非晶合金纤维特性及其增强混凝土研究综述

江朝华，栾智勇，张伟伟，黄珊珊

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

非晶合金纤维特性及其增强混凝土研究综述

江朝华，栾智勇，张伟伟，黄珊珊

(河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098)

在混凝土中掺入纤维是提高基体韧性，抑制其收缩开裂，获得高性能混凝土的有效途径之一。新型非晶合金纤维(或称金属玻璃带)具有优良的力学性能和抗腐蚀特性，制备的混凝土复合材料比强度高、比模量大、柔韧性和耐腐蚀性能好。介绍了非晶合金纤维材料的发展概况和主要特性，重点阐述了非晶合金纤维增强混凝土的力学性能和抗腐蚀性能研究现状，并指出非晶合金纤维在增强混凝土领域的应用前景及存在主要问题。

港口工程；非晶合金纤维；纤维增强混凝土；性能；应用前景

0 引 言

纤维增强混凝土(fiber reinforced concrete, FRC)或简称纤维混凝土是兴起于20世纪后半叶的一种新型建筑材料，被广泛应用于航空、航天、电子、电气、机械、建筑、水利、交通、能源等各个领域的土建工程中[1]。在混凝土等水泥基材料中掺入纤维可以提高基体抗裂性能，使水泥基体具有更高的承载力；改善基体的应变能和延展性，增加基体吸收能量的能力、提高基体韧性；阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空间；从而极为有效地增强水泥基材料的韧性，抑制微细裂纹的产生和发展[2-6]。将具有优良抗拉弯性能、耐冲击以及高抗渗性的纤维混凝土应用于军事、水利、建筑、机场、桥梁、公路等工程领域，特别是应用于长期暴露在恶劣环境中的港口、码头、近海平台等海港工程特殊领域中，对提高建筑物耐久性、延长整个生命周期具有重要意义[7-12]。

目前，在工程中应用最广泛的纤维主要有钢纤维(SF)、碳纤维(CF)和聚丙烯纤维(PP)等[13-14]。其中，碳纤维具有强度高、模量大、比重小、耐碱等优越性能[15-16]，但碳纤维直径细小、表面憎水导致其分散性差、易引起混凝土电阻率波动以及价格昂贵等问题，在很大程度上限制了其在工程中的应用[17]；钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料，它具有抗裂、抗冲击性能强，耐磨强度高，与水泥亲合性好，可增加构件强度，延长使用寿命等优点[18]，但其造价高、比重大，不易于分散导致坍落度直线下降以及因混凝土含碱和保护层厚度小而易锈蚀已经成为一个棘手的老问题[19]；聚丙烯纤维具有耐化学腐蚀、加工性好、价格低廉、质轻等优点，在水泥混凝土中掺入聚丙烯纤维可以减少混凝土和砂浆的早期裂缝，提高混凝土的抗裂、抗渗和抗冲击等性能，但聚丙烯纤维存在强度和模量低，与水泥基体黏结性差等缺陷[20]；随着纤维掺量的增加，混凝土工作性降低、弹性模量减小、增韧效果变差，低掺量下则对混凝土强度无显著影响[21]。随着经济社会的发展以及“节约资源、绿色环保”低碳概念的提倡与普及，对建筑材料提出了更高的要求；尤其是海港工程等特殊领域所处的恶劣环境，对纤维混凝土复合材料性能尤其是抗裂性、韧性等力学性能和抗腐蚀性能提出了更高的要求。因而探索新型纤维、配制高性能纤维混凝土以满足工程要求是今后纤维混凝土发展的重要方向之一。

