纖維混凝土研究進展及增強機理

李冬晨

引言

水泥混凝土材料作為土木工程領域應用十分廣泛的一種建材，其本身存在一些缺陷，如抗拉強度低、抗裂性能差、等，由此經常導致建筑物混凝土發生開裂和破壞，使得鋼筋暴露在空氣中，發生腐蝕而失效，進而導致結構突然破壞，造成不可預計的財產和生命損失。最初的解決辦法是鋼筋混凝土和預應力混凝土，而后學者通過對纖維混凝土的研究，提出了纖維增強混凝土。纖維增強混凝土或簡稱纖維混凝土，是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬材料、無機纖維或有機纖維為增強材料組成的一種復合材料。由于纖維的加入，提高了混凝土的抗拉強度，抑制了混凝土的早期開裂，是一種提高混凝土韌性的有效途徑。

1 纖維混凝土的研究現狀

國外有關于纖維混凝土的研究開始于20世紀初。1910年，Porter發表了關于短纖維增強混凝土的研究報告，這是第一次有關于纖維混凝土的研究記錄。1911年，Graham將鋼纖維加入混凝土，制備了性能良好的產品。之后當時世界上一些強國，如美國、德國、日本等國都對纖維混凝土進行了一些研究，并申請了專利，但并沒有應用在工程實際中。直到1963年，Romualdi、Batson提出了針對鋼纖維增強作用和機理的纖維增強理論，從而開始這種新型材料實踐應用方面的開發研究。我國20世紀70年代開始了纖維混凝土的研究，近年來不斷有學者豐富完善研究內容。韓嶸[1]等主要針對鋼纖維混凝土進行了研究，并指出了鋼纖維體積率、鋼纖維長徑比、鋼纖維類型對鋼纖維混凝土劈裂抗拉強度、軸心抗拉強度及軸心受拉應力-應變全曲線的影響規律。

近幾十年來，纖維混凝土在工程實際中得到快速發展，理論研究也趨于成熟。大量的研究試驗表明，摻入單一種類的纖維可以在一定程度上提高混凝土的韌性，但是每種纖維的性質不同，混凝土本身是水泥基復合材料，單種纖維混凝土對其韌性的改善是有限的。基于這種情況，有學者開始研究摻加多種纖維的混雜纖維混凝土。20世紀70年代中期，國外率先開始了混雜纖維混凝土的研究。Walton和Majumdar摻加兩種性質不同的纖維制備了纖維混凝土，試驗表明混凝土的抗拉性能和抗沖擊性能均有提高。我國學者徐禮華[2]等通過對鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土的一系列試驗表明，混雜纖維混凝土軸心受拉性能有顯著提升，同時提出黏結應力-滑移全曲線的數學表達式，對之后研究鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土以及纖維混凝土的工程應用具有指導性意義。

2 纖維混凝土的分類

加入混凝土中的纖維種類豐富，常用的有鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等。纖維混凝土的分類方法有多種，按照摻雜纖維是否是單一種類分為：單雜纖維混凝土和混雜纖維混凝土；按照纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量分為：高彈性模量纖維混凝土和低彈性模量纖維混凝土；按照纖維在混凝土中的分布方式可分為：非連續纖維混凝土和連續纖維混凝土。

3 纖維混凝土的增強機理

目前纖維混凝土的增強機理主要有復合力學理論和纖維間距理論兩種解釋理論。

3.1 復合力學理論

復合力學理論建立在復合材料基礎上的一種理論。纖維混凝土本身就是一種由各種分散相和基相組成的復合材料，其力學性能受到分散相、基相及其結合面的影響。當混凝土的應變達到混凝土基體的開裂應變時，混凝土開始出現微裂縫，當裂縫發展到纖維附近時，由于纖維的阻裂、增強作用，纖維混凝土并未立即破壞，隨著裂縫的繼續發展，應力繼續增大，直至裂縫寬度增大到一定程度，纖維逐漸拔出或者纖維被拉斷，纖維混凝土發生裂縫失穩擴展而破壞。

3.2 纖維間距理論

纖維間距理論又稱纖維阻裂機理，是Romualdi和Batson于1963年針對亂向短纖維增強混凝土提出的。纖維間距理論建立于線彈性斷裂力學基礎之上，它認為混凝土的破壞是由于其內部存在微裂紋、微孔洞等缺陷，而混凝土在受到外力作用時，這些缺陷處會產生應力集中現象，導致結構受力大于允許值而破壞。纖維的增強效果與纖維間距有關。當纖維均勻分布在混凝土基體中時，混凝土中的微裂紋被包圍在纖維間距之間，在拉應力作用下，微裂紋尖端會形成裂紋尖端擴展應力場，促進裂紋發展。而在靠近裂紋的纖維界面將產生與裂紋尖端擴展應力反向的應力場，降低裂紋尖端的應力集中程度，限制裂紋的發展，從而對混凝土起到增強效果。

4 總結展望

隨著國民經濟的快速增長，社會生活對建筑結構的要求日益增高，建筑技術也取得了突飛猛進的發展，并建造了諸多舉世矚目的大工程。就研究現狀來看，我們對纖維混凝土的增強和增韌機理的基礎理論已經取得較為成熟的成果，但是但對纖維阻裂機理研究、纖維阻裂效果的評價方法、纖維阻裂效果的認識還存在不足之處。另外，我國就纖維混凝土的實際工程應用方面相比于發達國家還有一定差距。并且目前我國的研究多是針對于單雜纖維混凝土展開的，而對于性能更加優良的混雜纖維混凝土研究較少。就未來發展趨勢而言，混雜纖維混凝土憑借自身的性能優勢會有更加廣闊的應用前景，而針對于混雜纖維混凝土的混雜方式、混雜種類、混雜比例以及如何在實際中應用的研究必將成為熱點。

[1]韓嶸，趙順波，曲福來.鋼纖維混凝土抗拉性能試驗研究[J].土木工程學報，2006，39（11）：63～67.

[3]徐禮華，梅國棟，黃樂，等.鋼-聚丙烯混雜纖維混凝土軸心受拉應力-應變關系研究[J].土木工程學報，2014，47（7）：35～45.