纖維混凝土研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景*

王文明，喬恒煊＊，李向陽，李慧鵬

（1. 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)建筑科學(xué)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷加大，混凝土以其就地取材方便、價格低廉、易于成型、耐火性好和儲備量大等優(yōu)點依舊是應(yīng)用最廣泛的材料，被廣泛地應(yīng)用于橋梁、隧道、工業(yè)與民用建筑以及高速公路等建設(shè)中。但是由于混凝土自重大、抗拉強(qiáng)度低和韌性差等原因限制了其進(jìn)一步的發(fā)展與應(yīng)用，纖維混凝土應(yīng)運而生。纖維混凝土主要是在混凝土的基礎(chǔ)上加入非連續(xù)短纖維或者連續(xù)長纖維作為輔助材料來增加混凝土的韌性。纖維按照種類一般分為以下幾類：（1）金屬纖維，包括鋼纖維等；（2）無機(jī)纖維，主要指天然存在的或者人為制造的礦物纖維；（3）有機(jī)纖維，指人工合成纖維，主要包括聚丙烯纖維、聚乙烯纖維等；（4）植物纖維，通過植物的根莖加工而成的纖維，主要包括亞麻纖維、龍舌蘭等。纖維的加入能夠有效抑制混凝土裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高混凝土的抗裂性能和韌性，對抗壓性能也有一定的提高作用，纖維的加入在一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土的一些缺點，也在一定程度上提高了傳統(tǒng)混凝土的各方面性能，因此纖維混凝土的應(yīng)用越來越廣泛。本文主要分析了幾種纖維在混凝土中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)一步的發(fā)展趨勢。

1 纖維混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 鋼纖維

鋼纖維是典型的金屬纖維，近年來學(xué)者對鋼纖維混凝土有較多的研究，從小試塊到大構(gòu)件，從強(qiáng)度到耐久性等。霍琳穎[1]等對單軸受拉狀態(tài)下鋼纖維混凝土的二次峰值強(qiáng)度進(jìn)行了研究，在大量鋼纖維混凝土拉伸試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)了兩次峰值現(xiàn)象，并提出了鋼纖維混凝土峰值強(qiáng)度的三種可能情況，給出了鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度的計算公式。陳卓[2]等就射彈對鋼纖維混凝土的侵徹深度進(jìn)行了研究，通過引入韌度指標(biāo)，并運用相似理論和量綱分析法等相關(guān)方法，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)擬合出了鋼纖維混凝土侵徹深度的預(yù)測公式并采用有限元軟件進(jìn)行模擬，當(dāng)射彈速度在 273～813.5m/s 時公式有較高的吻合度?；荽鎇3]等研究了鋼纖維摻量對混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度和粘結(jié)滑移的影響，當(dāng)未摻入鋼纖維時拉拔試件發(fā)生的都是劈裂破壞，摻入鋼纖維時發(fā)生的則是劈裂拔出和拔出破壞，鋼纖維的加入可以明顯改善混凝土的性能。茍鴻翔[4]等研究了定向鋼纖維對對高性能混凝土的增強(qiáng)作用，通過將細(xì)短鋼纖維定向分布在水泥漿中來制備高性能混凝土，并且在不同體積摻量下對比分析了定向和亂向鋼纖維分布時混凝土的抗壓、抗折和彎曲抗拉強(qiáng)度，結(jié)果顯示，隨著鋼纖維摻量的增加，亂向分布鋼纖維抗壓強(qiáng)度先增大后減小；定向分布纖維抗壓強(qiáng)度持續(xù)在增大，抗折強(qiáng)度不斷在增大，并且定向分布鋼纖維比亂向分布鋼纖維各方面性能都有一定程度的提高。劉瑞琳[5]則對水電工程中鋼纖維混凝土的抗沖磨性能進(jìn)行了研究，通過研究不同纖維含量混凝土的抗沖磨特征，分析了沖磨試驗中鋼纖維混凝土質(zhì)量損失與沖磨次數(shù)和鋼纖維含量的關(guān)系，從而提出了影響混凝土力學(xué)性能的鋼纖維含量臨界值，得到了抗壓強(qiáng)度與鋼纖維摻量之間的關(guān)系。江晨暉[6]等對鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)進(jìn)行了研究，通過制作了 3 種配合比的鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試塊，著重分析了尺寸效應(yīng)對抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明不同尺寸和形狀的試件的抗壓強(qiáng)度存在著線性相關(guān)性，并且強(qiáng)度修正系數(shù)應(yīng)根據(jù)混凝土強(qiáng)度等級分段考慮。謝雨霏[7]等研究了鋼纖維摻量對混凝土力學(xué)性能的影響，表明抗壓強(qiáng)度隨鋼纖維摻量的增加增強(qiáng)效果不明顯，而抗拉強(qiáng)度則隨鋼纖維摻量的增加增強(qiáng)效果較為明顯。畢繼紅[8]等對單向受拉狀態(tài)下鋼纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究，考慮鋼纖維的增強(qiáng)作用提出了一個彌散開裂本構(gòu)模型，并通過有限元軟件數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比，驗證了本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步探究了鋼纖維混凝土相關(guān)參數(shù)對抗拉性能的影響。吳全強(qiáng)[9]等主要對鋼纖維混凝土的收縮性能進(jìn)行了研究，適量的纖維摻入能夠抑制干燥收縮，而過量的纖維摻入則會導(dǎo)致收縮性能下降。

