超高性能纤维增强混凝土中纤维作用综述

陈宝春， 林毅焌， 杨 简， 黄卿维， 黄 伟， 余新盟

(1. 福州大学土木工程学院, 可持续与创新桥梁福建省高校工程研究中心, 福建 福州 350108； 2. 福州大学土木工程学院, 先进土木工程材料研究中心, 福建 福州 350108； 3. 东莞理工学院生态环境与建筑工程学院, 广东 东莞 523808)

0 引言

混凝土是当今用量最大的建筑材料, 随着科技发展与社会进步， 对其抗压强度和耐久性要求不断提高， 从普通混凝土向高性能和超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)发展. 与此同时， 在混凝土中加入纤维以改善其脆性大、 抗拉强度低等缺点的纤维增强混凝土(fiber reinforced concrete， FRC)也在不断发展之中. 本研究讨论的超高性能纤维增强混凝土(ultra-high performance fiber reinforced concrete， UHPFRC)， 既是UHPC中的一种， 也是FRC的一种[1].

用于FRC的纤维种类很多， 按材质可分为金属纤维(主要有钢纤维)、 无机纤维(如玻璃纤维、 碳纤维、 玄武岩纤维)以及有机纤维(如聚乙烯纤维、 聚丙烯纤维等)； 按弹性模量又可分为高弹性模量纤维(如钢纤维、 玻璃纤维、 碳纤维、 玄武岩纤维)和低弹性模量纤维(如有机纤维). 高弹性模量纤维的刚度大于混凝土， 基体产生微裂缝后， 纤维开始受力， 分担混凝土所受应力， 提高材料强度. 纤维刚度越大， 强度提高越明显； 低弹性模量纤维的刚度小于混凝土， 受力一般在混凝土开裂之后， 主要用于提高材料延性[2].

钢纤维弹模的抗拉强度高、 综合性能较佳是UHPFRC中最常用的纤维. 因此从一开始钢纤维在UHPFRC中增强增韧作用的研究就得到重视. 由于实际工程对材料的功能要求不尽相同， 其他种类纤维对UHPFRC材料性能的影响也得到了一定的研究. 本研究对钢纤维与其他纤维在UHPFRC中的作用研究进行综述. 纤维不仅影响材料的力学性能， 也影响混凝土拌合物的工作性能， 纤维材料费用还是UHPFRC的控制性因素. 不同(类型和规格)纤维对UHPFRC增强增韧效果不同， 混掺得到性能优于单掺纤维(正混杂效应)[3]， 成为许多研究者追求的目标. 鉴于此， 本研究将对这方面的理论进行系统分析和整理.

总之， 将UHPFRC看成由基体和纤维两相材料组成的材料， 开展纤维在UHPFRC中作用的研究， 是UHPFRC研究的热点与难点. 希望本综述有助于推动UHPFRC材料学研究的深入并促进工程应用的推广.

1 钢纤维

1.1 基本作用

1.1.1抗拉强度

抗拉强度低是混凝土材料的主要缺点. 虽然UHPC基体的抗拉强度可达 5 MPa 以上， 比普通混凝土有很大的提高. 然而其拉压比并无根本性改变， 一般仍维持在 0.1～0.2之间. 同时， UHPC基体抗压、 抗拉的脆性问题愈显突出， 因此普遍采用纤维增强增韧， 也即成为UHPFRC. 虽然， 近年来UHPC术语的应用越来越多， 但日本、 法国、 瑞士的指南或规范以及大量的文献仍采用UHPFRC这个术语， 不用UHPC， 认为无纤维的UHPC不宜用于实际工程[1].

UHPFRC中使用的钢纤维一般为微细钢纤维， 其抗拉强度很高(一般达 2 000 MPa及以上). 大量的直拉实验表明： UHPFRC受拉时， 当拉应力超过其开裂强度后， 基体出现第一条裂纹. 纤维的桥接作用会抑制裂纹宽度的扩展从而在其他地方出现第二条裂纹， 继而第三条、 第四条， 直到应力将某条裂纹中的纤维从基体中拔出， 构件才受拉破坏[4]. 因此， UHPFRC受拉存在应变硬化与类塑性的现象， 其强度指标有开裂强度与抗拉(极限)强度两个. 抗拉强度和韧性的提高， UHPFRC在结构受力中抗拉能力得以发挥. 在设计计算中加以考虑， 这也是与普通混凝土最主要的区别之一(普通混凝土在设计计算中一般不考虑抗拉强度).

