纖維混凝土力學(xué)性能研究

錢萍萍

（南京工業(yè)大學(xué)浦江學(xué)院，江蘇 南京 211222）

0 引言

由于成本低、可澆筑性能好、能適應(yīng)不同功能要求等特征，混凝土復(fù)合材料在土木工程和建筑項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。但素混凝土的主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度較低，抗裂性能較差。纖維添加到混凝土中，以彌補(bǔ)其脆性和抗拉能力的不足，由此產(chǎn)生了纖維增強(qiáng)混凝土（FRC）。由于材料、尺寸、形狀的多樣性，發(fā)展出多種多樣的纖維增強(qiáng)材料。

纖維一般由鋼、玻璃、玄武巖和纖維制成。這些纖維可以降低新拌混凝土和硬化混凝土的收縮，提高混凝土的抗沖擊、抗疲勞和剛度等力學(xué)性能。通過(guò)整合一個(gè)連貫的纖維網(wǎng)絡(luò)，這些纖維可以帶來(lái)長(zhǎng)期的耐久性，改善結(jié)構(gòu)特性，控制混凝土結(jié)構(gòu)中的次生裂縫或溫度裂縫。這種性能取決于許多因素，包括長(zhǎng)徑比（纖維長(zhǎng)度/當(dāng)量直徑）、纖維的體積百分比以及它們的物理和機(jī)械性能。在過(guò)去的20 年里，纖維混凝土建設(shè)在世界范圍內(nèi)變得越來(lái)越普遍。因此制定了許多技術(shù)指南，規(guī)定了混凝土、砂漿和灌漿中用于結(jié)構(gòu)或非結(jié)構(gòu)應(yīng)用的纖維的要求。有許多種類的纖維可供銷售各種材料、長(zhǎng)度和幾何形狀。本文總結(jié)了常見(jiàn)類型的纖維（有機(jī)合成纖維、玄武巖纖維、鋼纖維及混雜纖維）對(duì)混凝土性能的改善，以期為后續(xù)研究提供參考。

1 鋼纖維

Habel 等發(fā)現(xiàn)鋼纖維增強(qiáng)高性能混凝土具有良好的耐久性和較高的抗拉強(qiáng)度。Fujikake 等提出在活性粉末混凝土基體中加入2%的鋼纖維可以提高抗拉強(qiáng)度。Zhang 分析了鋼纖維對(duì)粗骨料高性能纖維混凝土抗彎韌性和斷裂力學(xué)性能的影響，指出鉤鋼纖維增強(qiáng)試樣具有較好的抗彎性能。隨后Sudarshan 指出，鋼纖維與水泥基體的粘結(jié)強(qiáng)度直接影響HPSFRC 的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度。Guo 等人提出高性能鋼纖維混凝土的動(dòng)態(tài)抗拉強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而增加。但鋼纖維的金屬性質(zhì)可能是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槠錆撛诘母g性和磁性。

2 有機(jī)合成纖維

有機(jī)合成纖維有效地改善了鋼纖維的耐腐蝕性問(wèn)題。人們對(duì)聚丙烯纖維作為混凝土結(jié)構(gòu)加固材料進(jìn)行大量研究。聚丙烯纖維因其增強(qiáng)的抗拉和抗彎強(qiáng)度、抗收縮開(kāi)裂性能、在混凝土中具有優(yōu)異的韌性以及低廉的成本而受到研究者的歡迎。聚丙烯纖維的加入顯著提高了含硅灰和粉煤灰的混凝土復(fù)合材料的耐久性，但對(duì)混凝土的和易性有不利影響。隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，混凝土的透水性、干縮變形和碳化深度均減小。大量的聚丙烯纖維均勻地分散在混凝土復(fù)合材料中，形成對(duì)骨料有支撐作用的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，可減少新拌混凝土的泌水和離析。

