纖維混凝土研究進展

王曉翠 吳凱 徐玲琳

[摘要] 混凝土是一種脆性材料，具有抗拉強度低、易開裂、變形性能差等弱點，而采用纖維增強混凝土是對混凝土進行改性的重要途徑。本文概述了現階段纖維混凝土的分類、研究和發展動態，并對纖維混凝土在實際應用過程中需注意的問題進行了總結。

[關鍵詞] 混凝土；纖維；分類；進展

[中圖分類號] TU528.527 [文獻標志碼] A[文章編號] 1003-1324（2012）-04-0071-04

混凝土是一種多相復合材料，由于各組成材料性質的差異和施工養護的影響，混凝土內部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強度，這也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。通過加入摻合料和化學外加劑實現混凝土的密實性和強度的提高，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，混凝土的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6%作用，仍存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點。隨著抗壓強度的提高，混凝土脆性表現得愈明顯[1]。而纖維具有抑制混凝土收縮、提高混凝土抗拉強度、增加混凝土韌性的作用，能夠解決高強高性能混凝土中出現的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題，也能適應現有施工水平和設備條件[2]。因此，纖維混凝土是當今混凝土技術發展的重要趨勢。

1 分類

1.1 鋼纖維混凝土

在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的混凝土，稱為鋼纖維混凝土或鋼纖維增強混凝土。與普通混凝土相比，其抗拉強度、抗彎強度、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高[3]。

早期混凝土工程中采用的鋼纖維主要品種有：用細鋼絲切斷生產的圓直型鋼纖維，用熔抽法生產的鋼纖維，用薄鋼板剪切生產的平直型或扭曲型鋼纖維。隨著混凝土應用技術的發展，人們對鋼纖維性能的認識不斷深入。根據試驗研究和工程應用實際情況，鋼絲切斷圓直型纖維與基體的粘結性能差，碳鋼熔抽型纖維在高溫冷卻過程中表面往往會形成氧化皮，從而嚴重降低了纖維與基體的粘結性能。因而這幾種類型的鋼纖維在工程中被逐漸淘汰。相應的高強鋼絲切斷端鉤型纖維、鋼錠銑削端鉤型纖維、剪切異型纖維、低合金鋼熔抽型纖維，因其增強了與混凝土基體的粘結力，對混凝土的阻裂、增強、增韌的效果顯著，在工程中逐漸得以廣泛應用。

1.2 碳纖維混凝土

碳纖維混凝土是將碳纖維均勻地分散在水泥基體中，用以增加混凝土的物理力學性能的一種復合材料。碳纖維混凝土的主要特征具有普通增強型混凝土所不具備的優良機械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強堿環境下具有穩定的化學性能、持久的機械強度和尺寸的穩定性[4]。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。

碳纖維還具有震動阻尼特性，可吸收震動波，使防震能力和抗彎強度提高十幾倍。碳纖維混凝土具有很高的抗拉性、抗彎性、抗斷裂性、抗蝕性等特點。由于碳纖維的較小的膨脹系數，碳纖維混凝土的耐熱性較好，溫度變形也較小。

碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是：阻止混凝土內部微裂縫的擴展并阻止宏觀裂縫的發生及發展。因此對于其抗拉強度和主要由主拉應力控的抗剪、抗彎、抗扭強度等均有明顯改善；同時具有高基體的抗變形能力，從而改善其抗拉、抗彎和沖擊韌性。碳纖維體積分數為1.18%時，試件劈拉強度提高1.2%，按復合規則，碳纖維的增強作應隨水泥中纖維含量的增大而增加，在碳纖維的重量百分含量小于5%時，這個關系幾乎是線性的，含量再增加時，碳纖維難以在基體中分散均勻，不能起到增強效果，甚至使碳纖維混凝土抗拉強度降低。此外，碳纖維混凝土還具有良好的耐腐蝕性、抗滲透性、耐磨性、耐干縮性及耐久性。

