纤维混凝土研究进展

王晓翠 吴凯 徐玲琳

[摘要] 混凝土是一种脆性材料，具有抗拉强度低、易开裂、变形性能差等弱点，而采用纤维增强混凝土是对混凝土进行改性的重要途径。本文概述了现阶段纤维混凝土的分类、研究和发展动态，并对纤维混凝土在实际应用过程中需注意的问题进行了总结。

[关键词] 混凝土；纤维；分类；进展

[中图分类号] TU528.527 [文献标志码] A[文章编号] 1003-1324（2012）-04-0071-04

混凝土是一种多相复合材料，由于各组成材料性质的差异和施工养护的影响，混凝土内部不可避免地存在大量的微裂缝，这些裂缝的存在，影响了混凝土的性能，特别是降低了混凝土抗拉强度，这也是混凝土呈脆性破坏的主要原因。通过加入掺合料和化学外加剂实现混凝土的密实性和强度的提高，是制备高性能混凝土的主要途径。但是，混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%作用，仍存在拉压比低、韧性差与收缩大等缺点。随着抗压强度的提高，混凝土脆性表现得愈明显[1]。而纤维具有抑制混凝土收缩、提高混凝土抗拉强度、增加混凝土韧性的作用，能够解决高强高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和收缩大的问题，也能适应现有施工水平和设备条件[2]。因此，纤维混凝土是当今混凝土技术发展的重要趋势。

1 分类

1.1 钢纤维混凝土

在普通混凝土中掺入适量钢纤维配制而成的混凝土，称为钢纤维混凝土或钢纤维增强混凝土。与普通混凝土相比，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高[3]。

早期混凝土工程中采用的钢纤维主要品种有：用细钢丝切断生产的圆直型钢纤维，用熔抽法生产的钢纤维，用薄钢板剪切生产的平直型或扭曲型钢纤维。随着混凝土应用技术的发展，人们对钢纤维性能的认识不断深入。根据试验研究和工程应用实际情况，钢丝切断圆直型纤维与基体的粘结性能差，碳钢熔抽型纤维在高温冷却过程中表面往往会形成氧化皮，从而严重降低了纤维与基体的粘结性能。因而这几种类型的钢纤维在工程中被逐渐淘汰。相应的高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，因其增强了与混凝土基体的粘结力，对混凝土的阻裂、增强、增韧的效果显著，在工程中逐渐得以广泛应用。

1.2 碳纤维混凝土

碳纤维混凝土是将碳纤维均匀地分散在水泥基体中，用以增加混凝土的物理力学性能的一种复合材料。碳纤维混凝土的主要特征具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性[4]。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。

碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防震能力和抗弯强度提高十几倍。碳纤维混凝土具有很高的抗拉性、抗弯性、抗断裂性、抗蚀性等特点。由于碳纤维的较小的膨胀系数，碳纤维混凝土的耐热性较好，温度变形也较小。

碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是：阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻止宏观裂缝的发生及发展。因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时具有高基体的抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和冲击韧性。碳纤维体积分数为1.18%时，试件劈拉强度提高1.2%，按复合规则，碳纤维的增强作应随水泥中纤维含量的增大而增加，在碳纤维的重量百分含量小于5%时，这个关系几乎是线性的，含量再增加时，碳纤维难以在基体中分散均匀，不能起到增强效果，甚至使碳纤维混凝土抗拉强度降低。此外，碳纤维混凝土还具有良好的耐腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。

1.3 玻璃纤维混凝土

玻璃纤维混凝土（GRC）是将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀地分布于水泥砂浆、普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。近20年来，玻璃纤维混凝土在英国、美国、日本等40多个国家已开始大量应用。它将轻质、高强和高韧性优点集于一体，在建筑领域中占有独特地位。特别自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把玻璃纤维混凝土技术引向新的发展阶段。

由于玻璃纤维的直径仅为5～20μm，几乎与水泥的颗粒相接近，使用玻璃纤维时，所用的结合材料为水泥浆，或者在其中掺入细砂来使用，几乎不使用粒径较大的粗骨料。所以，用这种素材制作而成的复合材料，又称为增强补强水泥。

采用玻璃纤维混凝土是建筑工程今后发展方向，它不仅可以弥补普通混凝土制品自重大、抗拉强度低、耐冲击性能差等不足，而且还具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纤维混凝土制品较薄，质量较轻。由于采用抗拉强度极高的玻璃纤维作增强材料，因而其抗拉强度很高。玻璃纤维均匀分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龟裂，由于在破坏时能大量吸收能量，因而耐冲击性能优良、抗弯强度较高[5]。此外，玻璃纤维混凝土制品脱模性好、加工方便，易做成各种形状的异型制品。

1.4 聚丙烯纤维混凝土

聚丙烯纤维混凝土是将切成一定长度的聚丙烯纤维，均匀地分布在水泥砂浆或普通混凝土的基材中，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。这种纤维混凝土具有轻质、抗拉强度高、抗冲击和抗裂性能等优点，也可以以聚丙烯纤维代替部分钢筋而降低混凝土的自重，从而增加结构的抗震能力。

