非晶合金纖維特性及其增強混凝土研究綜述

江朝華，欒智勇，張偉偉，黃珊珊

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

非晶合金纖維特性及其增強混凝土研究綜述

江朝華，欒智勇，張偉偉，黃珊珊

(河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

在混凝土中摻入纖維是提高基體韌性，抑制其收縮開裂，獲得高性能混凝土的有效途徑之一。新型非晶合金纖維(或稱金屬玻璃帶)具有優良的力學性能和抗腐蝕特性，制備的混凝土復合材料比強度高、比模量大、柔韌性和耐腐蝕性能好。介紹了非晶合金纖維材料的發展概況和主要特性，重點闡述了非晶合金纖維增強混凝土的力學性能和抗腐蝕性能研究現狀，并指出非晶合金纖維在增強混凝土領域的應用前景及存在主要問題。

港口工程；非晶合金纖維；纖維增強混凝土；性能；應用前景

0 引 言

纖維增強混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)或簡稱纖維混凝土是興起于20世紀后半葉的一種新型建筑材料，被廣泛應用于航空、航天、電子、電氣、機械、建筑、水利、交通、能源等各個領域的土建工程中[1]。在混凝土等水泥基材料中摻入纖維可以提高基體抗裂性能，使水泥基體具有更高的承載力；改善基體的應變能和延展性，增加基體吸收能量的能力、提高基體韌性；阻止裂紋的擴展或改變裂紋前進的方向，減少裂紋的寬度和平均斷裂空間；從而極為有效地增強水泥基材料的韌性，抑制微細裂紋的產生和發展[2-6]。將具有優良抗拉彎性能、耐沖擊以及高抗滲性的纖維混凝土應用于軍事、水利、建筑、機場、橋梁、公路等工程領域，特別是應用于長期暴露在惡劣環境中的港口、碼頭、近海平臺等海港工程特殊領域中，對提高建筑物耐久性、延長整個生命周期具有重要意義[7-12]。

目前，在工程中應用最廣泛的纖維主要有鋼纖維(SF)、碳纖維(CF)和聚丙烯纖維(PP)等[13-14]。其中，碳纖維具有強度高、模量大、比重小、耐堿等優越性能[15-16]，但碳纖維直徑細小、表面憎水導致其分散性差、易引起混凝土電阻率波動以及價格昂貴等問題，在很大程度上限制了其在工程中的應用[17]；鋼纖維是當今世界各國普遍采用的混凝土增強材料，它具有抗裂、抗沖擊性能強，耐磨強度高，與水泥親合性好，可增加構件強度，延長使用壽命等優點[18]，但其造價高、比重大，不易于分散導致坍落度直線下降以及因混凝土含堿和保護層厚度小而易銹蝕已經成為一個棘手的老問題[19]；聚丙烯纖維具有耐化學腐蝕、加工性好、價格低廉、質輕等優點，在水泥混凝土中摻入聚丙烯纖維可以減少混凝土和砂漿的早期裂縫，提高混凝土的抗裂、抗滲和抗沖擊等性能，但聚丙烯纖維存在強度和模量低，與水泥基體黏結性差等缺陷[20]；隨著纖維摻量的增加，混凝土工作性降低、彈性模量減小、增韌效果變差，低摻量下則對混凝土強度無顯著影響[21]。隨著經濟社會的發展以及“節約資源、綠色環保”低碳概念的提倡與普及，對建筑材料提出了更高的要求；尤其是海港工程等特殊領域所處的惡劣環境，對纖維混凝土復合材料性能尤其是抗裂性、韌性等力學性能和抗腐蝕性能提出了更高的要求。因而探索新型纖維、配制高性能纖維混凝土以滿足工程要求是今后纖維混凝土發展的重要方向之一。

