纖維增強(qiáng)混凝土研究進(jìn)展與應(yīng)用

徐義華，王 恒

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 前 言

目前，混凝土材料以其原料易得、易筑模成型和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)而成為世界上最為廣泛使用的建筑材料之一，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，混凝土的抗拉強(qiáng)度低、變形量小、韌性不足等缺點(diǎn)顯現(xiàn)出來(lái)。研究人員進(jìn)行了各種纖維混凝土試驗(yàn)，研究出各種纖維與水泥基料組成的復(fù)合材料，利用纖維的優(yōu)點(diǎn)有效地提升了混凝土材料的力學(xué)性能[1]，并分別在各種大型工程中得到了廣泛的利用。

1 纖維增強(qiáng)混凝土研究現(xiàn)狀

1.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。鋼纖維混凝土的抗拉、抗彎和抗剪強(qiáng)度相較于普通混凝土得到了有效提高。張玉杰[2]、白敏[3]的研究結(jié)果表明隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，其劈裂抗拉強(qiáng)度有明顯提升效果，但抗壓強(qiáng)度的提升并不明顯。如當(dāng)鋼纖維體積參量為1.5%時(shí)，其28 d立方體抗壓強(qiáng)度增加了23.8%，劈裂抗拉強(qiáng)度提高78%。黃春文[4]研究發(fā)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算模型可有效預(yù)測(cè)鋼纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)。龐建勇等[5]則控制鋼纖維的摻入量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，將其摻入橡膠摻量為5%的混凝土中來(lái)提高混凝土力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)5%的橡膠摻量情況下，1.5%為鋼纖維的最優(yōu)摻量，抗拉、抗折強(qiáng)度分別提高了37.9%和32.8%，其中橡膠有效增強(qiáng)了混凝土的韌性。

1.2 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維作為一種高性能無(wú)機(jī)非金屬材料，具有極強(qiáng)的耐腐蝕性、抗彎、抗拉等優(yōu)質(zhì)性能，因此，將玻璃纖維加入混凝土后可有效改善混凝土的各方面性能。在玻璃纖維混凝土內(nèi)部，玻璃纖維與水泥砂漿粘結(jié)良好，形成有效的“纖維網(wǎng)絡(luò)”，提高了混凝土的韌性，阻止了裂縫的發(fā)展和新裂縫的出現(xiàn)。有效利用了廢舊玻璃，符合當(dāng)今社會(huì)綠色發(fā)展的要求，故在實(shí)際工程中有實(shí)際的應(yīng)用意義。葛輝等[6]通過(guò)試驗(yàn)表明玻璃纖維的摻入量增加和玻璃纖維密度增大，玻璃纖維混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度都逐漸增大，但增長(zhǎng)速率變小。孟云芳等[7]則針對(duì)混凝土的耐高溫性，通過(guò)正交試驗(yàn)并結(jié)合輔助膠凝材料硅灰、粉煤灰進(jìn)一步得出了玻璃纖維混凝土的優(yōu)選配合比水膠比為0.31，粉煤灰摻量10%，硅灰摻量1%，玻璃纖維摻量1%。摻入玻璃纖維和復(fù)合摻合料對(duì)混凝土起到抵抗高溫的作用，優(yōu)選配合比的組合比常態(tài)組合的耐高溫效果更加明顯。劉亞飛等[8]研究發(fā)現(xiàn)玻璃纖維摻量為2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度增幅最大，而混凝土彈性模量的降低程度最為明顯，而當(dāng)玻璃纖維摻量繼續(xù)增加時(shí)，對(duì)彈性模量的影響可忽略。故將玻璃纖維摻量控制在2%以內(nèi)，可保證混凝土基本強(qiáng)度和彈性模量的雙重效果。

