm)和1.5%長度6 mm纖維(直徑 0.16 mm)， 流動(dòng)性達(dá)到正效應(yīng)峰值， 比單摻2% 長度13 mm纖維高 4.2%[45]. 文獻(xiàn)[33]研究發(fā)現(xiàn)混雜纖維正效應(yīng)峰值243 mm， 較單摻高 6.6%， 不同值原因是UHPFRC材料、 配合比不同.

圖2 長短纖維混雜優(yōu)勢互補(bǔ)現(xiàn)象[61]Fig.2 Complementary advantages of long and short fibers[61]

圖3 混雜纖維澆筑過程中發(fā)生的邊壁效應(yīng)[45]Fig.3 Sidewall effect in the casting process of hybrid fiber[45]

3.1.2不同形狀纖維混雜

不同形狀鋼纖維混雜時(shí)， 常以圓直形為基本纖維， 將其與其他異形纖維混雜. 圓直形以短纖維為主， 異形以長纖維為主. 端鉤形對韌性提高優(yōu)越， 很多學(xué)者將長端鉤形與短圓直形纖維進(jìn)行混雜. 文獻(xiàn)[62]中采取適當(dāng)混雜比例， 可以有效提高強(qiáng)度、 韌性. 其中短圓直形主要提高抗壓強(qiáng)度， 長端鉤鋼形主要提高抗拉強(qiáng)度、 韌性， 二者結(jié)合體現(xiàn)協(xié)同效應(yīng). 文獻(xiàn)[63]進(jìn)行了纖維總摻量為2%的不同摻量組合實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)1.5%圓直形(長度19 mm)和0.5%端鉤形(長度35 mm)混摻效果最佳， 其抗折、 抗壓強(qiáng)度僅比單摻2%圓直形低4.9%、 10.3%， 但韌性得到提高. 纖維總量不變， 混雜后某材料性能沒有像正混雜效應(yīng)出現(xiàn)高于單摻最大值， 也沒有像負(fù)混雜效應(yīng)出現(xiàn)低于單摻最小值， 而是介于單摻之間， 稱為零混雜效應(yīng). 這是不同纖維之間沒有發(fā)生混雜作用的結(jié)果， 既沒有纖維之間的協(xié)同作用， 也沒有纖維之間互斥作用. 實(shí)際應(yīng)用中可以在混雜比例中找到平衡點(diǎn)， 使UHPFRC在一定程度上具有不同纖維的改善優(yōu)點(diǎn). 文獻(xiàn)[63]混雜在抗壓、 抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)零效應(yīng)， 說明長短纖維長度須相差一定數(shù)值， 才能發(fā)揮優(yōu)勢互補(bǔ)作用.

文獻(xiàn)[64]研究短圓直形(長度 13 mm)和長端鉤形(長度 30 mm)混雜， 發(fā)現(xiàn)總摻量2%不變， 流動(dòng)性呈現(xiàn)零混雜效應(yīng). 隨長纖維數(shù)量提高， 擴(kuò)展度從510 mm(單摻2%短纖維)遞增到566 mm(0.5%短+1.5%長)， 強(qiáng)度呈現(xiàn)正混雜效應(yīng). 抗壓強(qiáng)度在0.5%長+1.5%短取得最大值， 比單摻最大值高14.2%. 抗拉強(qiáng)度在0.75%長+1.25%短取得峰值， 比單摻最大值高6.9%. 這說明混雜效應(yīng)在不同材料性能上有多面性， 之間是否存在聯(lián)系須進(jìn)一步探究. 端鉤形和圓直形纖維混雜效應(yīng)還受到纖維長度的影響， 目前只能通過實(shí)驗(yàn)探究， 理論尚未突破. 文獻(xiàn)[65]在保持2%摻量， 混雜長度13 mm圓直和長度30 mm、 直徑0.7 mm弓形纖維， 發(fā)現(xiàn)抗壓、 抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)零混雜效應(yīng)， 雖然長度和文獻(xiàn)[64]相同， 混雜中相同摻量(質(zhì)量)情況下長度30 mm纖維數(shù)量比較少， 限制宏觀裂縫較弱. 這表明長短纖維優(yōu)勢互補(bǔ)不僅需要在長度上滿足一定相對差值， 混雜的纖維直徑不宜過大.

文獻(xiàn)[66]采用短圓直形(長13 mm)和長波紋形(長31 mm)進(jìn)行混雜， 纖維摻量3%不變， 隨波紋形比例的提高， 流動(dòng)性下降， 從230 mm(3%短纖維)降到150 mm(3%長纖維). 兩種纖維等比例混摻， UHPFRC抗壓、 抗拉最強(qiáng)， 比單摻中最大值分別高16%、 25%. 說明短圓直形和長異形纖維在適當(dāng)混雜比例情況下， 可能得到優(yōu)越效果的正混雜效應(yīng). 目前多數(shù)鋼纖維混雜試驗(yàn)都是不同尺寸圓直形混雜、 圓直形和異形混雜， 缺乏異形纖維之間混雜探究.