研究发现纤维沿着受拉方向布置时抗拉强度最大， 比自然分布高45%， 垂直方向强度最低, 这说明纤维分布对UHPFRC强度有较大的影响[5-6]. 关于纤维分布取向对超高性能混凝土抗拉强度等性能的影响较少， 需要进一步探究.

尤其钢纤维掺量在0%～3%时, 随着掺量的增大， UHPFRC抗拉性能递增, 而3%后基本没有提高[7]， 掺量太大会导致造价上升且严重影响其流动性等问题[3, 8-11]. 实际工程常用的掺量范围在2%～3%.

1.1.2抗压强度

抗压强度是混凝土最基本力学性能. 无纤维的UHPC受压破坏时呈爆炸或类似爆炸状态， 纤维的掺入使这种脆性破坏现象得到极大改善[12]. 同抗拉强度一样， 纤维掺量的提高， 一开始会提高抗压强度， 随后纤维掺量的增加会增大其不利的影响. 以常用的长度 13 mm、 直径 0.2 mm钢纤维为例， 掺量在0.5%～3%之间时， 纤维三维乱向分布形成了纤维网骨架， 限制裂缝的产生和发展. 随掺量增加， 强度提高， 纤维掺量大于3%左右时， 易出现纤维分布不均匀， 会降低纤维与基体粘结强度， 增加混凝土中空隙数量， 其强度反而随着掺量的增加而降低， 3%掺量称其为转折点. 不同钢纤维转折点不同， 如长度1 mm、 直径0.2 mm钢纤维的转折点为7%， 长度30 mm约为5.5%[3,13-15]. 转折点在工程上具有重要的意义， 影响因素也较多， 是一个值得研究的问题.

1.1.3韧性与阻裂

韧性是指材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力, 是延性和强度的综合， 可以用应力-应变曲线下包围的面积表示， 即断裂能. 钢纤维的掺入对提高混凝土韧性效果十分明显， UHPFRC断裂能一般在18 kJ·m-2以上， 比不掺纤维UHPC至少高出100%. 随纤维掺量增加， 增韧效果递增[4].

混凝土开裂是构件失效的主要原因， 钢纤维掺入可以阻止裂缝的产生和扩展. 钢纤维对抑制裂缝的发展效果显著， 对阻止初始微裂缝的产生作用不大[10]. 目前出现了一种非晶体钢纤维(AMF)， 呈细小长方形, 其与基体粘结强度很大， 对UHPFRC早期开裂阻止效果较强. 但其抗拉强度较弱， 纤维在被拔出基体之前断裂， 无法有效抑制裂缝后期发展[16-17]. 所以， 如何同时提高纤维增强初裂强度和抗拉极限强度， 是一个难点， 也是今后研究的一个重点.

1.1.4工作性能

钢纤维掺入会降低拌合物的流动性和纤维分布的均匀性， 影响工作性能， 随掺量提高不断加深. 因此， 实际工程中钢纤维的掺量一般在5%以下， 以2%～3%最为常见[13].

1.1.5收缩

纤维对收缩性能的影响， 现有的研究存在着不同结论， 还需要深入分析. 钢纤维的掺入可以分散毛细管的收缩应力， 有效缓解局部应力集中现象， 减小UHPFRC的收缩, 随纤维掺量提高改善效果越好[7]. 而文献[18]发现相比2%掺量钢纤维， 3%材料的收缩仅降低1.5%， 提高幅度不大, 过多纤维可导致多孔薄弱界面区增加， 收缩抑制作用减小.

相关学者研究了钢纤维类型对收缩与徐变的影响， 结论是影响不明显[19-23].

1.1.6混凝土自愈合

微裂缝宽度不超过0.3 mm， 大气中的水分等成分渗透进混凝土， 在其中产生化学反应并生成物质填充间隙， 即自愈合能力.

纤维有助于抑制微裂缝宽度， 有利于自愈合. 纤维掺量、 种类对自愈合影响规律需要进一步研究[24].

