纤维增强混凝土综述

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一、纤维的发展

1990年，奥地利人Ludwing Hatschek在偶然的情况下发明了石棉水泥板，1912年Mazza又制成了石棉水泥管，此后，石棉水泥制品在各国得到广泛的应用。虽然后来发现石棉具有毒性，其应用受到限制，但却打开了制作现代意义上的纤维混凝土的大门。20世纪50年代末，国内学者对中碱玻璃纤维水泥砂浆和混凝土进行了研究，前苏联Birykovich等人对无碱玻璃纤维水泥砂浆进行了研究，虽因碱腐蚀纤维而未获得成功，却促进了玻璃纤维混凝土(GRC)的发展；随后，英国建筑研究所和皮尔顿公司合作开发了抗碱玻璃纤维，世界范围内掀起了开发玻璃纤维混凝土的热潮，国内学者在后续的研究过程中坚持抗碱玻璃增强低碱度水泥的双保险技术路线，这使得国内GRC技术达到世界先进水平。1953年-1954年期间，苏联成功开发出了性能优异的玄武岩纤维，并于1985年在现今的乌克兰实现了工业化生产，2002年玄武岩纤维项目列入国家863计划，从此，我国的玄武岩纤维进入快速发展阶段，并形成了俄罗斯、乌克兰和中国在国际上三足鼎立的局面。1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表了一系列关于钢纤维混凝土的作用机理及其研究成果，奠定了现代钢纤维混凝土发展的基础，后来，美国的Battelle公司开发了钢纤维熔抽技术，降低了钢纤维原材料的价格，推广了钢纤维混凝土的应用范围。1964年美国联合碳公司用黏胶纤维制成了高强度、高模量的碳纤维，但工艺复杂、成本较高、性能较差，随后英国皇家飞机研究所用聚丙烯腈为原料和日本用沥青做原料都研制出了碳纤维，使生产碳纤维的工艺得到简化，成本得到降低，性能得到很大提升。20世纪80年代初，美国又开发了合成纤维混凝土以及注浆纤维混凝土，使混凝土中掺加纤维的种类得到很大的扩展。

二、纤维的物理性质

纤维对混凝土的增强效果主要取决于纤维的种类、纤维的长度、纤维的长径比、纤维的体积率、纤维的弹性模量和抗拉强度、纤维外形和表面状况等。目前，工程中常用的纤维主要有钢纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维和合成纤维。其物理性质对混凝土的影响主要有以下几点：(1)纤维的种类不同，各种纤维的物理参数相差相对较大。(2)纤维的长径比和长度影响着纤维在混凝土中的分散均匀性。纤维的长度越大，长径比越大，在混凝土中，其分散均匀性越差；反之，纤维长度越小，长径比越小，在混凝土中，其分散均匀性越好。(3)纤维的抗拉强度和弹性模量影响着混凝土的力学性能。纤维的抗拉强度越高，弹性模量越大，纤维混凝土受荷时，纤维分担的应力也就越大，其纤维混凝土的力学性能越好；反之，纤维的抗拉强度越低，弹性模量越小，纤维混凝土受荷时，纤维分担的应力也就越小，其纤维混凝土的力学性能越差。

三、几种纤维在混凝土中的作用

(一)钢纤维混凝土

钢纤维主要通过钢板剪切、钢锭铣削、熔抽或钢丝切断的方式生产，根据学者研究成果[1-9]，钢纤维对混凝土的抗压强度、松柏比、弹性模量影响不大，但对混凝土的抗拉、抗弯强度及韧性均有显著的提高，并改善了混凝土的抗冲击性能、抗裂性能、抗炭化和抗冻性，能够抑制混凝土的高温爆裂等，且随着掺量的增加，其增强和改善效果越明显。钢纤维在混凝土中也存在着一些问题：(1)钢纤维长度过长，在混凝土中容易结团，影响钢纤维的分散均匀性，并会明显降低了混凝土的流动性和施工和易性。(2)钢纤维密度大，与水泥浆容易出现分层现象。并且配制的钢纤维混凝土自重大。以上两点限制了混凝土中钢纤维的掺量，同时也影响了钢纤维掺加混凝土的效果。(3)钢纤维与混凝土的粘结较低。钢纤维混凝土的破坏多以拉断和拨出的形式出现，规范已要求配制高性能混凝土，其抗拉强度要在800MPa以上，以防止其拉断破坏。因钢纤维与混凝土粘结力低而拨出破坏的问题并未得到解决，钢纤维长度增加以及两端弯折虽能增加其与水泥浆的粘结，但却有进一步降低了施工和易性。(4)钢纤维混凝土表面要进行防锈处理，否则，表面钢筋的锈蚀会影响混凝土的耐久性以及构件的美观效果。(5)钢纤维价格高，每吨在2000元-3000元左右，限制了钢纤维混凝土应用。(6)有些施工单位对钢纤维混凝土的性能和施工工艺了解较少，用了钢纤维混凝土，却没达到想要的效果，再加上钢纤维混凝土施工难度大，对钢纤维混凝土的应用产生抵触情绪。