1 新型非晶合金纤维特性

非晶合金纤维(amorphous alloy fiber, AAF)或称金属玻璃带(metallic glass ribbon, MGR)，是一种带状非晶合金材料(通常为20～30 μm厚)。1967年，美国加州理工学院P.DUWEZ等[22]利用快速凝固法第一次成功制备出Au-Si非晶合金薄带。1960年P.DUWEZ教授再次率先开发出Fe系金属玻璃，由此带动第一个非晶合金研究开发的热潮[23]。1969年，R.POND和R.MADDIN发表“关于制备一定连续长度条带技术”[24]，带来了制备非晶合金的决定性发展。在过去的40年中，伴随着非晶材料基础研究制备工艺和应用产品开发的不断进步，各类非晶材料已经逐步走向实用化，特别是作为软磁材料的非晶合金带材已经实现产业化，并获得广泛应用[25]。

非晶合金的形成利用超急冷技术即大于105/s的冷却速度使液态金属快速凝固直接成材。快速凝固的技术冻结了液态金属原子的无序性，使其来不及结晶，其原子在三维空间呈拓扑无序状。在晶体金属或者合金中，原子都是在被称为晶粒的区域内整齐排列，而晶粒之间的结合处就是这种合金材料最为脆弱的部位。与晶体材料内部原子排列遵循一定规律相反，非晶合金纤维材料内部原子排列处于无规则状态，原子的排列紧密而无规律如同液体或者玻璃一样杂乱无章，不存在晶粒边界。由于没有晶体材料的晶界、位错、滑移面等结构，非晶合金纤维呈现出一系列优异的力学、抗腐蚀特性[26-27]：良好的弹性性能(弹性极限约为2%，比结晶金属提高3倍)；极高的强度(接近理论值，例如铁基非晶合金带的最大抗拉强度已超过4 000 MPa，与碳纤维相当)；优良的抗腐蚀能力(非晶合金由于不存在晶界，不锈钢难于应付的点腐蚀和晶间腐蚀，对非晶合金材料则完全不可能发生)；硬度大；重量轻；不变质；软磁性等。

表1比较了非晶合金纤维与纤维混凝土材料中几种常用纤维的各项主要性能。

表1 几种常用纤维的各项主要性能

通过表1可以看出，非晶合金纤维具有以下几个特点：

1)抗拉强度高。非晶合金纤维抗拉强度超过钢纤维，抗拉强度值约为钢纤维的2～4倍。纤维材料本身的性能决定了纤维混凝土材料的性能，高抗拉强度纤维可以有效减少混凝土内部的微裂纹并有效地抑制微裂纹的扩展，促进混凝土抗拉强度的增长。

2)弹性模量高。非晶合金纤维弹性模量值略低于钢纤维和碳纤维，属于高弹性模量纤维。弹性模量大表明在同等荷载的情况下材料变形较小。高弹性模量纤维混凝土在未产生裂纹之前，因纤维弹性模量较高，根据“混合定律”[28]，复合材料的弹性模量随纤维掺量增加而增加，开裂之后，主要是纤维受力，只要纤维体积掺量超过临界纤维体积掺量，复合材料承载能力就不会降低反而增加。因此非晶合金纤维用于混凝土材料中可以很好地提高纤维混凝土复合材料弹性模量，抵抗结构物荷载变形，提高建筑物承载力。

3)抗腐蚀性高。S.J.CHOI等[29]以钢纤维(SF)，聚丙烯纤维(PP)和聚乙烯醇纤维(PVA)为对比，进行了非晶合金纤维在10%Na2SO4，3%NaCl，0.6%醋酸以及0.16%Ca(OH)2+1%NaOH+1.4%KOH碱溶液中的抗腐蚀性能研究。结果表明非晶合金纤维在以上腐蚀溶液中暴露90天仍然没有出现腐蚀迹象，其抗拉强度能够保持在原样的96%以上，与上述几种传统纤维相比，非晶合金纤维具有更高的抗腐蚀性；WU Z W等[30]通过试验将不同退火温度的Fe73Cr6C9Si1P11非晶态合金纤维置于0.5 mol/L H2SO4溶液中并暴露于空气中，对Fe73Cr6C9Si1P11非晶态合金纤维的抗腐蚀性能进行研究，结果表明Fe73Cr6C9Si1P11非晶态合金纤维拥有稳定的非晶态和良好抗腐蚀性能。