聚丙烯纤维混凝土是研究与应用最多的合成纤维混凝土。随结晶度不同，聚丙烯纤维的密度范围为0.87～0.95 g/cm3，熔融温度107～141℃。根据纤维形状和构造不同，聚丙烯纤维可分为单丝纤维、并行的原纤化纤维束和薄膜纤维。单丝纤维有较高的长径比，并行的原纤化纤维束能方便地在水泥基体中分散，虽化学键连接有限，但机械粘结好，可使纤维受力时不被拔出[6，7]。

聚丙烯纤维的抗拉强度虽然比普通混凝土高，但其弹性模量却比较低，在较高应力情况下，混凝土易达到极限变形。但在掺加适量聚丙烯纤维时，这种复合材料的抗冲击性能比普通混凝土要大得多，这为荷载不高但要求耐冲击、高韧性构件的制作，找到了一条很有发展前途的路子。此外，聚丙烯纤维不锈蚀，其耐酸、耐碱性能也好。

2 纤维的作用

纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然纤维为增强材料组成的复合材料。由于纤维并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能，因而不会破坏混凝土的耐久性。纤维在增强水泥基材纤维的抗拉强度、弹性模量和提高极限延伸率等方面都远较素混凝土大，将这些纤维掺入混凝土中，不但可有效地限制水泥基体中微裂缝的扩展，还可提高混凝土强度，弥补普通混凝土的自身缺陷，延长其使用寿命，扩大其应用领域。

纤维加入水泥基体中，主要有以下三方面的作用[2，8]：

（1）阻裂作用；

混凝土内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，纤维加入后可阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂纹的出现。这种阻裂作用既存在于硬化前的塑性阶段，也存在于硬化阶段。混凝土未硬化前，由于水泥基体在浇注后24h内抗拉强度较低，此时均匀分布于混凝土单位体积内较大数量的纤维，犹如存在于混凝土内的大量微细筋，它们构成均匀乱向支撑体系，不但可承受因塑形收缩引起的拉应力，还可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和硬化初期）离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度。混凝土硬化以后，若基体仍处于约束状态，当因周围环境温度、湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在这种情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。

（2）增强作用；

混凝土不仅抗拉强度低，而且内部由于原材料、施工、养护和使用等方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷载的作用下，这些缺陷周围应力分布不均匀，成为混凝土破坏的诱导因素。当混凝土中加入适量的纤维后，在混凝土硬化过程中，均匀分布的短纤维可以起到改变混凝土内部结构、减少混凝土内部缺陷的作用。在受力过程中，纤维与基体共同承担荷载、共同发生变形，即使在基体开裂后纤维仍能继续承担荷载，从而使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度和疲劳强度等有一定程度的提高。

（3）增韧作用；

混凝土凝固后，由于水泥与包裹水泥的纤维丝相粘连而形成乱向分布的网状增强系统，有利于限制裂缝的发展，增强混凝土的韧性。在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可以横跨裂缝而承受一定拉应力，使混凝土具有较高的剩余强度和极限应变。同时在混凝土受载过程中纤维还可吸收大量能量，有效减少应力集中程度，阻碍裂缝的迅速扩展，增强混凝土的抗冲击能力。研究结果表明，将纤维掺入混凝土中，不仅能提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪强度和抗疲劳强度，而且还能增强混凝土的耐磨性、抗侵蚀性、抗冲击性、抗冻融性和抗渗性等耐久性能，避免构件“脆断”现象的发生。纤维在混凝土中的作用还与纤维品种、性能、纤维与混凝土界面间的豁结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素密切相关，并不是所有的纤维都能同时起到以上三种作用的。

3 影响因素

3.1 纤维本身的性质

纤维是处在一个碱性的环境中发挥其物理效应的，所以纤维首先必须具有较好的耐碱性，不受水泥水化物的侵蚀，其次保证纤维与水泥基体之间有足够的粘结强度。纤维在混凝土中要发挥作用，必须具有比较高的抗拉强度和较大的变形能力。与水泥基体相比，抗拉强度至少要高出两个数量级，极限延伸率至少要高出一个数量级。纤维掺量太少，起不到阻裂的作用；纤维掺量过多，使混凝土和易性变差。同时，过多的界面使内部界面微裂纹增多，基体混凝土强度性能反而下降。此外，纤维必须具有合适的尺寸，在均匀分散的前提下，纤细而挺实的纤维具有更好的抗裂增强性能，其长度与直径的比值大于临界值时才能对水泥基体产生明显的增强效应。

3.2 施工方式

纤维的分散性是纤维的关键指标，纤维混凝土中所用的纤维应具有良好的分散性，不结团，不成束，这样纤维才能在实际的混凝土工程中推广应用。不同的施工方式，对纤维的分散性和排列均有不同程度的影响。在振捣成型的过程中，纤维随着振捣会产生平行于骨料、模板或振捣设备表面的“边缘效应”，平行于骨料表面初始裂缝的纤维起不到约束裂缝的作用，应合理控制振捣时间，并且尽可能提高纤维混凝土的自密实能力。