(二)玄武岩纤维混凝土

玄武岩纤维弹性模量高，抗压强度高，耐高温，抗氧化性能好，与混凝土有较好的相容性。潘慧敏[10]的研究表明：相较于素混凝土，玄武岩纤维混凝土的抗压强度、抗折强度、抗冲击性能和韧性均有所提高，玄武岩纤维的最佳掺量为2-2.5kg/m3。李为民[11-13]等人对玄武岩纤维混凝土动力特性的研究表明：玄武岩纤维提高了混凝土冲击荷下的强度与韧性；当其在最佳掺量为0.1%时，动态抗压强度提高16%-26%，变形能力可提高14%。根据许金余[14]的研究，玄武岩纤维能提高混凝土的静态、动态以及高温下的抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及冲击韧性，玄武岩的最佳体积材料为0.2%。其他学者[15]也做了大量关于玄武岩纤维混凝土的研究。玄武岩纤维在混凝土中也存在着一些问题：(1)玄武岩纤维降低了混凝土的和易性，其混凝土的分散不均匀较差。(2)玄武岩纤维对矿源要求高，投资周期长，年产量低。(3)玄武岩纤维韧性差，容易发生弯折破坏。(4)玄武岩纤维延伸率低，不利于混凝土的收缩控制和变形。

(三)聚丙烯纤维混凝土

张伟[16]的研究表明：聚丙烯纤维不利于混凝土抗压强度的提高，却能提高混凝土的劈裂强度和抗折强度。根据汪洋[17]等人对前人研究成果的总结：聚丙烯纤维能提高混凝土的抗渗能力，具有较好的冲击韧性。此外，聚乙烯纤维还能够提高混凝土的抗渗性、抗冻性、抗冲击性和抗疲劳强度。聚丙烯纤维混凝土主要存在着以下问题：(1)聚丙烯纤维会降低混凝土的工作性能。当聚丙烯纤维掺量较大时，聚丙烯纤维混凝土会表现出团聚和成坨现象。(2)聚丙烯纤维直径较小，弹性模量较低，抗拉强度较低，对混凝土的强度提高不明显。

四、几种纤维对混凝土影响的作用机理

钢钎维抗拉强度高，弹性模量大，能有效提高混凝土的力学强度；但钢钎维和水泥砂浆的粘结强度低，混凝土在发生破坏时，钢钎维容易发生滑移和拨出破坏。聚丙烯纤维抗拉强度低，弹性模量小，单丝直径小，不能有效提高混凝土的力学强度；聚丙烯纤维变形能力好，能与水泥砂浆形成弯曲的粘结强度，混凝土在发生破坏时，聚丙烯钎维容易被拉断。玄武岩纤维的抗拉强度和弹性模量处于钢钎维和聚丙烯纤维两者之间，其对混凝土的增强效果不如钢钎维，但优于聚丙烯纤维；玄武岩纤维和水泥砂浆具有较好的相容性，能够形成较强的粘结强度，混凝土在发生破坏时，玄武岩钎维也表现出拉断破坏。

混凝土中的裂缝和孔隙影响着混凝土的强度和耐久性。裂缝主要是早期塑性收缩和干缩引起的，早期混凝土主要依靠水泥浆体的粘度和变形能力来抵抗塑性裂缝和干缩裂缝，短、细且极限延伸率大的聚丙烯纤维能够增加水泥浆体的粘稠度、整体性以及水泥胶浆的变形能力，因此能够抑制混凝土的早期收缩；钢纤维不亲水，且与水泥混凝土不发生任何化学反应，刚度大，不容易发生弯折变形。在混凝土养护过程中，在重力作用下，钢纤维下方的混凝土集料下沉，水及水泥浆通过毛细压力等作用上浮；钢纤维上方的混凝土集料在钢纤维的支撑作用下，不会发生下沉，而钢纤维上方混凝土中的水分会下降，从而在钢纤维周围形成水灰比很大的水泥砂浆，进一步削弱钢纤维和混凝土基体之间的粘结强度。

五、展望

1.纤维在水泥混凝土和沥青混凝土中应用较为广泛，但大多数以单一纤维的形式加入水泥混凝土或沥青混凝土中，有必要进一步研究两种以上的混杂纤维加入水泥混凝土或沥青混凝土中的效果。

2.纤维为线性材料，再生产过程中，会造成纤维表面缺陷。因此，有必要进一步研究被聚合物浸渍的各种纤维，其物理性能的变化。

3.在水泥混凝土或沥青混凝土中，当纤维掺量较多时，会造成混合料工作性能的下降。因此，有必要进一步研究，如何在不影响混合料工作性能的情况下，提高水泥混凝土或沥青混凝土中纤维的掺量。