纖維混凝土研究現狀與發展前景*

王文明，喬恒煊＊，李向陽，李慧鵬

（1. 新疆生產建設兵團建筑科學技術研究院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆大學建筑工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著我國基礎建設的不斷加大，混凝土以其就地取材方便、價格低廉、易于成型、耐火性好和儲備量大等優點依舊是應用最廣泛的材料，被廣泛地應用于橋梁、隧道、工業與民用建筑以及高速公路等建設中。但是由于混凝土自重大、抗拉強度低和韌性差等原因限制了其進一步的發展與應用，纖維混凝土應運而生。纖維混凝土主要是在混凝土的基礎上加入非連續短纖維或者連續長纖維作為輔助材料來增加混凝土的韌性。纖維按照種類一般分為以下幾類：（1）金屬纖維，包括鋼纖維等；（2）無機纖維，主要指天然存在的或者人為制造的礦物纖維；（3）有機纖維，指人工合成纖維，主要包括聚丙烯纖維、聚乙烯纖維等；（4）植物纖維，通過植物的根莖加工而成的纖維，主要包括亞麻纖維、龍舌蘭等。纖維的加入能夠有效抑制混凝土裂紋的產生和發展，從而提高混凝土的抗裂性能和韌性，對抗壓性能也有一定的提高作用，纖維的加入在一定程度上彌補了傳統混凝土的一些缺點，也在一定程度上提高了傳統混凝土的各方面性能，因此纖維混凝土的應用越來越廣泛。本文主要分析了幾種纖維在混凝土中的應用現狀及進一步的發展趨勢。

1 纖維混凝土研究現狀

1.1 鋼纖維

鋼纖維是典型的金屬纖維，近年來學者對鋼纖維混凝土有較多的研究，從小試塊到大構件，從強度到耐久性等。霍琳穎[1]等對單軸受拉狀態下鋼纖維混凝土的二次峰值強度進行了研究，在大量鋼纖維混凝土拉伸試驗應力應變曲線出現了兩次峰值現象，并提出了鋼纖維混凝土峰值強度的三種可能情況，給出了鋼纖維混凝土抗拉強度的計算公式。陳卓[2]等就射彈對鋼纖維混凝土的侵徹深度進行了研究，通過引入韌度指標，并運用相似理論和量綱分析法等相關方法，結合試驗數據擬合出了鋼纖維混凝土侵徹深度的預測公式并采用有限元軟件進行模擬，當射彈速度在 273～813.5m/s 時公式有較高的吻合度。惠存[3]等研究了鋼纖維摻量對混凝土的抗壓、抗拉強度和粘結滑移的影響，當未摻入鋼纖維時拉拔試件發生的都是劈裂破壞，摻入鋼纖維時發生的則是劈裂拔出和拔出破壞，鋼纖維的加入可以明顯改善混凝土的性能。茍鴻翔[4]等研究了定向鋼纖維對對高性能混凝土的增強作用，通過將細短鋼纖維定向分布在水泥漿中來制備高性能混凝土，并且在不同體積摻量下對比分析了定向和亂向鋼纖維分布時混凝土的抗壓、抗折和彎曲抗拉強度，結果顯示，隨著鋼纖維摻量的增加，亂向分布鋼纖維抗壓強度先增大后減小；定向分布纖維抗壓強度持續在增大，抗折強度不斷在增大，并且定向分布鋼纖維比亂向分布鋼纖維各方面性能都有一定程度的提高。劉瑞琳[5]則對水電工程中鋼纖維混凝土的抗沖磨性能進行了研究，通過研究不同纖維含量混凝土的抗沖磨特征，分析了沖磨試驗中鋼纖維混凝土質量損失與沖磨次數和鋼纖維含量的關系，從而提出了影響混凝土力學性能的鋼纖維含量臨界值，得到了抗壓強度與鋼纖維摻量之間的關系。江晨暉[6]等對鋼纖維混凝土抗壓強度尺寸效應進行了研究，通過制作了 3 種配合比的鋼纖維混凝土抗壓強度尺寸效應試塊，著重分析了尺寸效應對抗壓強度的影響，結果表明不同尺寸和形狀的試件的抗壓強度存在著線性相關性，并且強度修正系數應根據混凝土強度等級分段考慮。謝雨霏[7]等研究了鋼纖維摻量對混凝土力學性能的影響，表明抗壓強度隨鋼纖維摻量的增加增強效果不明顯，而抗拉強度則隨鋼纖維摻量的增加增強效果較為明顯。畢繼紅[8]等對單向受拉狀態下鋼纖維混凝土的本構關系進行了研究，考慮鋼纖維的增強作用提出了一個彌散開裂本構模型，并通過有限元軟件數值模擬結果與試驗結果對比，驗證了本構模型的準確性，并進一步探究了鋼纖維混凝土相關參數對抗拉性能的影響。吳全強[9]等主要對鋼纖維混凝土的收縮性能進行了研究，適量的纖維摻入能夠抑制干燥收縮，而過量的纖維摻入則會導致收縮性能下降。