铁基非晶合金纤维因其高性能和相对低价格而备受关注，目前已经得到普遍应用。尤其是二元Fe-Cr基非晶合金纤维具有非常优良的力学性能，是一种理想的混凝土增强材料[31]。最近，卢志超等[32]提出一种尺寸可控、完全非晶态、成本低廉、适合在混凝土工程中大量应用的铁基非晶合金纤维的制备方法，指出制备的非晶合金纤维耐腐蚀性优异，掺加到混凝土中可以提高其强度、韧性及抗氯离子侵蚀性。非晶合金纤维的高强和高抗腐蚀特性表明其具有在增强混凝土领域应用的可能和优势，可以预见新型非晶合金纤维在增强混凝土领域将具有广阔的应用前景。

2 非晶合金纤维在增强混凝土领域中的研究现状

国内外对非晶合金纤维作为增强材料的研究最初开始于上世纪70年代。在20世纪70年代末到80年代初，一些学者先后发表了关于非晶合金纤维应用于陶瓷、聚合物基体材料增强领域的研究成果。随后，K.FRIEDRICH等[33]针对非晶合金纤维增强环氧树脂复合材料的疲劳与断裂性能进行了深入研究。结果表明，掺入少量的非晶合金纤维即可大幅度提高环氧树脂复合材料的断裂韧性。U.RAJENDRA等[34]对非晶合金带增强微晶玻璃复合材料的研究发现，复合材料的拉伸强度和断裂强度在掺入少量非晶合金纤维时就会有很大幅度的提高，其力学性能如断裂强度会随着掺入纤维体积含量的增加成比例提高。S.JAYALAKSHMI等[35]对不同体积掺量下非晶合金材料增强铝基复合材料的性能进行试验研究。结果表明，复合材料强度会随着非晶合金材料体积含量增加而提高。如上所述，非晶合金纤维作为陶瓷、聚合物基体的增强材料对复合材料性能有明显提升，作用效果明显。

法国最早开展非晶合金纤维增强混凝土研究，在水泥浆中乱向掺入体积分数为1.7%，长度60 mm，宽度1～2 mm，厚度25～30 μm，抗拉强度为2 000 MPa的铁基非晶合金纤维薄片制备得到的复合材料，其抗弯强度是基准混凝土的4倍，韧性与抗冲击性能显著提高，预测其使用寿命可达300年以上[1]。澳大利亚Wollongong大学的P.BEND于2006年开展了非晶合金纤维在水泥基材料中应用的探索性研究。采用两种不同宽度的非晶合金纤维以20 mm，50 mm，90 mm和100 mm的长度掺入75 mm×75 mm×305 mm的混凝土小梁，通过三点抗弯试验获得其开裂荷载、断裂荷载以及荷载-挠度曲线。研究结果表明：短切非晶合金纤维的加入可以显著提高试件的抗弯强度，并且非晶合金纤维在混凝土中抗腐蚀性能和黏结性能良好[36]。国内学者彭书成等[37]提出一种改性非晶合金纤维混凝土复合材料的制备方法，利用强度高达1 900 MPa以上，杨氏模量高达110 GPa以上的优质非晶态纤维，制备而成的混凝土复合材料比强度高，比模量大，柔韧性好，耐碱性能优异，具有极好的抗断裂性能。J.P.WON等[38]对铁基非晶合金纤维混凝土抗弯性能进行了研究。结果表明在相同掺量下，与钩型钢纤维增强混凝土相比，非晶合金纤维混凝土抗折强度提高30%以上，抗弯刚度增加近40%。随后，J.P.WON等[39]就铁基非晶合金纤维混凝土界面黏结性能进行了研究。结果表明：较之于钩型钢纤维，非晶合金纤维的界面黏结挠度和黏结强度降低。研究同时指出在混凝土结构应用中，由于薄片状非晶合金纤维在相同掺量下数量多、黏结面积大，非晶合金纤维比钩型钢纤维更能有效改善结构性能。倪晓俊等[40]对Fe-Cr基非晶合金纤维混凝土抗腐蚀性能的研究结果表明：非晶合金纤维混凝土抗腐蚀性能优于不锈钢纤维混凝土，其抗腐蚀性能源于非晶合金纤维在腐蚀环境下表面会形成一层钝化膜。最近，S.J.CHOI等[29]进行了铁基非晶合金纤维增强砂浆塑性收缩试验研究，结果表明相同体积分数下，较之钢纤维、聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维，非晶合金纤维砂浆具有更优良的抵抗塑性收缩能力，并且随着非晶合金纤维体积含量的增加，复合材料平均裂缝面积减小，控制塑性收缩能力增强。R.HAMEED等[41]对混杂纤维增强混凝土的弯曲性能研究结果证实了非晶合金纤维的掺入可以有效控制微裂缝，提高纤维混凝土强度和韧性，应用于挡水建筑物等水工结构工程中前景广阔。