1 新型非晶合金纖維特性

非晶合金纖維(amorphous alloy fiber, AAF)或稱金屬玻璃帶(metallic glass ribbon, MGR)，是一種帶狀非晶合金材料(通常為20～30 μm厚)。1967年，美國加州理工學院P.DUWEZ等[22]利用快速凝固法第一次成功制備出Au-Si非晶合金薄帶。1960年P.DUWEZ教授再次率先開發出Fe系金屬玻璃，由此帶動第一個非晶合金研究開發的熱潮[23]。1969年，R.POND和R.MADDIN發表“關于制備一定連續長度條帶技術”[24]，帶來了制備非晶合金的決定性發展。在過去的40年中，伴隨著非晶材料基礎研究制備工藝和應用產品開發的不斷進步，各類非晶材料已經逐步走向實用化，特別是作為軟磁材料的非晶合金帶材已經實現產業化，并獲得廣泛應用[25]。

非晶合金的形成利用超急冷技術即大于105/s的冷卻速度使液態金屬快速凝固直接成材。快速凝固的技術凍結了液態金屬原子的無序性，使其來不及結晶，其原子在三維空間呈拓撲無序狀。在晶體金屬或者合金中，原子都是在被稱為晶粒的區域內整齊排列，而晶粒之間的結合處就是這種合金材料最為脆弱的部位。與晶體材料內部原子排列遵循一定規律相反，非晶合金纖維材料內部原子排列處于無規則狀態，原子的排列緊密而無規律如同液體或者玻璃一樣雜亂無章，不存在晶粒邊界。由于沒有晶體材料的晶界、位錯、滑移面等結構，非晶合金纖維呈現出一系列優異的力學、抗腐蝕特性[26-27]：良好的彈性性能(彈性極限約為2%，比結晶金屬提高3倍)；極高的強度(接近理論值，例如鐵基非晶合金帶的最大抗拉強度已超過4 000 MPa，與碳纖維相當)；優良的抗腐蝕能力(非晶合金由于不存在晶界，不銹鋼難于應付的點腐蝕和晶間腐蝕，對非晶合金材料則完全不可能發生)；硬度大；重量輕；不變質；軟磁性等。

表1比較了非晶合金纖維與纖維混凝土材料中幾種常用纖維的各項主要性能。

表1 幾種常用纖維的各項主要性能

通過表1可以看出，非晶合金纖維具有以下幾個特點：

1)抗拉強度高。非晶合金纖維抗拉強度超過鋼纖維，抗拉強度值約為鋼纖維的2～4倍。纖維材料本身的性能決定了纖維混凝土材料的性能，高抗拉強度纖維可以有效減少混凝土內部的微裂紋并有效地抑制微裂紋的擴展，促進混凝土抗拉強度的增長。

2)彈性模量高。非晶合金纖維彈性模量值略低于鋼纖維和碳纖維，屬于高彈性模量纖維。彈性模量大表明在同等荷載的情況下材料變形較小。高彈性模量纖維混凝土在未產生裂紋之前，因纖維彈性模量較高，根據“混合定律”[28]，復合材料的彈性模量隨纖維摻量增加而增加，開裂之后，主要是纖維受力，只要纖維體積摻量超過臨界纖維體積摻量，復合材料承載能力就不會降低反而增加。因此非晶合金纖維用于混凝土材料中可以很好地提高纖維混凝土復合材料彈性模量，抵抗結構物荷載變形，提高建筑物承載力。

3)抗腐蝕性高。S.J.CHOI等[29]以鋼纖維(SF)，聚丙烯纖維(PP)和聚乙烯醇纖維(PVA)為對比，進行了非晶合金纖維在10%Na2SO4，3%NaCl，0.6%醋酸以及0.16%Ca(OH)2+1%NaOH+1.4%KOH堿溶液中的抗腐蝕性能研究。結果表明非晶合金纖維在以上腐蝕溶液中暴露90天仍然沒有出現腐蝕跡象，其抗拉強度能夠保持在原樣的96%以上，與上述幾種傳統纖維相比，非晶合金纖維具有更高的抗腐蝕性；WU Z W等[30]通過試驗將不同退火溫度的Fe73Cr6C9Si1P11非晶態合金纖維置于0.5 mol/L H2SO4溶液中并暴露于空氣中，對Fe73Cr6C9Si1P11非晶態合金纖維的抗腐蝕性能進行研究，結果表明Fe73Cr6C9Si1P11非晶態合金纖維擁有穩定的非晶態和良好抗腐蝕性能。

