纖維混凝土力學性能研究

錢萍萍

（南京工業大學浦江學院，江蘇 南京 211222）

0 引言

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

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性能。通過整合一個連貫的纖維網絡，這些纖維可以帶來長期的耐久性，改善結構特性，控制混凝土結構中的次生裂縫或溫度裂縫。這種性能取決于許多因素，包括長徑比（纖維長度/當量直徑）、纖維的體積百分比以及它們的物理和機械性能。在過去的20 年里，纖維混凝土建設在世界范圍內變得越來越普遍。因此制定了許多技術指南，規定了混凝土、砂漿和灌漿中用于結構或非結構應用的纖維的要求。有許多種類的纖維可供銷售各種材料、長度和幾何形狀。本文總結了常見類型的纖維（有機合成纖維、玄武巖纖維、鋼纖維及混雜纖維）對混凝土性能的改善，以期為后續研究提供參考。

1 鋼纖維

Habel 等發現鋼纖維增強高性能混凝土具有良好的耐久性和較高的抗拉強度。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度。Zhang 分析了鋼纖維對粗骨料高性能纖維混凝土抗彎韌性和斷裂力學性能的影響，指出鉤鋼纖維增強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強度直接影響HPSFRC 的動態抗拉強度。Guo 等人提出高性能鋼纖維混凝土的動態抗拉強度隨著纖維含量的增加而增加。但鋼纖維的金屬性質可能是一個問題，因為其潛在的腐蝕性和磁性。

2 有機合成纖維

有機合成纖維有效地改善了鋼纖維的耐腐蝕性問題。人們對聚丙烯纖維作為混凝土結構加固材料進行大量研究。聚丙烯纖維因其增強的抗拉和抗彎強度、抗收縮開裂性能、在混凝土中具有優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合材料的耐久性，但對混凝土的和易性有不利影響。隨著纖維體積分數的增加，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合材料中，形成對骨料有支撐作用的網格結構，可減少新拌混凝土的泌水和離析。

近年來，也有研究表明，再生塑料可用于生產廉價的集料和纖維，以增強建筑業的膠凝復合材料。已經證明，回收的聚乙烯對苯二甲酸乙二醇酯、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用中有效替代原生塑料纖維。建筑業使用從廢棄瓶子、廢棄漁網、工業塑料廢料中獲得的再生塑料，這些廢料包括以增強纖維形式出現的廢料，以及用于環保混凝土或砂漿的聚合物顆粒。纖維或聚合物顆粒對塑料纖維或聚合物顆粒增強混凝土和砂漿的初裂強度和斷裂韌性有積極影響，這一點已形成共識。

近幾年的研究中，開發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，化學性質穩定。有關聚烯烴纖維增強混凝土力學性能表征及其工程應用的研究已經開展。在纖維增強混凝土生產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影響纖維的位置和方向。這些參數已經通過多種方法進行研究，例如使用體視學工具、統計工具，甚至流變分析。處理這一問題的大多數研究都計算了放置在鋸切表面或彎曲斷裂試驗中產生的斷裂表面中的纖維數量。Krenchel 提出了一個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行分析。

3 玄武巖纖維

玄武巖纖維通常不用于結構混凝土應用。它們來自玄武巖礦，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。玄武巖纖維的其他優點，如價格低廉、彈性模量高、抗高溫和抗化學侵蝕性能好，使其有可能成為鋼筋混凝土復合材料中常用纖維的合適替代品。

短玄武巖纖維對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的玄武巖纖維。作為分析的結果，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地聚合物混凝土的沖擊性能。研究發現，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態抗壓強度并沒有提高。Fiore等研究表明玄武巖纖維對增強高性能混凝土也非常有用，可以提升其抗拉強度、抗沖擊和耐火性能、滲透性和抗凍性。

4 混雜纖維

當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/或基于經濟方面。在鋼筋混凝土中進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。大量文獻研究混雜纖維對不同類型混凝土力學性能（抗壓強度、抗彎強度、殘余抗彎強度、韌性、韌性指標、裂縫擴展、纖維橋接規律、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，延緩裂縫的擴展，提高裂縫后延性。眾所周知，混凝土的破壞是一個多尺度的過程，發生在微觀和宏觀尺度。對于單纖維混凝土來說，由于單纖維只有一個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變范圍內的擴展，對其他尺度的裂縫橋接影響很小或沒有影響。

對于混合纖維而言，在纖維體積分數相同的情況下，短而軟的纖維（微纖維）較細，其在混凝土中的微裂紋數量遠高于長硬纖維，因此可以更有效地控制微裂紋的萌生和擴展。雖然微纖維表現出不明顯的拔起反應，但它們可以提高宏觀纖維的拉拔響應，從而制備出高強度、高韌性的復合材料。隨著微裂紋的擴展和加入宏觀裂紋中，長而硬的纖維（宏觀纖維）在裂縫橋接中變得更加活躍，因此能增強材料的延性和一定程度的抗拉強度。此外，通過橋接宏觀裂縫，減小宏觀裂縫的開口，纖維對峰后撓曲軟化有明顯的影響。Yao 等對鋼、聚丙烯和碳纖維混雜作用下纖維增強混凝土力學性能的研究表明，碳纖維混雜作用對提高強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。事實上，塑料纖維具有良好的延性、細度和分散性，可以抑制裂紋，耐久性更強。

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

5 存在問題與展望

纖維對混凝土的改善主要出現在混凝土開裂后。因此，這種開裂后的性能已經成為重要的參考指標，為此進行一系列試驗以驗證混凝土和纖維之間粘結性能的可靠性。如果試驗結果與所需要求一致，在結構設計中可以考慮纖維添加對水泥基復合材料的影響。因此，在鋼筋混凝土中減少傳統鋼筋的數量是可能的。現有的預測模型也正在考慮將纖維數量和位置作為結構設計的重要參數。這些模型對未來設計有重要意義，但目前還需要實驗室的測量結果和結構設計的驗證。

現階段研究中，多種纖維的組合含量、混雜比等參數對纖維混凝土力學性能的準確分析還未形成比較一致的意見，纖維混凝土的本構關系、抗震性能等具體設計參數還存在很多不確定因素。進一步擴大纖維混凝土的應用領域，形成比較完備的設計規范，未來還有很多問題等待我們解決。