1.3 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維混凝土（GRC）是將彈性模量較大的抗堿玻璃纖維，均勻地分布于水泥砂漿、普通混凝土基材中而制得的一種復合材料。近20年來，玻璃纖維混凝土在英國、美國、日本等40多個國家已開始大量應用。它將輕質、高強和高韌性優點集于一體，在建筑領域中占有獨特地位。特別自20世紀90年代以來，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現，把玻璃纖維混凝土技術引向新的發展階段。

由于玻璃纖維的直徑僅為5～20μm，幾乎與水泥的顆粒相接近，使用玻璃纖維時，所用的結合材料為水泥漿，或者在其中摻入細砂來使用，幾乎不使用粒徑較大的粗骨料。所以，用這種素材制作而成的復合材料，又稱為增強補強水泥。

采用玻璃纖維混凝土是建筑工程今后發展方向，它不僅可以彌補普通混凝土制品自重大、抗拉強度低、耐沖擊性能差等不足，而且還具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纖維混凝土制品較薄，質量較輕。由于采用抗拉強度極高的玻璃纖維作增強材料，因而其抗拉強度很高。玻璃纖維均勻分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龜裂，由于在破壞時能大量吸收能量，因而耐沖擊性能優良、抗彎強度較高[5]。此外，玻璃纖維混凝土制品脫模性好、加工方便，易做成各種形狀的異型制品。

1.4 聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維混凝土是將切成一定長度的聚丙烯纖維，均勻地分布在水泥砂漿或普通混凝土的基材中，用以增強基材的物理力學性能的一種復合材料。這種纖維混凝土具有輕質、抗拉強度高、抗沖擊和抗裂性能等優點，也可以以聚丙烯纖維代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，從而增加結構的抗震能力。

聚丙烯纖維混凝土是研究與應用最多的合成纖維混凝土。隨結晶度不同，聚丙烯纖維的密度范圍為0.87～0.95 g/cm3，熔融溫度107～141℃。根據纖維形狀和構造不同，聚丙烯纖維可分為單絲纖維、并行的原纖化纖維束和薄膜纖維。單絲纖維有較高的長徑比，并行的原纖化纖維束能方便地在水泥基體中分散，雖化學鍵連接有限，但機械粘結好，可使纖維受力時不被拔出[6，7]。

聚丙烯纖維的抗拉強度雖然比普通混凝土高，但其彈性模量卻比較低，在較高應力情況下，混凝土易達到極限變形。但在摻加適量聚丙烯纖維時，這種復合材料的抗沖擊性能比普通混凝土要大得多，這為荷載不高但要求耐沖擊、高韌性構件的制作，找到了一條很有發展前途的路子。此外，聚丙烯纖維不銹蝕，其耐酸、耐堿性能也好。

2 纖維的作用

纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬纖維、無機非金屬纖維、合成纖維或天然纖維為增強材料組成的復合材料。由于纖維并不改變混凝土中各種材料本身的化學性能，因而不會破壞混凝土的耐久性。纖維在增強水泥基材纖維的抗拉強度、彈性模量和提高極限延伸率等方面都遠較素混凝土大，將這些纖維摻入混凝土中，不但可有效地限制水泥基體中微裂縫的擴展，還可提高混凝土強度，彌補普通混凝土的自身缺陷，延長其使用壽命，擴大其應用領域。

纖維加入水泥基體中，主要有以下三方面的作用[2，8]：

（1）阻裂作用；

混凝土內部缺陷是混凝土破壞的誘導因素，纖維加入后可阻止基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并有效延緩新裂紋的出現。這種阻裂作用既存在于硬化前的塑性階段，也存在于硬化階段。混凝土未硬化前，由于水泥基體在澆注后24h內抗拉強度較低，此時均勻分布于混凝土單位體積內較大數量的纖維，猶如存在于混凝土內的大量微細筋，它們構成均勻亂向支撐體系，不但可承受因塑形收縮引起的拉應力，還可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和硬化初期）離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發生和發展，減小原生裂隙的數量和尺度。混凝土硬化以后，若基體仍處于約束狀態，當因周圍環境溫度、濕度的變化而使干縮引起的拉應力超過其抗拉強度時，也極易生成大量裂縫，在這種情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。