1.2 钢纤维参数

1.2.1形状

钢纤维形状大致可分为圆直形、 波浪形、 波纹形(压痕形)、 哑铃形(扁头形)、 端钩形(弓形)、 螺纹形(扭曲形). 除了最常见的圆直形， 其余形状的纤维(称为异形钢纤维) 与混凝土粘结强度较大， 形状越曲折， 抑制微裂缝效果越强. 相比普通纤维， 虽然纤维形状对其抗压强度影响不大， 但是异形钢纤维能更有效提高抗拉强度和韧性[25-30].

在同等掺量和相同基体情况下， 扁头形对抗拉强度提高最强， 其搅拌过程纤维分布均匀、 无结团现象. 端钩形强度次之， 波纹形和端钩形由于纤维形状曲折使其与基体粘结强度较强， 与韧性提高相比其他形状纤维更佳. 波纹形和端钩形增韧效果存在争议， 因此增韧效果最好的形状须进一步研究； 抗压方面， 波浪形提高效果最佳， 其次是扭曲形. 但波浪形抗拉强度和韧性提高相比扁头形和端钩形低[25-30]. 文献[31]对圆直形、 端钩形、 波浪形进行纤维拉拔试验， 发现后两种纤维和基体粘结强度分别比圆直形(14 MPa)约高出121%、 20%. 文献[32]通过有限元模拟分析纤维拉拔试验进一步证明了端钩形粘结强度较高， 韧性提高效果较强. 今后可通过纤维拉拔实验或模拟分析来探究纤维形状的影响.

表1 纤维形状对UHPFRC材性影响

Tab.1 Effects of fiber shape on properties of UHPFRC

流动性方面， 异形对其流动性的降低幅度比等掺量圆直形约高出10%～22%[12， 26-28]. 纤维端部形状越曲折， 流动性越小[25].

统计结果如表1所示[25-30, 33-34]， 分析表中内容得到如下结论： 1) 纤维形状在不同材料性能方面的提高强弱顺序须进一步探究； 2) 受限于市场纤维的来源， 目前对纤维形状影响的研究难以保持其他纤维参数一致； 3) 纤维形状影响在不同基体中是否不变， 也缺乏研究.

1.2.2d直径、 长径比

钢纤维按其直径划分， 可分为超细(d直径≤0.08 mm)、 细(0.08 mm1 mm)； 按长度划分可分为超短(l长度≤8 mm)、 短(8 mm30 mm)； 按长径比可分为微细(长径比≥65)、 中等(50<长径比<65)以及粗短钢纤维(长径比≤50). 由于纤维在UHPFRC中搅拌均匀， 对强度提高显著， 流动度影响较小， 故常用之[35].

UHPFRC的临界纤维体积率是指复合材料在基体开裂后的承载力不下降所必须的最小纤维体积率. 工程意义为在纤维体积率超过临界纤维体积率时UHPFRC得到了充分的增韧， 能形成稳定可靠的应变硬化现象. 在受拉时裂纹会稳定充分传递直至基体无法再形成新的裂纹为止. 此种情况下， 基体的塑性达到了最大， 裂纹与拉应力得到了充分的传递. 由细观力学理论可知： 当其他因素相同时， 纤维直径越细， 长度越长， 临界纤维体积率越小， 这个影响是二次方或三次方关系. 在基体相同， 基体与纤维的界面作用相近的情况下， 纤维越细长， 纤维临界体积率越小， UHPFRC越容易达到稳定的应变硬化状态. 然而， 越细的钢纤维， 对材质与工艺要求越高， 造价也越高. 因此对于钢纤维的直径选择， 须从性价比来考虑[36].

纤维长短也是一个影响混凝土性能的重要参数. 直径与掺量相同时， 短纤维的根数多于长纤维， 更能抑制微裂缝的产生和发展， 提高混凝土初裂强度和抗压强度. 长钢纤维在开裂断面上， 锚固长度长， 与基体结合作用强， 更能抑制宏观裂缝的发展， 提高抗拉极限强度和韧性[37].

