纖維混凝土的分類及應用研究

張哲　牛東旭

摘 要：隨著我國建筑行業的快速發展，傳統混凝土因某些基礎性能不足已無法滿足工程多樣性的需要，纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）已逐漸成為適應行業發展趨勢的新型建筑材料。混凝土中添加適量的纖維，抗裂性、耐久性、抗疲勞性、抗沖擊性、拉伸性能等顯著提高。FRC在工程上應用的領域范圍不斷擴大，且獲得廣大研究人員的一致認可。對纖維增強混凝土的機理進行了分析，總結了幾種常見FRC以及混雜纖維混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete，HFRC）的特點，指出了幾點不足并對應用前景進行了展望。

關鍵詞：纖維;混凝土;強度;綜合性能;展望

中圖分類號：TU528 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）4-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.018

Analysis on the Classification and Application of Fiber Concrete

ZHANG Zhe? ? NIU Dongxu

（School of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China ）

Abstract： With the development of China's construction industry， the traditional concrete can not meet the needs of Engineering diversity due to the lack of some basic properties. Fiber reinforced concrete （FRC） has gradually become a new building material to adapt to the development trend of the industry. The crack resistance， durability， fatigue resistance， impact resistance， tensile properties and so on are significantly improved by adding proper amount of fiber into concrete. The scope of application of FRC in engineering is expanding， and has been unanimously recognized by the majority of researchers.The mechanism of fiber reinforced concrete is analyzed， and the characteristics of several common FRCS and hybrid fiber reinforced concrete （HFRC） are summarized. Some shortcomings are pointed out and the application prospect is prospected.

Keywords： fibre; concrete; strength; comprehensive performance; expectation

0 引言

混凝土作為一種不可或缺的建筑材料在工程中被長期廣泛應用，但逐漸顯示出塑性收縮開裂、韌性差、抗拉強度低等自身缺陷。近年來，隨著高層建筑和長跨度建筑的快速發展，混凝土應用的領域不斷擴大，工作環境日趨復雜。因此，建筑行業對混凝土強度和力學性能的要求逐漸提高[1]。為了應對上述問題，FRC成為重要的替代品，并因其出色的力學性能在建筑行業中獲得了廣泛的研究和應用。FRC是一種多相非均質復合材料，以纖維材料（鋼、碳、聚丙烯、玄武巖、玻璃等）為增強材料，以水泥漿、砂漿或混凝土作為基質[2]。

1 纖維的作用機理

1.1 基本理論

通常采用復合材料理論和纖維間距理論來解釋FRC的增強機理[3]。前者基于復合材料的混合規律，后者是纖維和基體之間完美結合的理論。復合材料理論將FRC簡化為纖維與混凝土各為一相的復合體系，將纖維的增強效果視為各相材料綜合性能的累積。纖維間距理論基于線彈性斷裂力學，認為混凝土內部存在大量缺陷（微孔隙、微裂紋），在外力作用下產生應力集中，引發微裂紋的萌生、擴展。混凝土基體中添加纖維后，纖維的約束作用抵抗微裂紋的萌生和擴展，降低了裂紋尖端應力集中的程度，進而達到增強的目的。

1.2 細觀機理

橋接效應是纖維增強的主要機制[4]，這種效應發揮作用的前提是纖維均勻分布在混凝土基體中。纖維的添加可以橋接基體中形成的裂紋，當混凝土出現微裂紋時，起填充作用的纖維將連接微裂紋相鄰表面之間的間隙，并改善混凝土的內部結構。隨著裂紋進一步擴展，纖維將通過與基體的相互作用減小裂紋的寬度和面積。當裂紋最終形成時，亂向分布的纖維將形成三維網格結構，進一步連接裂紋并通過橋接效應傳遞分散應力。