（2）增強作用；

混凝土不僅抗拉強度低，而且內部由于原材料、施工、養護和使用等方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷載的作用下，這些缺陷周圍應力分布不均勻，成為混凝土破壞的誘導因素。當混凝土中加入適量的纖維后，在混凝土硬化過程中，均勻分布的短纖維可以起到改變混凝土內部結構、減少混凝土內部缺陷的作用。在受力過程中，纖維與基體共同承擔荷載、共同發生變形，即使在基體開裂后纖維仍能繼續承擔荷載，從而使混凝土的抗拉強度、彎拉強度、抗剪強度和疲勞強度等有一定程度的提高。

（3）增韌作用；

混凝土凝固后，由于水泥與包裹水泥的纖維絲相粘連而形成亂向分布的網狀增強系統，有利于限制裂縫的發展，增強混凝土的韌性。在荷載作用下，即使混凝土發生開裂，纖維還可以橫跨裂縫而承受一定拉應力，使混凝土具有較高的剩余強度和極限應變。同時在混凝土受載過程中纖維還可吸收大量能量，有效減少應力集中程度，阻礙裂縫的迅速擴展，增強混凝土的抗沖擊能力。研究結果表明，將纖維摻入混凝土中，不僅能提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗剪強度和抗疲勞強度，而且還能增強混凝土的耐磨性、抗侵蝕性、抗沖擊性、抗凍融性和抗滲性等耐久性能，避免構件“脆斷”現象的發生。纖維在混凝土中的作用還與纖維品種、性能、纖維與混凝土界面間的豁結狀況以及基體混凝土的類別和強度等級等因素密切相關，并不是所有的纖維都能同時起到以上三種作用的。

3 影響因素

3.1 纖維本身的性質

纖維是處在一個堿性的環境中發揮其物理效應的，所以纖維首先必須具有較好的耐堿性，不受水泥水化物的侵蝕，其次保證纖維與水泥基體之間有足夠的粘結強度。纖維在混凝土中要發揮作用，必須具有比較高的抗拉強度和較大的變形能力。與水泥基體相比，抗拉強度至少要高出兩個數量級，極限延伸率至少要高出一個數量級。纖維摻量太少，起不到阻裂的作用；纖維摻量過多，使混凝土和易性變差。同時，過多的界面使內部界面微裂紋增多，基體混凝土強度性能反而下降。此外，纖維必須具有合適的尺寸，在均勻分散的前提下，纖細而挺實的纖維具有更好的抗裂增強性能，其長度與直徑的比值大于臨界值時才能對水泥基體產生明顯的增強效應。

3.2 施工方式

纖維的分散性是纖維的關鍵指標，纖維混凝土中所用的纖維應具有良好的分散性，不結團，不成束，這樣纖維才能在實際的混凝土工程中推廣應用。不同的施工方式，對纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。在振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會產生平行于骨料、模板或振搗設備表面的“邊緣效應”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應合理控制振搗時間，并且盡可能提高纖維混凝土的自密實能力。

3.3 配合比的影響

與普通混凝土的配合相比，纖維混凝土的配合比有以下特點：

1）骨料間的空隙率增加。當1m3混凝土中摻入體積摻率Vf=1%的鋼纖維時，纖維的堆積體積占0.12 m3是其絕對體積的12倍，所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

2）纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應采用較高的單位水泥用量。同時纖維將吸附更多的拌和水，纖維間交錯搭接阻礙了骨料間的相對滑移，使拌和物變稠，流動性下降。可使用減水劑增大水灰比或者是增加單位水泥用量。