鐵基非晶合金纖維因其高性能和相對低價格而備受關注，目前已經得到普遍應用。尤其是二元Fe-Cr基非晶合金纖維具有非常優良的力學性能，是一種理想的混凝土增強材料[31]。最近，盧志超等[32]提出一種尺寸可控、完全非晶態、成本低廉、適合在混凝土工程中大量應用的鐵基非晶合金纖維的制備方法，指出制備的非晶合金纖維耐腐蝕性優異，摻加到混凝土中可以提高其強度、韌性及抗氯離子侵蝕性。非晶合金纖維的高強和高抗腐蝕特性表明其具有在增強混凝土領域應用的可能和優勢，可以預見新型非晶合金纖維在增強混凝土領域將具有廣闊的應用前景。

2 非晶合金纖維在增強混凝土領域中的研究現狀

國內外對非晶合金纖維作為增強材料的研究最初開始于上世紀70年代。在20世紀70年代末到80年代初，一些學者先后發表了關于非晶合金纖維應用于陶瓷、聚合物基體材料增強領域的研究成果。隨后，K.FRIEDRICH等[33]針對非晶合金纖維增強環氧樹脂復合材料的疲勞與斷裂性能進行了深入研究。結果表明，摻入少量的非晶合金纖維即可大幅度提高環氧樹脂復合材料的斷裂韌性。U.RAJENDRA等[34]對非晶合金帶增強微晶玻璃復合材料的研究發現，復合材料的拉伸強度和斷裂強度在摻入少量非晶合金纖維時就會有很大幅度的提高，其力學性能如斷裂強度會隨著摻入纖維體積含量的增加成比例提高。S.JAYALAKSHMI等[35]對不同體積摻量下非晶合金材料增強鋁基復合材料的性能進行試驗研究。結果表明，復合材料強度會隨著非晶合金材料體積含量增加而提高。如上所述，非晶合金纖維作為陶瓷、聚合物基體的增強材料對復合材料性能有明顯提升，作用效果明顯。

法國最早開展非晶合金纖維增強混凝土研究，在水泥漿中亂向摻入體積分數為1.7%，長度60 mm，寬度1～2 mm，厚度25～30 μm，抗拉強度為2 000 MPa的鐵基非晶合金纖維薄片制備得到的復合材料，其抗彎強度是基準混凝土的4倍，韌性與抗沖擊性能顯著提高，預測其使用壽命可達300年以上[1]。澳大利亞Wollongong大學的P.BEND于2006年開展了非晶合金纖維在水泥基材料中應用的探索性研究。采用兩種不同寬度的非晶合金纖維以20 mm，50 mm，90 mm和100 mm的長度摻入75 mm×75 mm×305 mm的混凝土小梁，通過三點抗彎試驗獲得其開裂荷載、斷裂荷載以及荷載-撓度曲線。研究結果表明：短切非晶合金纖維的加入可以顯著提高試件的抗彎強度，并且非晶合金纖維在混凝土中抗腐蝕性能和黏結性能良好[36]。國內學者彭書成等[37]提出一種改性非晶合金纖維混凝土復合材料的制備方法，利用強度高達1 900 MPa以上，楊氏模量高達110 GPa以上的優質非晶態纖維，制備而成的混凝土復合材料比強度高，比模量大，柔韌性好，耐堿性能優異，具有極好的抗斷裂性能。J.P.WON等[38]對鐵基非晶合金纖維混凝土抗彎性能進行了研究。結果表明在相同摻量下，與鉤型鋼纖維增強混凝土相比，非晶合金纖維混凝土抗折強度提高30%以上，抗彎剛度增加近40%。隨后，J.P.WON等[39]就鐵基非晶合金纖維混凝土界面黏結性能進行了研究。結果表明：較之于鉤型鋼纖維，非晶合金纖維的界面黏結撓度和黏結強度降低。研究同時指出在混凝土結構應用中，由于薄片狀非晶合金纖維在相同摻量下數量多、黏結面積大，非晶合金纖維比鉤型鋼纖維更能有效改善結構性能。倪曉俊等[40]對Fe-Cr基非晶合金纖維混凝土抗腐蝕性能的研究結果表明：非晶合金纖維混凝土抗腐蝕性能優于不銹鋼纖維混凝土，其抗腐蝕性能源于非晶合金纖維在腐蝕環境下表面會形成一層鈍化膜。最近，S.J.CHOI等[29]進行了鐵基非晶合金纖維增強砂漿塑性收縮試驗研究，結果表明相同體積分數下，較之鋼纖維、聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維，非晶合金纖維砂漿具有更優良的抵抗塑性收縮能力，并且隨著非晶合金纖維體積含量的增加，復合材料平均裂縫面積減小，控制塑性收縮能力增強。R.HAMEED等[41]對混雜纖維增強混凝土的彎曲性能研究結果證實了非晶合金纖維的摻入可以有效控制微裂縫，提高纖維混凝土強度和韌性，應用于擋水建筑物等水工結構工程中前景廣闊。