1.3 聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維因其抗拉強(qiáng)度高、韌性高、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)被適量摻入混凝土中，有效提高了抗壓、抗裂性能。張悅[9]分別對(duì)摻量為0、0.6、0.9、1.2、1.5 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)與抗折試驗(yàn)，試驗(yàn)得出0.9 kg/m3摻量時(shí)混凝土抗壓抗折強(qiáng)度最大。羅洪林等[10]對(duì)直徑為450、31 μm聚丙烯纖維的不同長(zhǎng)徑比進(jìn)行混凝土性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強(qiáng)度相較于混凝土基體得到了明顯的提高，且提高量隨纖維長(zhǎng)徑比增大而先增大后減小。黃鑫等[11]利用正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于聚丙烯纖維混凝土抗壓、抗拉、抗折強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，纖維長(zhǎng)度的最佳取值在10～19 mm，且在此區(qū)間內(nèi)隨著纖維長(zhǎng)度的增加其力學(xué)性能也隨之增加。張慧莉等[12]通過(guò)改變礦渣和聚丙烯纖維的配比來(lái)測(cè)試其抗彎疲勞性能，試驗(yàn)得出礦渣和聚丙烯纖維的摻入均提高了累積抗疲勞強(qiáng)度。

1.4 玄武巖纖維混凝土

在混凝土中摻入玄武巖纖維，提高了混凝土的抗拉、抗沖擊、抗裂和抗?jié)B性能。李德超等[13]研究發(fā)現(xiàn)隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，玄武巖的最優(yōu)摻量為0.4%。于泳等[14]研究對(duì)于相同的體積摻量(0、0.4%、0.6%、0.8%)玄武巖纖維條件下，長(zhǎng)度為6 mm的短纖維比18 mm的長(zhǎng)纖維的對(duì)混凝土的抗沖擊性能有更好的改善作用。

2 纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)用

纖維增強(qiáng)混凝土現(xiàn)已廣泛適用于許多大型土木工程項(xiàng)目。鋼纖維混凝土廣泛應(yīng)用于道路、水利、橋梁和建筑等，但其用量大、價(jià)格高和無(wú)法應(yīng)對(duì)火災(zāi)情況等缺點(diǎn)而被限制發(fā)展應(yīng)用。工程實(shí)例有承受重量級(jí)工作制造工業(yè)廠房、廣州解放大橋以及江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程等工程中使用鋼纖維混凝土，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。玻璃纖維混凝土的抗彎曲、抗沖擊性能有明顯改善，適應(yīng)于道路、橋梁及邊坡工程中，符合當(dāng)今社會(huì)綠色發(fā)展的要求。工程實(shí)例有田集電廠立交橋箱頂、隧道噴射混凝土防護(hù)邊坡等。聚丙烯纖維混凝土廣泛應(yīng)用于橋梁、路面及隧道等實(shí)際工程領(lǐng)域。工程實(shí)例：江西省某橋梁實(shí)例、甘肅省調(diào)度通訊樓工程等。玄武巖纖維混凝土因其優(yōu)良的抗沖擊、抗?jié)B和抗凍融循環(huán)性能可應(yīng)用于道路、橋梁、深水碼頭和嚴(yán)寒地區(qū)等，但由于抗彎、抗剪性能不夠強(qiáng)，其不能廣泛應(yīng)用，多以短切和增強(qiáng)筋的形式摻入混凝土。工程實(shí)例：浙江永祥隧道修復(fù)加固工程等。

3 結(jié) 語(yǔ)

土木工程對(duì)材料性能的要求不斷變高，因此，纖維增強(qiáng)混凝土擁有十分廣闊的發(fā)展前景。但還存在一些問(wèn)題可以深入地研究：①纖維混凝土的研究大多數(shù)局限于單一因素的影響，但在實(shí)際工程中大多都是在多種環(huán)境因素影響的，因此，研究在多種因素影響下的纖維混凝土力學(xué)性能的變化是必不可少的，可運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法等來(lái)找出最佳方案；②高溫條件下，纖維混凝土的力學(xué)性能衰減及纖維增強(qiáng)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究；③缺少系統(tǒng)的纖維混凝土規(guī)范；④混雜纖維性能、新型高性能環(huán)保的纖維的探索和新的纖維的結(jié)構(gòu)形式可進(jìn)一步深入研究。

纖維混凝土作為一種新型建筑材料，憑借其在強(qiáng)度、韌性以及變形等各方面的優(yōu)勢(shì)，隨著科技的發(fā)展和研究的深入，將會(huì)在實(shí)際工程中有更廣闊的應(yīng)用前景。

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