1.2 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是一種人工合成的有機(jī)纖維，其在混凝土中的應(yīng)用十分廣泛，眾多學(xué)者也對其進(jìn)行了不同的相關(guān)內(nèi)容和程度的研究。黃小芬[10]通過干縮試驗和溫縮試驗研究了聚丙烯纖維對水泥穩(wěn)定建筑垃圾抗裂性能進(jìn)行了研究，隨著纖維的摻入水泥穩(wěn)定建筑垃圾的抗裂性能均有了不同程度的提高，干縮系數(shù)和平均溫縮系數(shù)均有所降低。金佳旭[11]等對聚丙烯纖維加筋鐵尾礦的宏觀和微觀特性進(jìn)行了研究與分析，通過抗壓、抗剪試驗以及 SEM 等方法對其進(jìn)行了研究，表明纖維是影響抗壓和抗剪強(qiáng)度的重要因素，纖維主要是對裂縫進(jìn)行橋接作用，從而達(dá)到提高強(qiáng)度的作用。姚艷芳[12]就聚丙烯纖維對再生混凝土力學(xué)性能和干縮率的影響進(jìn)行了研究，纖維的加入在降低混凝土的可加工性的同時還能有效提高抗壓強(qiáng)度，聚丙烯纖維的拔出性能可以有效增強(qiáng)聚丙烯纖維的斷裂韌性、降低動彈性模量、提高靜彈性模量，并且能夠有效抑制干縮應(yīng)變。李永彪[13]研究了聚丙烯纖維對高強(qiáng)泡沫混凝土抗凍性能的影響，隨著纖維的加入，泡沫混凝土的強(qiáng)度最高可提高四倍，并且隨著纖維長度的增加混凝土的抗壓強(qiáng)度在不斷提高。牛荻濤[14]等研究了聚丙烯纖維摻量對再生磚混凝土的力學(xué)性能影響，通過制備 8 種不同纖維摻量的再生磚混凝土進(jìn)行單因素試驗測定其力學(xué)性能，并建立應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程，隨著纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。郝贠洪[15]等對聚丙烯纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料在風(fēng)沙環(huán)境中的抗沖蝕性能進(jìn)行了研究，沖蝕率隨著沖蝕角度的增大而增大，在 90 度時出現(xiàn)了不同的峰值，結(jié)合沖蝕后的微觀形貌可以表明，適量的聚丙烯纖維摻入可以增加密實程度、增加韌性、提高抗沖蝕性能。劉曉仙[16]等研究下了在高溫下聚丙烯纖維對混凝土性能的影響，主要研究對高溫后劈拉強(qiáng)度的影響，采用紅外熱像儀來檢測試件斷面的紅外溫升，結(jié)果表明適當(dāng)聚丙烯纖維的加入可以有效抑制爆裂的發(fā)生。李福海[17]等對聚丙烯纖維混凝土梁變形性能進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了適用于短期荷載作用下梁的最大變形公式，并基于有效慣性矩法推導(dǎo)出變形修正模型。沈文峰[18]等對水泥砂漿在沖擊荷載作用下動態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了研究，試驗結(jié)果表明，纖維體積摻量在 1.25%時，水泥砂漿的動態(tài)抗壓強(qiáng)度、極限韌性最高，具有較好的抗沖擊性能。張廣泰[19]等對聚丙烯纖維混凝土梁受剪承載力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，混凝土裂縫間的纖維可延緩裂縫發(fā)展，減小斜裂縫傾斜角度，提高構(gòu)件受剪性能，且聚丙烯纖維混凝土梁較普通混凝土梁具有更好的承載能力、剛度和剪切延性。

1.3 亞麻纖維

亞麻纖維是一種稀有的天然纖維，僅占天然纖維總量的 1.5% 左右，主要用于航空用品和布制類產(chǎn)品，因此在混凝土中的應(yīng)用與研究還較為稀少。何偉堅[20]等簡述了亞麻纖維的特點及各種改性技術(shù)的應(yīng)用對其性能的影響，并對亞麻纖維在各領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了簡要地分析和總結(jié)，探討了亞麻纖維的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。張波[21]簡述了劍麻纖維、苧麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維等植物纖維在混凝土中的主要利用途徑及研究進(jìn)展以及對混凝土各種力學(xué)、耐久性能的影響。馬偉男[22]等簡述了亞麻纖維的性能與不足，并介紹了亞麻纖維在纖維增強(qiáng)混凝土及混凝土構(gòu)件外貼纖維復(fù)合材兩方面的應(yīng)用情況。夏媛媛[23]等對亞麻纖維復(fù)合材料約束混凝土圓柱的軸壓性能進(jìn)行了研究，并得到了約束后混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，利用已有的模型進(jìn)行計算，得到亞麻纖維在結(jié)構(gòu)約束方面的特點，結(jié)果表明雙向 FFRP 約束混凝土圓柱的破壞形式不同于單向纖維復(fù)合材料，應(yīng)力—應(yīng)變曲線表明 FFRP 約束混凝土結(jié)構(gòu)也具有不同的二階段特性。許頎[24]對亞麻纖維對混凝土梁受彎性能進(jìn)行了研究，表明摻亞麻纖維的梁荷載極限承載力與普通混凝土梁相比有不同程度的提高。李巖[25]等從植物纖維的微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及力學(xué)性能入手，針對植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能，綜述了國內(nèi)外采用植物纖維表面處理方法來提升復(fù)合材料力學(xué)性能的研究進(jìn)展，通過揭示植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料多層次、多尺度的界面力學(xué)損傷破壞機(jī)制，實現(xiàn)了植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面調(diào)控和力學(xué)高性能化。