纤维长径比综合考虑了直径、 长度， 是影响UHPFRC性能的重要参数. 抗压方面， 文献[3]研究分别单掺2%长度 1、 12 mm 圆直纤维(长径比分别50、 75)， 强度分别为148.7、 188.5 MPa. 文献[38]研究长度3、 12 mm 圆直纤维(长径比为15、 75)， 发现掺长径比75的纤维材料强度更高. 文献[37]研究分别单掺2.5%、 2.0%长度分别为6、 13 mm的纤维(长径比分别为37.5、 81.25)， 发现单掺2.5%、 2.0%的长径比81.25 纤维材料的强度比长径比37.5的分别提高2.6%、 7.2%. 以上说明随长径比增大， 其强度递增. 而文献[39]研究长度13.0、 19.5、 30.0 mm圆直纤维(长径比分别为65.0、 97.5、 100.0)， 发现单掺定量纤维， 强度随着长径比增大， 从 211.8 MPa下降到209.7 MPa； 文献[40]研究了长度13、 16、 20 mm弓形纤维(长径比分别为65、 80、 100)， 发现单掺定量纤维， 随长径比增大， 强度递减. 结论矛盾， 是因为没有分析得出长径比对抗压强度提高的最佳值. 文献[41]研究长度13.0、 16.3、 19.5 mm圆直纤维(长径比分别为65、 81.5、 97.5)， 发现单掺1.6%纤维强度分别为201.8、 204.5、 197.3 MPa， 强度在长径比81.5取得最佳值.

抗拉方面， 有学者研究单掺2%长度1、 12 mm圆直纤维(长径比分别为50、 75)， 劈裂强度分别为7.8、 12.6 MPa[3]. 文献[37]研究分别单掺2.5%、 2%长度6、 13 mm 纤维(长径比分别为37.5、 81.25)， 发现单掺2.5%、 2.0%长径比81.25纤维材料的劈裂强度比长径比37.5的分别提高17.8%、 25.6%. 这说明随长径比增大， 劈裂强度递增.文献[42]研究了长度13、 25 mm弓形纤维(长径比为65、 125)， 发现同掺量下长径比125的材料抗折强度比长径比65强. 文献[40]研究了长度13、 16、 20 mm弓形纤维(长径比分别为65、 80、 100)， 也发现单掺定量纤维， 随长径比增大， 抗折强度递增； 文献[41， 43-44]研究长度13.0、 16.3、 19.5、 30.0 mm圆直纤维(长径比分别为 65.0、 81.5、 97.5、 100.0)， 发现单掺定量纤维， 随长径比增大， 抗折强度先递增后递减， 最佳长径比为97.5.

综上， 长径比对UHPFRC强度增强存在一个最佳值. 原因可能是同体积掺量， 较小长径比的纤维数量较多、 长度较小， 较大长径比的纤维长度较大、 数量较少. 在材料单位体积内纤维数量、 长度越大， 对微裂缝控制越强， UHPFRC强度越高. 所以纤维对强度的提高存在一个最佳长径比， 其值与基体、 纤维掺量、 纤维形状的关系须进一步探究.

图1 纤维在浇筑过程的分布取向[45] Fig.1 Distribution orientation of fiber during casting process[45]

随纤维长径比的增大， 流动性递减. 浇筑过程中， 乱向分布的纤维取向， 除了靠近模具边壁产生的边壁效应(取向平行边壁)， 其他位置趋于垂直于流动方向. 尤其在边壁之间的中间位置， 会产生最大抵抗力， 降低流动度[33]. 如图1所示, 纤维长径比越大， 纤维越细长， 或者纤维端部形状越曲折， 取向更易趋于垂直流动方向. 文献[3]研究单掺5%长度1、 12 mm圆直纤维(长径比分别为50、 75)， 坍落度分别为95、 65 mm. 文献[30]研究长度7、 13、 20 mm圆直纤维(长径比分别为35、 65、 50)对流动性影响， 发现单掺定量纤维， 长径比65纤维材料流动性总是最小， 长径比35纤维材料流动性总是最大. 文献[40]研究了长度13、 16、 20 mm弓形纤维(长径比分别为 65、 80、 100)， 也发现单掺定量纤维， 随长径比增大， 流动性递减.

纤维规格(形状、 长度、 直径、 长径比)对UHPFRC性能有很大影响. 目前研究以试验观察为主， 缺乏有限元等模拟分析探究， 对于细观作用机理研究极少. 纤维来源无论是在实验中还是在工程应用中， 均以被动地接受市场成品为主. 今后， 应加强作用机理研究， 为纤维主动设计(含纤维规格的设计、 根据性能要求对UHPFRC中纤维规格选用与掺量确定) 打下基础.