綜上所述，非晶合金纖維增強混凝土強度、韌性突出，非晶合金纖維的摻入能有效改善混凝土等水泥基材料的各項性能。同體積摻量下非晶合金纖維混凝土與鋼纖維混凝土相比，抗裂強度與斷裂韌度更高，抗折與抗彎特也有顯著提升，并且，非晶合金纖維混凝土復合材料顯示了優良的抗腐蝕性能。

3 非晶合金纖維在增強混凝土領域中的應用前景及存在問題

上述國內外對非晶合金纖維及其復合材料的研究表明：非晶合金纖維具有抗拉強度高、彈性模量高，抗腐蝕性能優異等諸多特點；制備的非晶合金纖維增強混凝土具有優良的抗彎力學性能和抗腐蝕特性。將其應用于土木工程建設領域尤其是長期暴露在惡劣海洋環境中的港口、碼頭、近海平臺等特殊領域，能夠有效解決工程結構物在惡劣環境下的安全性與耐久性問題，有利于減少維護費用，延長使用期限，促進國家建設的發展。

但非晶合金纖維混凝土復合材料的實際應用仍有待進行更深入地研究：

3.1 非晶合金纖維獨特的表面性狀

非晶合金纖維形狀平直，表面光滑。研究表明：由于非晶合金纖維形狀平直且表面光滑，單根非晶合金纖維界面粘結強度比鉤型鋼纖維降低30%[39]；平直形狀及表面較光滑的特點不利于非晶合金纖維-基體界面黏結力學性能的發揮。因此，需要針對其獨特的薄帶形狀特性，開展非晶合金纖維界面黏結性能研究，采用表面處理等方法對非晶合金纖維進行改性，更好的發揮非晶合金纖維的增強效果。

3.2 非晶合金纖維混凝土材料研究甚少

目前國內外對非晶合金纖維混凝土材料只進行了一定的開拓性研究，研究只涉及非晶合金纖維增強混凝土抗彎力學性能、界面黏結性能和抗干縮性能等。要促進非晶合金纖維在增強混凝土領域的應用，有必要深入開展非晶合金纖維增強混凝土力學和耐久性能研究，探查非晶合金纖維增強混凝土的增強增韌機理，充分發揮非晶合金纖維的高強性能；如系統開展非晶合金纖維摻量、長徑比及其薄帶形狀特征對不同強度等級混凝土抗壓、抗彎、抗拉強度和變形特性影響研究，進行非晶合金纖維混凝土抗碳化、抗凍和抗滲等耐久性研究。為充分發揮非晶合金纖維高抗腐蝕特性，有必要深入探查非晶合金纖維在海洋環境下的長期性能和耐久性演變規律；如開展氯鹽侵蝕下非晶合金纖維長期力學性能演變及微觀機理研究，進行氯鹽侵蝕下非晶合金纖維中氯離子擴散規律研究等。開展氯鹽侵蝕和力學耦合作用下非晶合金纖維增強混凝土的長期力學性能和耐久性研究，揭示化學和力學耦合因素作用對非晶合金纖維混凝土材料性能劣化的影響機理。充分發揮非晶合金纖維的高強和高耐腐蝕特性，以及非晶合金纖維對混凝土的增強、增韌和阻裂效應，提高工程結構的安全與耐久性。為非晶合金纖維混凝土在實際工程應用提供依據。