2 幾種常用的纖維

目前，工程上最常使用的纖維主要有鋼纖維、碳纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等。

2.1 鋼纖維

鋼纖維與混凝土的結合已被證實可以改善各種力學性能，由于其在拉伸、能量耗散和抗裂性方面的優越性能，已獲得越來越多的認可。鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）的增強效應主要與纖維形狀、尺寸、長徑比、體積分數密切相關。常用的鋼纖維有彎鉤形、大頭形、集束形等幾何形狀。鋼纖維被制造成各種形狀，目的是抑制纖維從混凝土基體中拔出，從而提高混凝土的韌性。纖維的長度通常在6～80 mm之間變化，橫截面積在0.1～1.5 mm2的范圍內，一般建議纖維的長度為最大骨料尺寸的2～5倍。通常，增強效應隨著纖維長徑比的增加而增加，最常使用的纖維長徑比在20～100之間。過大的長徑比將導致纖維分散不均勻，混凝土拌合物的和易性變差。體積分數在配合比設計中具有重要的意義，纖維含量過低對混凝土性能的提高幾乎沒有任何作用，含量過高將增加攪拌的難度，對和易性產生不利影響。研究表明，體積分數的最佳范圍為0.5%～2.5%。鋼纖維作為使用最廣泛的混凝土增強材料，優點主要表現在三個方面。第一，鋼纖維具有較高的彈性模量和剛度，可以提高膠凝材料的延展性、韌性、抗折強度和抗剪強度;第二，當向鋼纖維混凝土施加外部荷載時，鋼纖維能夠吸收能量、橋接裂紋、傳遞荷載并抑制裂紋擴展;第三，減少混凝土的收縮、徐變和滲透性。SFRC在抗沖擊性、抗爆炸性能、抗疲勞性方面有了很大的提高，因此被廣泛應用于軍事和安全防護工程中。但在長期的使用過程中也暴露出易結團、施工和易性差、易銹蝕的缺點，致使在腐蝕環境下結構耐久性變差。

2.2 碳纖維

碳纖維是一種輕質復合材料，瀝青、人造絲、聚丙烯腈、樹脂等是制作碳纖維的原材料。瀝青是煉焦和石化工業的副產品，因此，瀝青是制備碳纖維的廉價原材料。聚丙烯腈基和瀝青基兩種類型的碳纖維可用于混凝土中，聚丙烯腈基碳纖維具有非常高的彈性模量和抗拉強度，主要應用于航空航天領域和生產體育設備。盡管聚丙烯腈基纖維是第一種應用于混凝土的離散短切碳纖維，但由于其生產成本高，目前很少用于土木工程中。瀝青基碳纖維因成本較低，通常用于土木工程中。即使瀝青基碳纖維的彈性模量低于聚丙烯腈基纖維，但由于其重量輕、耐磨性好、耐熱性高等優點而被廣泛應用于許多工業領域。碳纖維相比于其他纖維的突出優點是它的導電性、溫度敏感性、壓敏性較強。碳纖維混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concrete，CFRC）不僅具有更高的抗壓強度、抗彎強度和斷裂韌性，而且是一種智能混凝土，用于混凝土結構的健康監測與智能診斷。但由于碳纖維的直徑小，一般在8 μm左右，導致其在混凝土中分散性較差。因此，應采用添加合適的分散劑或超聲波振動的方法來達到其在混凝土中均勻分散的效果。利用分散劑分散碳纖維的步驟為：

①稱量所需水、分散劑、消泡劑、碳纖維。

②將稱好的分散劑緩慢地倒入到水中，一邊倒一邊用搗棒不停地攪拌，直到水變為凝膠狀態為止。

③均勻地撥撒碳纖維到分散液中，繼續攪拌，直到碳纖維在分散液中分散均勻。

④此時的分散液表面分布有很多微小氣泡，加入消泡劑攪拌至分散液表面氣泡消失，獲得的碳纖維分散液可用于混凝土拌合物的攪拌，利用此種方法制作的CFRC具有優良的力學性能。

2.3 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是一種含100%聚丙烯基的人造材料，生產工藝流程簡單，易于應用，被認為是混凝土的次要增強筋，聚丙烯纖維混凝土（Polypropylene Fiber Reinforced Concrete，PFRC）已在世界上許多基礎設施建設和防護工程中廣泛使用。聚丙烯纖維因其價格低廉、重量輕、可顯著改善混凝土性能而備受工程的青睞。在混凝土攪拌過程中，聚丙烯纖維因表面疏水不會被水泥漿潤濕，有助于防止切碎的纖維成球結團，減少了混凝土的沉降和泌水。加入適量的聚丙烯纖維，不僅能明顯抑制混凝土的塑性收縮和裂紋擴展，而且能提高混凝土的滲透性、抗沖擊性、耐久性。在提高滲透性方面，在高溫環境下，PFRC內部的聚丙烯纖維熔化，形成的孔隙和微裂紋的連通增加了氣體滲透性，從而防止剝落;在抵抗沖擊性方面，聚丙烯纖維可以改善混凝土的動態力學性能。在動態荷載作用下，PFRC具有明顯的應變率敏感性，強度和彈性模量隨著應變率的增大而增加，峰值應變沒有明確的變化規律;在耐久性方面，聚丙烯纖維耐酸堿，化學性質穩定，可與任何類型的水泥一同使用，不會在混凝土中發生腐蝕，能夠抵御硫酸鹽等其他化學物質的侵蝕。