1.2 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是一種人工合成的有機纖維，其在混凝土中的應用十分廣泛，眾多學者也對其進行了不同的相關內容和程度的研究。黃小芬[10]通過干縮試驗和溫縮試驗研究了聚丙烯纖維對水泥穩定建筑垃圾抗裂性能進行了研究，隨著纖維的摻入水泥穩定建筑垃圾的抗裂性能均有了不同程度的提高，干縮系數和平均溫縮系數均有所降低。金佳旭[11]等對聚丙烯纖維加筋鐵尾礦的宏觀和微觀特性進行了研究與分析，通過抗壓、抗剪試驗以及 SEM 等方法對其進行了研究，表明纖維是影響抗壓和抗剪強度的重要因素，纖維主要是對裂縫進行橋接作用，從而達到提高強度的作用。姚艷芳[12]就聚丙烯纖維對再生混凝土力學性能和干縮率的影響進行了研究，纖維的加入在降低混凝土的可加工性的同時還能有效提高抗壓強度，聚丙烯纖維的拔出性能可以有效增強聚丙烯纖維的斷裂韌性、降低動彈性模量、提高靜彈性模量，并且能夠有效抑制干縮應變。李永彪[13]研究了聚丙烯纖維對高強泡沫混凝土抗凍性能的影響，隨著纖維的加入，泡沫混凝土的強度最高可提高四倍，并且隨著纖維長度的增加混凝土的抗壓強度在不斷提高。牛荻濤[14]等研究了聚丙烯纖維摻量對再生磚混凝土的力學性能影響，通過制備 8 種不同纖維摻量的再生磚混凝土進行單因素試驗測定其力學性能，并建立應力—應變全曲線方程，隨著纖維摻量的增加，抗壓強度、劈裂強度都呈現先增大后減小的趨勢。郝贠洪[15]等對聚丙烯纖維增強水泥復合材料在風沙環境中的抗沖蝕性能進行了研究，沖蝕率隨著沖蝕角度的增大而增大，在 90 度時出現了不同的峰值，結合沖蝕后的微觀形貌可以表明，適量的聚丙烯纖維摻入可以增加密實程度、增加韌性、提高抗沖蝕性能。劉曉仙[16]等研究下了在高溫下聚丙烯纖維對混凝土性能的影響，主要研究對高溫后劈拉強度的影響，采用紅外熱像儀來檢測試件斷面的紅外溫升，結果表明適當聚丙烯纖維的加入可以有效抑制爆裂的發生。李福海[17]等對聚丙烯纖維混凝土梁變形性能進行了研究，推導出了適用于短期荷載作用下梁的最大變形公式，并基于有效慣性矩法推導出變形修正模型。沈文峰[18]等對水泥砂漿在沖擊荷載作用下動態力學特性進行了研究，試驗結果表明，纖維體積摻量在 1.25%時，水泥砂漿的動態抗壓強度、極限韌性最高，具有較好的抗沖擊性能。張廣泰[19]等對聚丙烯纖維混凝土梁受剪承載力進行了研究，結果表明，混凝土裂縫間的纖維可延緩裂縫發展，減小斜裂縫傾斜角度，提高構件受剪性能，且聚丙烯纖維混凝土梁較普通混凝土梁具有更好的承載能力、剛度和剪切延性。

1.3 亞麻纖維

亞麻纖維是一種稀有的天然纖維，僅占天然纖維總量的 1.5% 左右，主要用于航空用品和布制類產品，因此在混凝土中的應用與研究還較為稀少。何偉堅[20]等簡述了亞麻纖維的特點及各種改性技術的應用對其性能的影響，并對亞麻纖維在各領域的應用情況進行了簡要地分析和總結，探討了亞麻纖維的應用前景和發展趨勢。張波[21]簡述了劍麻纖維、苧麻纖維、黃麻纖維、亞麻纖維等植物纖維在混凝土中的主要利用途徑及研究進展以及對混凝土各種力學、耐久性能的影響。馬偉男[22]等簡述了亞麻纖維的性能與不足，并介紹了亞麻纖維在纖維增強混凝土及混凝土構件外貼纖維復合材兩方面的應用情況。夏媛媛[23]等對亞麻纖維復合材料約束混凝土圓柱的軸壓性能進行了研究，并得到了約束后混凝土的應力—應變曲線，利用已有的模型進行計算，得到亞麻纖維在結構約束方面的特點，結果表明雙向 FFRP 約束混凝土圓柱的破壞形式不同于單向纖維復合材料，應力—應變曲線表明 FFRP 約束混凝土結構也具有不同的二階段特性。許頎[24]對亞麻纖維對混凝土梁受彎性能進行了研究，表明摻亞麻纖維的梁荷載極限承載力與普通混凝土梁相比有不同程度的提高。李巖[25]等從植物纖維的微觀結構、化學組成以及力學性能入手，針對植物纖維增強復合材料的界面性能，綜述了國內外采用植物纖維表面處理方法來提升復合材料力學性能的研究進展，通過揭示植物纖維增強復合材料多層次、多尺度的界面力學損傷破壞機制，實現了植物纖維增強復合材料的界面調控和力學高性能化。