3.3 非晶合金纖維價格問題

目前，非晶合金纖維主要應用電子、電力行業，將其應用于水泥混凝土增強領域，存在價格過高的問題。但應用于水泥混凝土增強領域的非晶合金纖維只需要具有高強、高韌性及高抗腐蝕等性能，而不需要電子行業高磁感、高磁導率和低損耗的特性。由此可以借鑒非晶合金帶的制備原理，簡單獨特的制備工藝，利用“賤金屬”，比如成本低廉的鐵來制造水泥混凝土增強領域用非晶合金纖維。并且隨著材料制備工藝的不斷改進與完善，非晶合金纖維價格將不斷降低。研究表明采用耐腐蝕性極強的非晶合金纖維制備混凝土復合材料，可以極大降低結構服役過程中的維護和修復費，預測其使用壽命可達300年以上。因此，結合全壽命角度綜合考慮，非晶合金纖維必然具有良好的經濟性。可以預見非晶合金纖維這種具有獨特組織結構、優異材料性能的新型材料必將擁有廣闊的應用前景。

4 結 語

非晶合金纖維是一種新型纖維材料，具有抗拉強度高、彈性模量高、抗腐蝕性能高等特點。非晶合金纖維的高強和高抗腐蝕特性表明其具有在增強混凝土領域應用的可能和優勢。

采用非晶合金纖維制備的增強混凝土復合材料具有比強度高、比模量大、柔韌性和耐腐蝕性能好等特點，對混凝土材料性能的提升優于傳統增強纖維。適用于增強混凝土領域尤其是長期暴露在惡劣海洋環境中的港口、碼頭、近海平臺等特殊領域。采用耐腐蝕性極強的非晶合金纖維制備混凝土復合材料，可以極大降低結構服役過程中的維護和修復費，極大延長其使用壽命，結合全壽命角度綜合考慮，非晶合金纖維必然具有良好的經濟性。

作為一種新型材料，目前只對非晶合金纖維增強混凝土進行了一定的開拓性研究。為充分發揮非晶合金纖維的高強和高抗腐蝕性，促進其在增強混凝土領域尤其是港口、碼頭、近海平臺等特殊領域的應用，需要系統開展非晶合金纖維增強混凝土力學和耐久性性能研究，進行其界面黏結性能、界面黏結機理、增強增韌機理以及在海洋環境下的長期力學性能和耐久性能演變規律等研究。

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(責任編輯：朱漢容)

Literature Review on the Performance of Amorphous Alloy Fiber and Its Application in Reinforced Concrete

JIANG Chaohua, LUAN Zhiyong, ZHANG Weiwei, HUANG Shanshan

(School of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China)

Fiber addition in the reinforced concrete is one of the effective ways to improve the toughness of matrix, restrain the shrinkage cracking and obtain high performance concrete. Amorphous alloy fiber (or named metal glass tape) has excellent mechanical and corrosion resistance property. Amorphous alloy fiber reinforced concrete material shows high strength, large modulus, well flexibility and corrosion resistance. The development and main characteristics of amorphous alloy fiber were introduced. The current research on mechanic properties and corrosion resistance of amorphous alloy fiber reinforced concrete was elaborated in detail. And the application prospect and main problems of amorphous alloy fiber reinforced concrete were put forward.

port engineering; amorphous alloy fiber; fiber reinforced concrete; performance; application prospect

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.09

2016- 03- 02；

2016- 04-15

江蘇省自然科學基金項目(BK20151496)

江朝華(1972—)，女，廣西合山人，副教授，博士，主要從事海港工程新材料的研究。 E-mail: chaohuajiang@hhu.edu.cn。

U654；TU528.572

A

1674- 0696(2017)05- 045- 06