1.4 聚乙烯纖維

聚乙烯纖維是另一種人工合成的有機(jī)纖維，目前主要用于安全防護(hù)、航空、航海、體育用品等領(lǐng)域，因此在混凝土中的應(yīng)用并沒有聚丙烯纖維那樣廣泛，但也有部分學(xué)者對其在混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。習(xí)海平[26]等對聚乙烯纖維對超高性能混凝土性能的影響進(jìn)行了研究，研究了長徑比和纖維摻量對混凝土性能的影響，得到了最佳的纖維摻量和不同養(yǎng)護(hù)方式對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。王義超[27]等研究了聚乙烯纖維作為增強(qiáng)材料來制備水泥基復(fù)合材料，通過直接拉伸、單軸抗壓及三點彎曲梁試驗研究了水泥基復(fù)合材料的基本力學(xué)性能，具有優(yōu)異的應(yīng)變硬化和多重裂縫開裂性能以及裂縫橋接性能。陳維燈[28]等研究了聚乙烯纖維對砂漿抗彎性能的影響，結(jié)果表明纖維的摻入可以大幅度提高聚合物改性砂漿的初裂應(yīng)變和強(qiáng)度應(yīng)變。黃政宇[29]等對聚乙烯纖維長徑比和體積摻量對高性能混凝土的性能影響進(jìn)行了研究，聚乙烯纖維能顯著地提高混凝土的抗折與抗壓強(qiáng)度以及韌性，并且能夠改變混凝土脆性破壞的形態(tài)，表現(xiàn)為多縫開裂，荷載－撓度全曲線表現(xiàn)為位移硬化。晏麓暉[30]等對聚乙烯纖維混凝土基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，通過立方體抗壓和抗拉試驗以及四點彎曲抗折試驗來對基本力學(xué)性能進(jìn)行研究，聚乙烯纖維能較大程度提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，且對混凝土有很好的阻裂和增韌效果。邊策[31]等對聚乙烯纖維混凝土的工作性能和耐久性進(jìn)行了研究，摻入聚乙烯纖維后，混凝土流動性降低，但均勻性、抗?jié)B性和抗沖磨性能提高較大，其中短纖維對性能改善最明顯。鄧宗才[32]等進(jìn)行了聚乙烯纖維布約束混凝土短柱軸壓性能的試驗，主要分析了短柱的破壞形態(tài)、承載力、應(yīng)力—應(yīng)變曲線和變形性能等，聚乙烯纖維布可顯著改善混凝土柱的變形性能。

2 纖維混凝土研究趨勢

單一纖維在混凝土中的研究已較為普遍與成熟，混雜纖維在混凝土中的研究還有待更多的研究，每種纖維都有自身的優(yōu)缺點，單一纖維的摻入目前雖然能夠起到增強(qiáng)混凝土性能的作用，但隨著社會的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對混凝土材料的性能要求會更高，單一纖維的摻入可能無法滿足人們對更高性能混凝土的要求。將兩種及以上的纖維混摻來進(jìn)行研究，以期得到性能更優(yōu)的混凝土材料或許將成為未來的一種研究趨勢，目前已有學(xué)者對纖維混摻進(jìn)行了部分研究，研究結(jié)果也達(dá)到了期望要求，在今后的時間里，對纖維混摻混凝土的相關(guān)性能研究會越來越多、越來越廣泛。

3 結(jié)論

從天然纖維亞麻纖維到人工合成的金屬纖維鋼纖維和有機(jī)纖維聚丙烯纖維等，纖維在混凝土中的研究應(yīng)用已十分廣泛，從試塊的基本力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度）到工作性能和耐久性方面的研究，再到構(gòu)件梁柱方面的研究，纖維的研究幾乎遍布混凝土方方面面。纖維的加入主要是起到增加混凝土韌性的作用，增加混凝土的延性，提高混凝土的性能，增強(qiáng)混凝土的承載力以及改變構(gòu)件的破壞狀態(tài)。尤其是纖維在高性能混凝土中的應(yīng)用，能有效提高高性能混凝土的性能，提高纖維混凝土的應(yīng)用廣度，逐步實現(xiàn)資源化利用，纖維混凝土具有很好的應(yīng)用前景。