3）選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結構的薄弱處，也是最先發生破壞的地方。當纖維長度大于最大公稱粒徑時，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發揮纖維的增強、增韌作用。集料粒徑大于平均纖維間距，將導致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。

4 理論研究

纖維混凝土的理論研究有助于更好地認識纖維混凝土的增強機理，以便更有效地發揮混凝土和纖維的作用，進而為纖維混凝土的工程應用提供理論依據和必要的施工技術參數。

（1）力學性能方面

纖維混凝土的力學性能是其工程應用最關鍵、最基本的指標，也是纖維混凝土眾多研究者熱衷的研究課題。目前的研究主要集中在纖維混凝土的抗壓、抗拉、抗折、抗沖擊強度，纖維對混凝土斷裂性能和韌性的增強作用以及混雜纖維的增強效果上。雖然纖維對混凝土具有增強作用，但不同彈性模量的纖維對混凝土力學性能的影響是不同的，隨著彈性模量的減小增強作用也會有一定程度的降弱。一般認為纖維對混凝土抗壓強度的提高很小甚至有所降低，而對于抗拉、抗折、抗沖擊強度均會有不同程度的提高，不同試驗者得出的數據雖不盡相同，但結論都是相同的。纖維加入后混凝土的斷裂性能和韌性也會有較大提高。纖維性質不同，對混凝土的增強作用也會存在差異，纖維可提高混凝土的強度，而小彈性模量、大變形纖維可明顯增強混凝土的韌性。單一纖維很難實現強度和韌性的同時提高和增強，但若同時摻入大彈性模量的纖維和強延性纖維，使兩種甚至幾種纖維在混凝土的不同受荷階段和不同結構層次上發揮各自的增強、增韌作用，便可獲得具有優異綜合力學性能的混雜纖維混凝土。因而混雜纖維增強水泥基復合材料的研究是一個很有潛力的方向。

（2）耐久性方面

目前對纖維混凝土耐久性的研究主要集中在纖維混凝土的抗裂性、抗滲性、抗凍性、耐磨性和抗沖擊性等方面。國內外關于鋼纖維混凝土的試驗研究結果表明，鋼纖維可有效地增強混凝土的抗裂性、抗滲性、抗凍性、抗疲勞性、抗沖擊性及抗沖刷耐磨性。纖維混凝土在水工結構、地下工程及處于惡劣環境中的結構構件等方面具有絕對優勢和廣闊的應用前景。

5 使用時應注意的問題

（1）纖維材料的選擇要根據結構的使用環境、受力特點等，選擇抗拉強度高，耐久性能好，易施工，成本低的纖維材料；

（2）控制好纖維長度和截面形態可使纖維在混凝土中分布均勻，小結團，同時與混凝土有較大的接觸表面，有較好的粘結強度；

（3）配制混凝土時既要保證強度的要求，又要有較好的和易性，還要方便施工，能與纖維結合緊密；

（4）摻入纖維材料后混凝土的表面抗裂性能、抗拉性能、抗折性能等都有明顯的改善，這要求配制混凝土時的水灰比不能過大，因此在配制混凝土時要加入一定量的減水劑、緩凝劑，從而進一步提高混凝土的性能，充分發揮纖維材料的作用。

6 結束語

我國自20 世紀70年代以來，纖維增強水泥基復合材料的應用領域日益廣闊，并且編制了包括鋼纖維混凝土和合成纖維混凝土的《纖維混凝土結構技術規程》（中國工程建設標準化協會標準CECS38：2004）。這些標準的實施大大推進了各種纖維在我國各項工程中的使用。加入纖維后也出現了一些問題，比如使得混凝土的成本提高、施工工藝復雜、流動性變差，甚至性能惡化，尤其成本和性能是制約纖維混凝土應用的最主要原因。因此，進一步降低成本，開發能有效改善混凝土力學和耐久性能的纖維材料成為今后該領域發展的重要方向。

參考文獻

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