3.2 其他纖維與鋼纖維混雜

3.2.1有機(jī)纖維與鋼纖維混雜

鋼纖維彈性模量高， 有機(jī)纖維一般彈性模量較低. 前者屬于主要提高強(qiáng)度的剛性纖維， 后者多數(shù)屬于主要提高延性的柔性纖維， 二者混雜目的在于同時(shí)提高混凝土強(qiáng)度和韌性. 目前鋼纖維的混雜， 以短直圓形纖維為主.

有學(xué)者把聚丙烯、 鋼纖維進(jìn)行混雜， 發(fā)現(xiàn)混雜0.5%鋼纖維和0.15%聚丙烯纖維顯著提高了UHPFRC的抗高溫爆裂性能. 原因是聚丙烯纖維熔點(diǎn)低， 高溫后熔化形成孔隙能提高高溫抗爆性[67-68]. 其與長度30 mm的波紋形鋼纖維混雜， 纖維的最佳長度19 mm， 在力學(xué)性能上， 混雜2%鋼纖維和0.1%聚丙烯纖維力學(xué)性能優(yōu)越， 抗壓、 抗折強(qiáng)度分別達(dá)到138.13、 37.19 MPa， 壓折比低， 韌性強(qiáng)[69]. 文獻(xiàn)[70]發(fā)現(xiàn)以3%摻量的鋼纖維和0.5%摻量的聚丙烯纖維混雜， 抗壓最大， 比單摻3%鋼纖維時(shí)約高10.56%. 鋼纖維和聚丙烯纖維最佳混雜比例、 摻量存在異議， 須進(jìn)一步探究.

文獻(xiàn)[71]研究鋼、 聚乙烯混雜， 保持2%總量， 在抗壓、 抗拉強(qiáng)度、 流動(dòng)性均呈現(xiàn)零混雜效應(yīng). 鋼纖維對流動(dòng)性影響較小， 抗壓強(qiáng)度提高較大， 聚乙烯對抗拉強(qiáng)度提高較強(qiáng).

在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中， 文獻(xiàn)[72]發(fā)現(xiàn)溫度對鋼、 PVA纖維混雜有影響. 常溫二者混雜在動(dòng)態(tài)抗壓和韌性均產(chǎn)生負(fù)混雜效應(yīng). 文獻(xiàn)[73]研究結(jié)果與此相反， 呈正混雜效應(yīng)， 存在歧義需要進(jìn)一步研究. 該文認(rèn)為高溫過火后， 混雜材料出現(xiàn)塑性強(qiáng)化現(xiàn)象， 產(chǎn)生正混雜效應(yīng)， 最佳摻量為2%鋼纖維+0.1% PVA纖維. 在靜態(tài)試驗(yàn)中， 文獻(xiàn)[74]給出了PVA纖維摻量大于0.25%時(shí)流動(dòng)度明顯下降， 適當(dāng)混雜比例可以提高抗折強(qiáng)度、 韌性及其耐高溫性的結(jié)論. 文獻(xiàn)[75]認(rèn)為總摻量2%， 混雜二者有正混雜效應(yīng)， 摻1%鋼纖維+1% PVA 纖維材料彎曲韌性最大. 文獻(xiàn)[7]則認(rèn)為摻1.5%鋼纖維+0.5PVA 纖維材料彎曲韌性最大， 比單摻鋼纖維分別提高10、 15%， 收縮減少40%， 不同最佳摻量可能和不同基體有關(guān). 文獻(xiàn)[76]分別將PVA纖維、 聚丙烯混入鋼纖維UHPFRC中， 相比單摻2%鋼纖維， 抗壓強(qiáng)度分別提高 5.4%、 10.6%， 抗折強(qiáng)度分別提高10.2%、 19.2%這說明鋼纖維和聚丙烯混雜效果較好. 鋼纖維與各種有機(jī)纖維的混雜可能結(jié)合高強(qiáng)度、 高延性纖維各自優(yōu)點(diǎn)， 其混雜將是未來研究熱點(diǎn).

3.2.2無機(jī)纖維與鋼纖維混雜

玻璃纖維、 玄武巖纖維、 碳纖維也具有較高彈模. 對混雜玻璃、 鋼纖維的研究發(fā)現(xiàn)摻入玻璃纖維會(huì)降低混凝土的流動(dòng)性， 但對早期阻裂效果優(yōu)于單摻. 文獻(xiàn)[77]發(fā)現(xiàn)當(dāng)混雜0.4% 玻璃纖維和1.5%鋼纖維時(shí)UHPFRC性能得到很大提高， 抗壓強(qiáng)度達(dá)到較大值131.16 MPa， 抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值34.69 MPa， 得到正混雜效應(yīng). 玻璃、 鋼纖維最佳混雜比例須進(jìn)一步探究.