3.3 配合比的影响

与普通混凝土的配合相比，纤维混凝土的配合比有以下特点：

1）骨料间的空隙率增加。当1m3混凝土中掺入体积掺率Vf=1%的钢纤维时，纤维的堆积体积占0.12 m3是其绝对体积的12倍，所以需要更多的砂浆来填充空隙，需要更大的砂率。

2）纤维的掺入，砂率的提高增大了骨料的比表面积，应采用较高的单位水泥用量。同时纤维将吸附更多的拌和水，纤维间交错搭接阻碍了骨料间的相对滑移，使拌和物变稠，流动性下降。可使用减水剂增大水灰比或者是增加单位水泥用量。

3）选择合适的集料粒径。骨料界面是混凝土结构的薄弱处，也是最先发生破坏的地方。当纤维长度大于最大公称粒径时，能够穿越最大粒径，建立起纤维增强和抗裂的“微桥梁”，就能更好地发挥纤维的增强、增韧作用。集料粒径大于平均纤维间距，将导致纤维在大颗粒集料之间聚集和相互干扰。

4 理论研究

纤维混凝土的理论研究有助于更好地认识纤维混凝土的增强机理，以便更有效地发挥混凝土和纤维的作用，进而为纤维混凝土的工程应用提供理论依据和必要的施工技术参数。

（1）力学性能方面

纤维混凝土的力学性能是其工程应用最关键、最基本的指标，也是纤维混凝土众多研究者热衷的研究课题。目前的研究主要集中在纤维混凝土的抗压、抗拉、抗折、抗冲击强度，纤维对混凝土断裂性能和韧性的增强作用以及混杂纤维的增强效果上。虽然纤维对混凝土具有增强作用，但不同弹性模量的纤维对混凝土力学性能的影响是不同的，随着弹性模量的减小增强作用也会有一定程度的降弱。一般认为纤维对混凝土抗压强度的提高很小甚至有所降低，而对于抗拉、抗折、抗冲击强度均会有不同程度的提高，不同试验者得出的数据虽不尽相同，但结论都是相同的。纤维加入后混凝土的断裂性能和韧性也会有较大提高。纤维性质不同，对混凝土的增强作用也会存在差异，纤维可提高混凝土的强度，而小弹性模量、大变形纤维可明显增强混凝土的韧性。单一纤维很难实现强度和韧性的同时提高和增强，但若同时掺入大弹性模量的纤维和强延性纤维，使两种甚至几种纤维在混凝土的不同受荷阶段和不同结构层次上发挥各自的增强、增韧作用，便可获得具有优异综合力学性能的混杂纤维混凝土。因而混杂纤维增强水泥基复合材料的研究是一个很有潜力的方向。

（2）耐久性方面

目前对纤维混凝土耐久性的研究主要集中在纤维混凝土的抗裂性、抗渗性、抗冻性、耐磨性和抗冲击性等方面。国内外关于钢纤维混凝土的试验研究结果表明，钢纤维可有效地增强混凝土的抗裂性、抗渗性、抗冻性、抗疲劳性、抗冲击性及抗冲刷耐磨性。纤维混凝土在水工结构、地下工程及处于恶劣环境中的结构构件等方面具有绝对优势和广阔的应用前景。

5 使用时应注意的问题

（1）纤维材料的选择要根据结构的使用环境、受力特点等，选择抗拉强度高，耐久性能好，易施工，成本低的纤维材料；

（2）控制好纤维长度和截面形态可使纤维在混凝土中分布均匀，小结团，同时与混凝土有较大的接触表面，有较好的粘结强度；

（3）配制混凝土时既要保证强度的要求，又要有较好的和易性，还要方便施工，能与纤维结合紧密；

（4）掺入纤维材料后混凝土的表面抗裂性能、抗拉性能、抗折性能等都有明显的改善，这要求配制混凝土时的水灰比不能过大，因此在配制混凝土时要加入一定量的减水剂、缓凝剂，从而进一步提高混凝土的性能，充分发挥纤维材料的作用。

6 结束语

我国自20 世纪70年代以来，纤维增强水泥基复合材料的应用领域日益广阔，并且编制了包括钢纤维混凝土和合成纤维混凝土的《纤维混凝土结构技术规程》（中国工程建设标准化协会标准CECS38：2004）。这些标准的实施大大推进了各种纤维在我国各项工程中的使用。加入纤维后也出现了一些问题，比如使得混凝土的成本提高、施工工艺复杂、流动性变差，甚至性能恶化，尤其成本和性能是制约纤维混凝土应用的最主要原因。因此，进一步降低成本，开发能有效改善混凝土力学和耐久性能的纤维材料成为今后该领域发展的重要方向。

参考文献

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[8] 沈荣熹， 崔琪， 李青海. 新型纤维增强水泥基复合材料[M]. 北京： 中国建材工业出版社， 2004.