综上所述，非晶合金纤维增强混凝土强度、韧性突出，非晶合金纤维的掺入能有效改善混凝土等水泥基材料的各项性能。同体积掺量下非晶合金纤维混凝土与钢纤维混凝土相比，抗裂强度与断裂韧度更高，抗折与抗弯特也有显著提升，并且，非晶合金纤维混凝土复合材料显示了优良的抗腐蚀性能。

3 非晶合金纤维在增强混凝土领域中的应用前景及存在问题

上述国内外对非晶合金纤维及其复合材料的研究表明：非晶合金纤维具有抗拉强度高、弹性模量高，抗腐蚀性能优异等诸多特点；制备的非晶合金纤维增强混凝土具有优良的抗弯力学性能和抗腐蚀特性。将其应用于土木工程建设领域尤其是长期暴露在恶劣海洋环境中的港口、码头、近海平台等特殊领域，能够有效解决工程结构物在恶劣环境下的安全性与耐久性问题，有利于减少维护费用，延长使用期限，促进国家建设的发展。

但非晶合金纤维混凝土复合材料的实际应用仍有待进行更深入地研究：

3.1 非晶合金纤维独特的表面性状

非晶合金纤维形状平直，表面光滑。研究表明：由于非晶合金纤维形状平直且表面光滑，单根非晶合金纤维界面粘结强度比钩型钢纤维降低30%[39]；平直形状及表面较光滑的特点不利于非晶合金纤维-基体界面黏结力学性能的发挥。因此，需要针对其独特的薄带形状特性，开展非晶合金纤维界面黏结性能研究，采用表面处理等方法对非晶合金纤维进行改性，更好的发挥非晶合金纤维的增强效果。

3.2 非晶合金纤维混凝土材料研究甚少

目前国内外对非晶合金纤维混凝土材料只进行了一定的开拓性研究，研究只涉及非晶合金纤维增强混凝土抗弯力学性能、界面黏结性能和抗干缩性能等。要促进非晶合金纤维在增强混凝土领域的应用，有必要深入开展非晶合金纤维增强混凝土力学和耐久性能研究，探查非晶合金纤维增强混凝土的增强增韧机理，充分发挥非晶合金纤维的高强性能；如系统开展非晶合金纤维掺量、长径比及其薄带形状特征对不同强度等级混凝土抗压、抗弯、抗拉强度和变形特性影响研究，进行非晶合金纤维混凝土抗碳化、抗冻和抗渗等耐久性研究。为充分发挥非晶合金纤维高抗腐蚀特性，有必要深入探查非晶合金纤维在海洋环境下的长期性能和耐久性演变规律；如开展氯盐侵蚀下非晶合金纤维长期力学性能演变及微观机理研究，进行氯盐侵蚀下非晶合金纤维中氯离子扩散规律研究等。开展氯盐侵蚀和力学耦合作用下非晶合金纤维增强混凝土的长期力学性能和耐久性研究，揭示化学和力学耦合因素作用对非晶合金纤维混凝土材料性能劣化的影响机理。充分发挥非晶合金纤维的高强和高耐腐蚀特性，以及非晶合金纤维对混凝土的增强、增韧和阻裂效应，提高工程结构的安全与耐久性。为非晶合金纤维混凝土在实际工程应用提供依据。