文獻(xiàn)[78]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)混雜玄武巖、 鋼纖維可以提高UHPFRC性能. 文獻(xiàn)[70]發(fā)現(xiàn)以3%摻量的鋼纖維和1%摻量的玄武巖纖維混雜， UHPFRC抗侵徹性能最優(yōu). 由于玄武巖纖維與基體粘結(jié)強(qiáng)度較弱， 和鋼纖維混雜易在基體中產(chǎn)生孔洞， 故很少研究其與鋼纖維混雜的意義.

碳、 鋼纖維混雜目前很少在基體中直接摻入纖維混雜， 而是采取碳纖維層形式包裹在構(gòu)件表面提高摻有鋼纖維UHPFRC的強(qiáng)度剛度[49]. 碳纖維是否適合和鋼纖維混雜須進(jìn)一步探究.

3.3 混雜效應(yīng)

圖4 材料性能隨混雜比率變化規(guī)律Fig.4 Variation of material properties with hybrid ratio

在研究UHPFRC中混雜纖維時(shí)， 若各實(shí)驗(yàn)組的纖維總摻量沒有保持統(tǒng)一， 則實(shí)驗(yàn)結(jié)果受纖維混雜、 摻量變化的共同作用無法單獨(dú)分析混雜效應(yīng)的影響. 鑒于此， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)保持總摻量不變， 才能單獨(dú)分析混雜效應(yīng)因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響. 總結(jié)文獻(xiàn)[58-78]中的纖維混雜研究， 可知混雜效應(yīng)有正、 零、 負(fù)效應(yīng)， 取決于混雜纖維種類、 UHPC基體. 而混雜效應(yīng)是否受纖維總摻量影響須進(jìn)一步探究. 纖維混雜比例不決定效應(yīng)類型， 材料性能在三種效應(yīng)隨兩種纖維混雜比率(纖維總量保持不變， 混摻另一種纖維占總量的比率)變化規(guī)律如圖4所示， 而能否用函數(shù)關(guān)系模擬二者關(guān)系須進(jìn)一步探究.

綜上所述， 目前纖維混雜研究多以實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行， 缺乏混雜作用機(jī)理的理論研究， 以至于實(shí)際工程中極少應(yīng)用； 現(xiàn)有的研究， 混雜數(shù)量以兩種為主， 三種及以上研究較少； 混雜種類集中在不同鋼纖維、 鋼纖維和其他材質(zhì)纖維混雜上， 缺乏是否能夠通過其他不同材質(zhì)纖維混雜替代 UHPFRC 中鋼纖維作用的探究， 還缺乏混雜效應(yīng)對不同基體影響的研究.

4 結(jié)語

1) 鋼纖維彈模大、 抗拉強(qiáng)度高， 是UHPFRC中最常用的纖維. 適當(dāng)摻量對UHPFRC抗壓強(qiáng)度、 抗裂性能、 抗拉強(qiáng)度、 韌性等均有不同的提高作用. 也會(huì)影響拌合物工作性能， 摻量達(dá)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)對強(qiáng)度韌性等材料性能提高不大， 甚至降低. 這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在工程上具有重要的意義， 影響的因素也較多， 是一個(gè)值得研究的問題. 對于抗拉， 如何同時(shí)提高抗裂性能與抗拉強(qiáng)度， 是研究的難點(diǎn)也是重點(diǎn).

2) 鋼纖維規(guī)格(形狀、 直徑、 長度等)對UHPFRC的增強(qiáng)增韌效果有很大影響. 隨長徑比增大， 抗壓、 抗拉性能遞增， 也存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)， 最佳長徑比的研究有重要意義. 同時(shí)， 隨長徑比提高， 流動(dòng)性遞減. 現(xiàn)有的研究以實(shí)驗(yàn)觀察為主， 今后， 應(yīng)加強(qiáng)作用機(jī)理研究， 為纖維規(guī)格的主動(dòng)設(shè)計(jì)以及根據(jù)性能要求選用纖維規(guī)格和摻量設(shè)計(jì)， 打下理論基礎(chǔ).

3) 無機(jī)纖維(比如玻璃纖維、 碳纖維、 玄武巖纖維)和有機(jī)纖維(如聚乙烯纖維、 聚丙烯纖維等)在UHPFRC中的作用不盡相同， 進(jìn)一步的研究是必要的， 以適應(yīng)不同工程對不同性能要求， 并為混摻研究提供基礎(chǔ).

4) 圓直形鋼纖維不同長度的混雜、 不同種類鋼纖維混雜、 鋼纖維與其他纖維的兩兩混雜均有了相當(dāng)?shù)难芯砍晒? 混雜有正、 零、 負(fù)效應(yīng)， 取決于混雜纖維種類、 UHPC基體， 混雜效應(yīng)隨兩種纖維混雜比率具有一定變化規(guī)律. 然而， 目前的研究多以實(shí)驗(yàn)為主， 缺乏有限元等模擬分析研究， 缺乏混雜時(shí)不同纖維協(xié)同作用機(jī)理的理論研究. 混雜種類以兩種為主， 三種及以上研究較少.