1.4 聚乙烯纖維

聚乙烯纖維是另一種人工合成的有機纖維，目前主要用于安全防護、航空、航海、體育用品等領域，因此在混凝土中的應用并沒有聚丙烯纖維那樣廣泛，但也有部分學者對其在混凝土中的應用進行了相關研究。習海平[26]等對聚乙烯纖維對超高性能混凝土性能的影響進行了研究，研究了長徑比和纖維摻量對混凝土性能的影響，得到了最佳的纖維摻量和不同養護方式對混凝土抗壓強度的影響。王義超[27]等研究了聚乙烯纖維作為增強材料來制備水泥基復合材料，通過直接拉伸、單軸抗壓及三點彎曲梁試驗研究了水泥基復合材料的基本力學性能，具有優異的應變硬化和多重裂縫開裂性能以及裂縫橋接性能。陳維燈[28]等研究了聚乙烯纖維對砂漿抗彎性能的影響，結果表明纖維的摻入可以大幅度提高聚合物改性砂漿的初裂應變和強度應變。黃政宇[29]等對聚乙烯纖維長徑比和體積摻量對高性能混凝土的性能影響進行了研究，聚乙烯纖維能顯著地提高混凝土的抗折與抗壓強度以及韌性，并且能夠改變混凝土脆性破壞的形態，表現為多縫開裂，荷載－撓度全曲線表現為位移硬化。晏麓暉[30]等對聚乙烯纖維混凝土基本力學性能進行了研究，通過立方體抗壓和抗拉試驗以及四點彎曲抗折試驗來對基本力學性能進行研究，聚乙烯纖維能較大程度提高混凝土的抗拉強度和抗折強度，且對混凝土有很好的阻裂和增韌效果。邊策[31]等對聚乙烯纖維混凝土的工作性能和耐久性進行了研究，摻入聚乙烯纖維后，混凝土流動性降低，但均勻性、抗滲性和抗沖磨性能提高較大，其中短纖維對性能改善最明顯。鄧宗才[32]等進行了聚乙烯纖維布約束混凝土短柱軸壓性能的試驗，主要分析了短柱的破壞形態、承載力、應力—應變曲線和變形性能等，聚乙烯纖維布可顯著改善混凝土柱的變形性能。

2 纖維混凝土研究趨勢

單一纖維在混凝土中的研究已較為普遍與成熟，混雜纖維在混凝土中的研究還有待更多的研究，每種纖維都有自身的優缺點，單一纖維的摻入目前雖然能夠起到增強混凝土性能的作用，但隨著社會的不斷進步與發展，對混凝土材料的性能要求會更高，單一纖維的摻入可能無法滿足人們對更高性能混凝土的要求。將兩種及以上的纖維混摻來進行研究，以期得到性能更優的混凝土材料或許將成為未來的一種研究趨勢，目前已有學者對纖維混摻進行了部分研究，研究結果也達到了期望要求，在今后的時間里，對纖維混摻混凝土的相關性能研究會越來越多、越來越廣泛。

3 結論

從天然纖維亞麻纖維到人工合成的金屬纖維鋼纖維和有機纖維聚丙烯纖維等，纖維在混凝土中的研究應用已十分廣泛，從試塊的基本力學性能（抗壓強度、抗拉強度、抗折強度）到工作性能和耐久性方面的研究，再到構件梁柱方面的研究，纖維的研究幾乎遍布混凝土方方面面。纖維的加入主要是起到增加混凝土韌性的作用，增加混凝土的延性，提高混凝土的性能，增強混凝土的承載力以及改變構件的破壞狀態。尤其是纖維在高性能混凝土中的應用，能有效提高高性能混凝土的性能，提高纖維混凝土的應用廣度，逐步實現資源化利用，纖維混凝土具有很好的應用前景。