纤维增强水泥基材料的研究现状及发展趋势

韦 宗 延

(河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

水泥基材料是指以水泥作为胶凝材料的工程材料，常用的有混凝土和砂浆等。水泥基材料由于其适用性强、价格低廉等特点，被广泛应用于建筑领域。然而，水泥基材明显的脆性特征以及较差的抗拉性能、抗裂性等缺陷常导致构件和结构的性能降低，严重制约了水泥基材料的使用以及建筑结构的发展。随着社会的不断发展，各种大跨度结构将越来越多，国家也将建设更多处于极端环境下的建筑，这就对当前的建筑材料性能提出了更高的要求。

纤维增强水泥基材料，是高性能水泥基材料研究的一个重要方向。在水泥基基材中掺入纤维，以改善普通水泥基材料抗拉强度低、韧性差、易开裂等性能缺陷，同时还赋予良好的抗渗、抗冻以及抗腐蚀性能[1]。目前，国内外学者对纤维增强水泥基材料的研究已大量开展，总体上可分为单一纤维增强与复合多纤维增强两大类。本文旨在就目前国内外学者对纤维增强水泥基材料的研究现状进行总结，找出现有研究的不足，并探讨纤维增强水泥基材料的进一步研究的方向。

1 常用的增强纤维种类

工程环境的差别决定了纤维增强混凝土应具有不同的工程性质，而这些性质又是所掺入的纤维种类所赋予的。常用于增强混凝土的纤维，可分为化学纤维和自然植物纤维两类，化学纤维有聚丙烯纤维、芳族聚酰胺纤维等，自然植物纤维有棉纤维、麻纤维等。表1给出了常用的纤维增强混凝土种类及其优缺点。

2 单一纤维增强

掺入水泥基基材中的纤维，能可靠地与水泥基结合，在受拉状态下承担拉力，在有效地控制裂缝产生与发展的同时，还能改善混凝土的耐久性；同时由于采用不同的纤维种类，所得到水泥基

复合材料的工程性能也不尽相同。采用单一纤维增强水泥基材料是国内外学者常用的方法，很多学者针对纤维增强水泥基材料的某一项或多项性能进行了一系列的研究。

表1 常用纤维增强混凝土种类及特点

玻璃纤维(耐碱)和聚丙烯纤维因其出色的性价比和适应性，被广泛应用于水泥基材料增强。在玻璃纤维增强方面，高妮等(2016)[3]对改性玻璃纤维增强混凝土的力学性能进行了研究，结果显示改性纤维的加入改善了纤维与混凝土基体的界面性能，增强了混凝土的力学性能。傅翔等(2016)[4]在永久模板中加入了耐碱玻璃纤维增强了永久模板的抗折性能，并给出耐碱玻璃纤维的最优掺量参考比例。在聚丙烯纤维增强方面，李长风等(2009)[5]对聚丙烯纤维对砂浆的抗裂性能的影响进行了研究，发现聚丙烯纤维能有效地抑制水泥砂浆早期裂缝的发展。梁宁慧等(2012)[6]将不同尺度的聚丙烯纤维掺入混凝土，通过单轴拉伸试验发现，单掺粗纤维混凝土的抗拉韧性要优于单掺细纤维混凝土。

此外，国内外学者们还使用连续长纤维增强混凝土，使混凝土具备一定的定向承载力。目前使用较多的连续长纤维有纤维筋和纤维织物网，其中纤维织物网增强混凝土(TRC)同时具有短纤维增强混凝土和普通钢筋混凝土的优点。尹世平等(2015)[7]采用四点加载法，对TRC加固混凝土梁的疲劳性能进行研究，研究发现在荷载循环次数不断上升时，配网率和配筋率的增加能有效地减缓中和轴的上升，从而使构件的疲劳寿命得到了提高。综上所述，可以看出掺入单一纤维后，水泥基材料的部分力学性能可以得到有效地增强。

3 多纤维复合增强

单掺纤维只能针对性地提升混凝土的某一力学性能，仍无法满足现代建筑结构的发展需求，混掺多种纤维能在不同受力层次上同时提升混凝土的多种力学性能。目前我国对于多纤维增强混凝土的研究相对于国外还较少。华渊等(2005)[8]对混杂纤维增强混凝土抗压、抗弯强度的影响因素进行了研究，结果表明纤维的长径比对增强混凝土的抗压强度影响不大，但对抗弯强度有较大影响。赵晶等(2007)[9]使用耐碱玻璃纤维与聚丙烯纤维混合增强混凝土，发现两种纤维能有效地提升混凝土的早期抗裂性。夏冬桃等(2013)[10]对钢纤维、塑钢纤维和杜拉纤维混掺增强混凝土进行了研究，结果表明三元混杂纤维相对于二元混杂纤维与单掺纤维在增强混凝土力学性能和变形性能方面，增强幅度更大。

此外，学者们尝试采用多纤维与连续长纤维混合，进行水泥基材的增强。吴耀青(2017)[11]采用短切耐碱玻璃纤维及连续玄武岩长纤维同时增强水泥基基材，发现多纤维复合增强水泥基浇筑的薄板，其力学性能与抗弯性能都要优于单一纤维增强水泥基薄板。沈玲华等(2016)[12]对掺入短切纤维的TRC薄板进行了研究，结果表明，掺入短纤维能增强TRC薄板的承载力，并且能有效地延缓裂缝的发展。可以看出，复合纤维增强水泥基材料的各项力学性能，比单一纤维增强以及普通水泥基材料的力学性能都要优越。

4 纤维增强水泥基复合材料的发展趋势

随着可持续发展观念逐渐深入人心，未来建筑的发展方向一定是绿色的、环境友好型建筑。因此，未来纤维增强水泥基材料可能有如下几种发展趋势：

1)天然植物纤维增强水泥基材料。我国有着丰富的天然植物纤维资源，这些材料廉价、可再生、可降解，符合绿色建筑的观念。而传统的化学纤维材料，耗能大，在使用过程中容易污染环境。此外对于天然植物纤维增强水泥基材料的研究目前仍处于起步阶段，天然植物纤维的增强效果尚有较大潜能未开发出来。因此，大力发展天然植物纤维增强水泥基材料，将会成为一个主流研究方向。

2)多功能复合纤维增强水泥基材料。国内外目前对于纤维增强水泥基材料的研究，大多是单一、多纤维增强，以及连续长纤维增强混凝土，然而单一、多纤维增强混凝土不具备有定向承载能力；连续长纤维增强混凝土容易开裂，这会导致结构的耐久性降低。未来的纤维增强混凝土发展方向，应是两者的有机结合，通过多尺度纤维复合增强水泥基材料，使其具备更优良的力学性能。

5 结语

纤维增强水泥基材料能有效地加固混凝土结构，赋予混凝土更优良的工程性能，同时，使用自然植物纤维更符合可持续发展理念。随着国家经济水平的不断提升，将会出现越来越多的超高层、大跨度建筑，也会有更多建设在海洋、沙漠等恶劣地区的建筑，对于混凝土材料的性能也有着更高的要求。因此，纤维增强水泥基材料未来将有一个广阔的发展前景。