近年來(lái)，也有研究表明，再生塑料可用于生產(chǎn)廉價(jià)的集料和纖維，以增強(qiáng)建筑業(yè)的膠凝復(fù)合材料。已經(jīng)證明，回收的聚乙烯對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、尼龍、高密度聚乙烯或聚丙烯制成的纖維可以在各種工程應(yīng)用中有效替代原生塑料纖維。建筑業(yè)使用從廢棄瓶子、廢棄漁網(wǎng)、工業(yè)塑料廢料中獲得的再生塑料，這些廢料包括以增強(qiáng)纖維形式出現(xiàn)的廢料，以及用于環(huán)?；炷粱蛏皾{的聚合物顆粒。纖維或聚合物顆粒對(duì)塑料纖維或聚合物顆粒增強(qiáng)混凝土和砂漿的初裂強(qiáng)度和斷裂韌性有積極影響，這一點(diǎn)已形成共識(shí)。

近幾年的研究中，開(kāi)發(fā)出一種聚烯烴基纖維，這種聚烯烴纖維降低了材料的總成本，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。有關(guān)聚烯烴纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能表征及其工程應(yīng)用的研究已經(jīng)開(kāi)展。在纖維增強(qiáng)混凝土生產(chǎn)的最后階段添加纖維，混凝土的澆筑方法、模板幾何形狀和流變特性會(huì)影響纖維的位置和方向。這些參數(shù)已經(jīng)通過(guò)多種方法進(jìn)行研究，例如使用體視學(xué)工具、統(tǒng)計(jì)工具，甚至流變分析。處理這一問(wèn)題的大多數(shù)研究都計(jì)算了放置在鋸切表面或彎曲斷裂試驗(yàn)中產(chǎn)生的斷裂表面中的纖維數(shù)量。Krenchel 提出了一個(gè)將纖維的取向和分布耦合在一起的取向因子，在這種情況下可以進(jìn)行分析。

3 玄武巖纖維

玄武巖纖維通常不用于結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)用。它們來(lái)自玄武巖礦，與混凝土具有良好的相容性。與其他類型的纖維相比，玄武巖纖維的制造工藝具有能耗低的特點(diǎn)。玄武巖纖維的其他優(yōu)點(diǎn)，如價(jià)格低廉、彈性模量高、抗高溫和抗化學(xué)侵蝕性能好，使其有可能成為鋼筋混凝土復(fù)合材料中常用纖維的合適替代品。

短玄武巖纖維對(duì)混凝土性能影響的研究有限。Zieliń 和Olszewski 研究了水泥砂漿的性質(zhì)的玄武巖纖維。作為分析的結(jié)果，確定了砂漿中纖維的最佳用量。Li 和Xu 研究了玄武巖纖維增強(qiáng)地聚合物混凝土的沖擊性能。研究發(fā)現(xiàn)，加入玄武巖纖維可以有效地降低地聚合物混凝土的破壞，減輕變形，提高吸收能量的能力。然而，玄武巖纖維混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度并沒(méi)有提高。Fiore等研究表明玄武巖纖維對(duì)增強(qiáng)高性能混凝土也非常有用，可以提升其抗拉強(qiáng)度、抗沖擊和耐火性能、滲透性和抗凍性。

4 混雜纖維

當(dāng)兩種或兩種以上類型的纖維混合在一起澆筑混凝土，稱為混合纖維增強(qiáng)混凝土（HFRC）。混合不同類型纖維的決定可能基于混凝土性能的改善和/或基于經(jīng)濟(jì)方面。在鋼筋混凝土中進(jìn)行纖維雜交可以采用不同的方法，例如組合不同類型的材料、纖維的幾何形狀（形狀和/或尺寸）、模量和抗拉強(qiáng)度。在混凝土基體中加入兩種不同纖維類型的雜交的主要概念是，一種纖維類型的存在能夠更有效地利用另一種纖維類型的性能。大量文獻(xiàn)研究混雜纖維對(duì)不同類型混凝土力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、殘余抗彎強(qiáng)度、韌性、韌性指標(biāo)、裂縫擴(kuò)展、纖維橋接規(guī)律、斷裂能等）的影響。