3.3 非晶合金纤维价格问题

目前，非晶合金纤维主要应用电子、电力行业，将其应用于水泥混凝土增强领域，存在价格过高的问题。但应用于水泥混凝土增强领域的非晶合金纤维只需要具有高强、高韧性及高抗腐蚀等性能，而不需要电子行业高磁感、高磁导率和低损耗的特性。由此可以借鉴非晶合金带的制备原理，简单独特的制备工艺，利用“贱金属”，比如成本低廉的铁来制造水泥混凝土增强领域用非晶合金纤维。并且随着材料制备工艺的不断改进与完善，非晶合金纤维价格将不断降低。研究表明采用耐腐蚀性极强的非晶合金纤维制备混凝土复合材料，可以极大降低结构服役过程中的维护和修复费，预测其使用寿命可达300年以上。因此，结合全寿命角度综合考虑，非晶合金纤维必然具有良好的经济性。可以预见非晶合金纤维这种具有独特组织结构、优异材料性能的新型材料必将拥有广阔的应用前景。

4 结 语

非晶合金纤维是一种新型纤维材料，具有抗拉强度高、弹性模量高、抗腐蚀性能高等特点。非晶合金纤维的高强和高抗腐蚀特性表明其具有在增强混凝土领域应用的可能和优势。

采用非晶合金纤维制备的增强混凝土复合材料具有比强度高、比模量大、柔韧性和耐腐蚀性能好等特点，对混凝土材料性能的提升优于传统增强纤维。适用于增强混凝土领域尤其是长期暴露在恶劣海洋环境中的港口、码头、近海平台等特殊领域。采用耐腐蚀性极强的非晶合金纤维制备混凝土复合材料，可以极大降低结构服役过程中的维护和修复费，极大延长其使用寿命，结合全寿命角度综合考虑，非晶合金纤维必然具有良好的经济性。

作为一种新型材料，目前只对非晶合金纤维增强混凝土进行了一定的开拓性研究。为充分发挥非晶合金纤维的高强和高抗腐蚀性，促进其在增强混凝土领域尤其是港口、码头、近海平台等特殊领域的应用，需要系统开展非晶合金纤维增强混凝土力学和耐久性性能研究，进行其界面黏结性能、界面黏结机理、增强增韧机理以及在海洋环境下的长期力学性能和耐久性能演变规律等研究。

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(责任编辑：朱汉容)

Literature Review on the Performance of Amorphous Alloy Fiber and Its Application in Reinforced Concrete

JIANG Chaohua, LUAN Zhiyong, ZHANG Weiwei, HUANG Shanshan

(School of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China)

Fiber addition in the reinforced concrete is one of the effective ways to improve the toughness of matrix, restrain the shrinkage cracking and obtain high performance concrete. Amorphous alloy fiber (or named metal glass tape) has excellent mechanical and corrosion resistance property. Amorphous alloy fiber reinforced concrete material shows high strength, large modulus, well flexibility and corrosion resistance. The development and main characteristics of amorphous alloy fiber were introduced. The current research on mechanic properties and corrosion resistance of amorphous alloy fiber reinforced concrete was elaborated in detail. And the application prospect and main problems of amorphous alloy fiber reinforced concrete were put forward.

port engineering; amorphous alloy fiber; fiber reinforced concrete; performance; application prospect

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.09

2016- 03- 02；

2016- 04-15

江苏省自然科学基金项目(BK20151496)

江朝华(1972—)，女，广西合山人，副教授，博士，主要从事海港工程新材料的研究。 E-mail: chaohuajiang@hhu.edu.cn。

U654；TU528.572

A

1674- 0696(2017)05- 045- 06