2.4 玄武巖纖維

玄武巖纖維是由天然火山巖經熔化和拉伸而成，生產工藝環保，不產生任何有害物質，是一種新型、綠色、經濟、高性能的無機纖維。玄武巖纖維具有明顯不同于其他纖維的特性，強度遠高于天然纖維和合成纖維，彈性模量與碳纖維在一個數量級，高于其他纖維。兩種纖維的綜合性能相當，但玄武巖纖維的生產成本僅是碳纖維的1/10。玄武巖纖維具有優異的物理和力學性能：耐酸堿性、良好的高溫穩定性和潤濕性，由于玄武巖纖維具有三維分子維數，與一維線性聚合物纖維相比，它具有更高的抗拉強度、剪切強度、抗壓強度;在惡劣的環境中也能具有優異的適用性和耐老化性;能夠改善混凝土的脆性，對于提高混凝土的延性效果明顯。玄武巖纖維能夠在提高混凝土韌性和防止混凝土裂紋擴展方面發揮重要作用，主要與三個方面有關。第一，玄武巖纖維從細觀層面增強混凝土的性能，以其高彈性模量和抗拉強度在裂紋處充當橋梁，抑制裂紋擴展，提高了混凝土的吸能能力和韌性。第二，玄武巖纖維易于分散在混凝土中，呈單絲分布的纖維與基體形成密閉的空間網狀結構來承擔和分散應力。第三，玄武巖纖維作為一種無機材料，能夠促進水泥的水化反應，與混凝土基體結合緊密并具有較高的界面結合強度;水化產物填充了混凝土內部微小孔洞，增加了密實度，進而提高了增強效果。

2.5 玻璃纖維

玻璃纖維是一種無機非金屬材料，通過熔融玻璃直接制成。玻璃纖維價格便宜、重量輕、抗拉強度高，是一種良好的增強材料。混凝土中添加玻璃纖維后，抗壓強度、抗拉強度和韌性顯著提升。由于混凝土基體中各向分布的玻璃纖維能夠降低混凝土的塑性流動且能有效地控制收縮裂紋，進而提高了抗壓強度。玻璃纖維的長度與直徑非常小，能夠填補混凝土內部空隙，增加密實度，限制了混凝土的橫向變形，導致抗拉強度提高。有玻璃纖維混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GFRC）最初是一種良好的韌性材料，但經長期風化作用后有變脆的趨勢[10]。老化現象嚴重影響玻璃纖維混凝土的力學性能。隨著時間的推移，由于風化作用或環境的影響加劇了玻璃纖維的損壞，從而對混凝土的力學性能產生不利影響。玻璃纖維的損壞歸因于兩種機制：一是混凝土堿性環境對玻璃纖維產生化學侵蝕，致使其強度降低;二是水泥的水化產物氫氧化鈣沉積于玻璃纖維的表面使其出現缺陷。當GFRC受到外力作用時，玻璃纖維松動，沒有調整的余地，從而失去韌性。為防止這些不利因素對混凝土耐久性的影響，在混凝土中使用耐堿玻璃纖維或外加劑是一種理想的選擇。耐堿玻璃纖維是一種輕質、無腐蝕、環保、經濟的新型材料，耐堿玻璃纖維混凝土具有防腐蝕性能，有助于提高混凝土的耐久性。在混凝土外加劑中，火山灰材料由于與水化過程產生的氫氧化鈣發生化學反應，可防止水化產物在纖維周圍堆積，并改善混凝土的力學性能。