纖維在混凝土中的重要作用之一是跨越裂縫，延緩裂縫的擴(kuò)展，提高裂縫后延性。眾所周知，混凝土的破壞是一個(gè)多尺度的過(guò)程，發(fā)生在微觀和宏觀尺度。對(duì)于單纖維混凝土來(lái)說(shuō)，由于單纖維只有一個(gè)尺寸和一種類型的纖維，這種鋼筋限制了裂縫在其尺度和有限的應(yīng)變范圍內(nèi)的擴(kuò)展，對(duì)其他尺度的裂縫橋接影響很小或沒(méi)有影響。

對(duì)于混合纖維而言，在纖維體積分?jǐn)?shù)相同的情況下，短而軟的纖維（微纖維）較細(xì)，其在混凝土中的微裂紋數(shù)量遠(yuǎn)高于長(zhǎng)硬纖維，因此可以更有效地控制微裂紋的萌生和擴(kuò)展。雖然微纖維表現(xiàn)出不明顯的拔起反應(yīng)，但它們可以提高宏觀纖維的拉拔響應(yīng)，從而制備出高強(qiáng)度、高韌性的復(fù)合材料。隨著微裂紋的擴(kuò)展和加入宏觀裂紋中，長(zhǎng)而硬的纖維（宏觀纖維）在裂縫橋接中變得更加活躍，因此能增強(qiáng)材料的延性和一定程度的抗拉強(qiáng)度。此外，通過(guò)橋接宏觀裂縫，減小宏觀裂縫的開(kāi)口，纖維對(duì)峰后撓曲軟化有明顯的影響。Yao 等對(duì)鋼、聚丙烯和碳纖維混雜作用下纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的研究表明，碳纖維混雜作用對(duì)提高強(qiáng)度和抗彎韌性最有利。值得注意的是，混合纖維（特別是塑性纖維）不僅能提高混凝土的斷裂性能，而且能提升混凝土的耐久性。事實(shí)上，塑料纖維具有良好的延性、細(xì)度和分散性，可以抑制裂紋，耐久性更強(qiáng)。

總之，適當(dāng)體積比的微觀和宏觀纖維，可以明顯改善混凝土的極限強(qiáng)度，應(yīng)變能力和開(kāi)裂后性能。Ganesan 等人指出，混合鋼和聚丙烯纖維的加入改善了許多力學(xué)性能，如混凝土的首次裂縫荷載、極限荷載和延性系數(shù)。值得注意的是，鋼纖維的主要優(yōu)點(diǎn)是與聚丙烯纖維相比具有較高的延展性。

5 存在問(wèn)題與展望

纖維對(duì)混凝土的改善主要出現(xiàn)在混凝土開(kāi)裂后。因此，這種開(kāi)裂后的性能已經(jīng)成為重要的參考指標(biāo)，為此進(jìn)行一系列試驗(yàn)以驗(yàn)證混凝土和纖維之間粘結(jié)性能的可靠性。如果試驗(yàn)結(jié)果與所需要求一致，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可以考慮纖維添加對(duì)水泥基復(fù)合材料的影響。因此，在鋼筋混凝土中減少傳統(tǒng)鋼筋的數(shù)量是可能的。現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型也正在考慮將纖維數(shù)量和位置作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。這些模型對(duì)未來(lái)設(shè)計(jì)有重要意義，但目前還需要實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。

現(xiàn)階段研究中，多種纖維的組合含量、混雜比等參數(shù)對(duì)纖維混凝土力學(xué)性能的準(zhǔn)確分析還未形成比較一致的意見(jiàn)，纖維混凝土的本構(gòu)關(guān)系、抗震性能等具體設(shè)計(jì)參數(shù)還存在很多不確定因素。進(jìn)一步擴(kuò)大纖維混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域，形成比較完備的設(shè)計(jì)規(guī)范，未來(lái)還有很多問(wèn)題等待我們解決。