纖維混凝土的研究及應用

趙 琳 遼寧工業大學土木建筑工程學院

1 前言

普通混凝土雖然作為主要建筑結構材料得到廣泛的應用。但是普通混凝土力學性能存在著一定的缺陷，即:它的抗拉強度、抗沖擊韌性性能、抗爆等性能比較差。纖維混凝土是以普通混凝土作為基材，以適量同時可以單摻、雙摻及三摻的纖維（不同的形狀、長徑比、類型等）作為增強材料，以不同的比例摻入到混凝土中,從而形成的一種優良性能的結構材料。

2 纖維混凝土的發展簡況

20世紀初美國學者H.F.Porter首先提出采用試驗研究了鋼纖維水泥混凝土的抗拉性能。20世紀40年代，多國的學者通過系列試驗研究了纖維混凝土的力學性能，但研究成果均未能詳細闡述其增強機理，因而限制其在土木工程結構的工程應用。

20世紀60年代，J.P.Romualdi等學者首次提出了纖維混凝土的阻裂機理。

20世紀70年代，美國Battelle公司采用了熔抽技術，導致鋼纖維的價格有所降低，為鋼纖維混凝土的工程應用奠定基礎。

20世紀80年代，鋼纖維混凝土在土木工程得到廣泛應用,其他纖維在水泥混凝土中的應用也有較大進展，常用的纖維如圖1～圖4。

圖1 玄武巖纖維

圖4 鋼纖維

3 纖維混凝土的多項性能研究

3.1 抗凍性能的研究

在我國尤其東北地區，由于溫差變化大，鋼筋混凝土結構構件等工程結構物遭受凍融損傷，使其安全性能得不到保證。長期以來，研究人員不斷通過多種手段提高混凝土結構構件耐久性能，在混凝土基體中加入纖維以提高其耐久性成為重要的研究方法之一。

孫家瑛通過系列試驗研究了植物纖維和聚丙烯纖維混凝土的抗凍性能，發現在混凝土中摻入這兩種纖維均可提高混凝土的抗凍性能，且植物纖維提高抗凍性能效果更顯著。何銳等采用聚乙烯纖維和聚丙烯塑鋼纖維成型混凝土研究其抗凍性，發現混凝土在凍融后彎曲韌性出現損傷但未出現脆性斷裂；趙兵兵等進行玄武巖－聚丙烯混雜纖維混凝土抗凍性能試驗，試驗找到了在凍融條件下改善強度損失和質量損失的最佳纖維摻量；何柏等研究了3種不同回潮率纖維成型混凝土的抗凍性能規律，不同回潮率纖維對混凝土結構改善不同，且隨凍融次數的增加，親水性纖維對混凝土抗凍性影響更明顯，凍融循環前后纖維混凝土受壓破壞形態如圖5所示。

圖2 纖維素纖維

圖3 聚丙烯纖維

圖5 凍融循環前后纖維混凝土受壓破壞形態

3.2 混摻纖維高溫后力學性能的研究

近年研究發現摻入單一品種的纖維對其力學性能的提高幅度不明顯,因此研究趨勢轉向了混雜纖維混凝土。劉沐宇等通過試驗探討纖維混凝土高溫后的殘余力學性能，試驗結果表明:超過800℃,殘余抗壓強度降低了46%,而抗拉強度降低了68%,與素混凝土相比,纖維混凝土具有較好的耐高溫性能。Sanchayan等通過試驗探討鋼-聚乙烯醇混雜纖維活性粉末混凝土高溫性能,試驗結果表明：隨著溫度的升高,質量損失率逐漸提高,纖維摻量對其性能影響較小。高超等通過試驗探討研究了溫度與強度變化的規律,試驗結果表明：小于200℃時，抗壓強度均略有增加,高于200℃,隨著溫度的升高,抗壓強度開始降低。劉鑫等通過試驗探討鋼纖維混凝土抗壓強度受溫度影響規律（20℃，200℃，400℃，600℃，800℃）,試驗結果表明：高溫下抗壓強度的變化呈先升后降的趨勢，在400℃時抗壓強度達到最大值。

3.3 混摻纖維混凝土力學性能的研究

自從混凝土問世以來，由于混凝土的抗拉強度較低導致受拉區域容易開裂，如何解決混凝土結構構件開裂問題，一直是工程應用研究的熱點課題。混凝土的劈裂抗拉強度與混凝土的強度等級呈線性關系，但是拉壓比反而隨著強度等級的提高而減小，實際上是資源的浪費。目前學者普遍認為：纖維的摻入，可以有效提高混凝土的抗拉和韌性性能。我國纖維混凝土研究相比國外雖然起步較晚,但也取得了豐富的成果，我國的CECS 38—2004《纖維混凝土結構技術規程》對鋼纖維、合成纖維等的物理力學性能與施工等方面作了要求，但有關混雜纖維混凝土的技術標準仍為空白。大量研究表明，鋼纖維在混凝土受荷作用時，起到阻裂的效果，可以大幅提高抗拉強度和韌性性能；合成纖維則能有效減小混凝土的收縮變形，但效果沒有鋼纖維顯著。孫偉和錢紅萍等研究發現，三種不同尺度、同一性質的鋼纖維混雜，較單摻一種鋼纖維的混凝土，在阻裂、減少收縮等方面均有明顯的增強效應。Mitsui K和Kojima M等配置合成纖維與鋼纖維混雜高強度混凝土，其韌性和抗裂性能指標都得到了明顯提高，且減小了混凝土的自收縮性。Eethar T D和Ramlib M通過試驗研究了鋼纖維和棕櫚纖維的混雜纖維混凝土，采用摻量分別為1.5%的鋼纖維和0.5%棕櫚纖維混雜，韌性指數得到明顯提高，此外混雜纖維還可以提高鋼筋混凝土構件的整體彎曲韌性和彎曲剛度。

4 結束語

纖維混凝土能夠明顯提高其強度、延性及耐久性能。鋼纖維對混凝土抗拉、抗壓強度的提高好于聚丙烯纖維，但對其彎曲強度影響基本一樣；高溫作用下聚丙烯纖維好于鋼纖維混凝土；纖維混凝土強度均隨水泥含量的增大而降低；纖維混凝土的抗沖擊性能等性能得到明顯改善，使得其能更好應用于橋隧工程結構、海洋平臺等大型工程結構并能提高其耐久性能。