3 混雜纖維混凝土

混凝土的變形破壞是一個漸進的多尺度過程，發生在微觀和宏觀兩個層面。當僅使用一種類型和尺寸的纖維作為增強材料時，纖維的作用能力有限，因為它們明顯限制了自身尺度下的裂紋擴展，并且對其他尺度下的斷裂過程幾乎沒有影響。因此，采用不同尺寸、不同力學性能的纖維組合來使混凝土達到最佳性能，是一種合理的做法。HFRC因其優越的力學性能，被廣泛應用于機場跑道、橋梁、道路、水利工程等重大工程中，是一種具有廣闊發展前景的建筑材料。HFRC是指以合適的方式將兩種或兩種以上具有不同特性的纖維混合在一起，從而充分發揮每種纖維的優勢，達到彌補混凝土自身缺陷的目的。在設計良好的混雜復合體系中，纖維之間存在正相互作用，由此產生的混雜性能超過了單個纖維性能的總和，這種現象被稱為“混雜效應”。多種纖維組合可產生混雜效應。

混雜纖維的體積分數和混雜效應是影響HFRC物理力學性能的重要因素，體積分數和纖維的長徑比有關，可以通過適當選擇纖維的幾何形狀來調整長徑比。混雜效應可以描述纖維混雜對混凝土力學行為的影響，通過引進“混雜效應系數”來評價。定義[β]為FRC較基準混凝土的纖維增強系數：

β=σ/σ（1）

式（1）中：σ為FRC的抗壓強度，σ為基準混凝土的抗壓強度。

將M纖維與N纖維以及混雜兩種纖維FRC的纖維增強系數分別記為β、β、β，N，定義M、N兩種纖維的混雜效應系數α，N為：

α=β/β?β （2）

HFRC中存在正、負兩種混雜效應，當α>1時為正混雜效應，α<1時為負混雜效應。何曉雁等[5]開展了混雜纖維（玄武巖與聚丙烯）活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的抗壓試驗，利用混雜效應系數（α）分析了上述兩種纖維在RPC中的混雜效應，如表1所示。結果表明：當玄武巖纖維摻量為4 kg /m，聚丙烯纖維摻量為0.6 kg/m時，混雜效應系數達最大值。當玄武巖纖維摻量超過4 kg /m時，混雜效應系數略有下降，且纖維增強系數不隨聚丙烯纖維摻量的增加而增加，說明聚丙烯纖維對RPC的增強作用效果較小，玄武巖纖維起主要增強作用。因此合理搭配纖維，選擇適當摻量，能夠發揮不同纖維的優勢，獲得正混雜效應。出現負混雜效應主要和纖維摻量過多有關，纖維無法在混凝土中分散均勻、結團嚴重，導致其對混凝土的增強作用失效。

4 結語

FRC是一種新型的工程材料，是混凝土改性的最新研究領域，是繼鋼筋混凝土之后的又一次重大進展。混凝土中摻入纖維后，各項性能提高明顯，鋼纖維、聚丙烯纖維、碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維以及混雜纖維在改善混凝土性能方面效果突出，并在實際工程應用中獲得了檢驗。目前，我國關于FRC的研究已取得豐碩的成果，但仍存在三點不足。第一，沒有找到十分簡單均勻分散纖維的方法;第二，FRC的配合比設計基于普通混凝土，忽略了纖維的作用;第三，我國現有的FRC的規范都是根據鋼纖維制定的，很少涉及其他纖維。伴隨著建筑行業的發展，這些問題也會隨著理論的逐漸成熟和技術水平的不斷提高而被解決。根據實際工程需要，合理選用、科學搭配纖維制備具有優良性能的新型混凝土，必然是未來混凝土領域發展的方向和研究熱點。

參考文獻：

[1] 白衛峰，沈鋆鑫，管俊峰，等.基于統計損傷理論的混凝土應力：應變行為[J].建筑材料學報，2021，24（3）：551-561.

[2] 楊永生，王軍.纖維再生混凝土基本力學性能試驗[J].遼寧工程技術大學學報（自然科學版），2013，32（12）：1669-1672.

[3] ZHOU H， JIA B， HUANG H， et al. Experimental study on basic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete[J]. Materials， 2020， 13（6）： 1362.

[4] XIE J， KOU S， MA H， et al. Advances on properties of fiber reinforced recycled aggregate concrete： Experiments and models[J]. Construction and Building Materials， 2021：277.