2 其他纤维

2.1 碳纤维

碳纤维是一种含碳量90%以上的纤维状材料， 可以克服无钢纤维容易生锈和玻璃纤维致癌等缺点， 并提高UHPFRC的抗拉强度、 抗裂性能、 抗疲劳性能等. 随着碳纤维掺入, 基体抗压、 抗折强度有所提高， 掺量1%时， 抗折、 抗压强度相比不掺纤维UHPC高出22.3%、 7.8%， 压折比提高了11.4%. 同时， 随掺量增加抗压强度先递增后递减， 临界值约在1.5%. 相比钢纤维， 其对混凝土强度和韧性的提高较弱， 脆性改善效果不佳， 但对早期阻裂效果较强[46-47]. 养护制度对碳纤维UHPFRC强度有不同的影响， 其中热养护可以显著提高其力学强度， 蒸汽养护后材料后期强度存在倒缩现象[47]. 碳纤维表面吸水严重， 加入基体内会使流动性大幅度降低. 采用先加干料后加水的制备方式可以有所缓解， 建议工程上纤维掺量不超 1%[48]. 碳纤维也可以碳纤维层形式包裹在构件表面提高强度和刚度[49].

2.2 玻璃纤维

玻璃纤维抗拉强度大， 对基体强度和韧性有一定的提高. 文献[50]发现掺量2.5%时抗折、 抗压强度达到20、 170 MPa, 但掺量过大或者搅拌过程出现结团， 会对强度造成不利影响. 玻璃纤维弹模小于钢纤维， 对混凝土强度提高相对较弱. 相对于玄武岩、 聚乙烯和聚丙烯纤维， 同长径比、 掺量的玻璃纤维UHPFRC干燥收缩较小， 抗压、 弯曲强度较大[51]. 但玻璃纤维有一定的致癌作用， 人体接触后易受伤， 在工程上很少应用.

2.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维具有高抗拉强度、 高弹模、 耐腐蚀等优点， 其极限抗拉强度为4 800 MPa， 远大于钢纤维强度. 其与混凝土搅拌时易分散， 施工性能好， 对抗压、 抗折强度有一定提高. 文献[52]发现玄武岩纤维含量为3 kg·m-3时, 抗压、 抗折强度提高最大. 此时, 对比长度分别为6、 12、 25 mm的纤维可知： 长度12 mm的纤维在抗压、 抗折强度上相比不掺纤维UHPC分别提高约34.6%、 27.2%， 比其他两种长度纤维改善效果更佳. 说明玄武岩纤维的长度等纤维参数会影响其在基体中作用. 玄武岩纤维与基体粘结强度较弱， 限制了其对混凝土性能的改善作用， 极少在实际工程中应用[52]. 因此， 提高其与基体之间粘结强度， 是今后研究重点.

2.4 有机纤维

有机纤维一般是低弹模纤维， 主要用于提高韧性， 对强度提高效果不大. 主要是通过提高混凝土初裂时挠度来提高韧性， 其长度不宜过长， 否则容易结团， 造成混凝土内部空隙增大， 降低强度. 有机纤维种类有很多， 在工程上常用的有聚乙烯醇纤维(PVA)、 聚乙烯(PE)、 聚丙烯(PP)等.

PVA是一种合成纤维， 与基体粘结强度很高， 一定程度上可控制混凝土早期塑性裂缝， 并且提高其韧性和抗冲击性能. 该纤维自重小、 价格低廉， 对混凝土抗裂性能提高显著， 但是对28 d之前的抗压有所降低. 另外， 该纤维的掺入会降低流动性, 掺量增加， 下降幅度越大, 在工程应用中建议最佳掺量为0.1%[2].

聚丙烯纤维掺量适当时可提高UHPFRC抗拉强度和抗裂能力， 并且有效提高断裂能. 纤维掺量0.15%时材料韧性达到最大， 继续增加反而下降[53]. 该纤维长度以不大于19 mm为佳， 否则分散困难， 其最适合掺量是0.2%， 同样其会降低工作性能， 但能显著提高延性[54]. 然而， 文献[55]认为该纤维不会提高强度， 如果搅拌不均甚至还会导致强度下降. 文献[56]发现UHPFRC中掺入该纤维无法有效提高结构的耐火性能. 此外， 聚乙烯纤维能显著提高力学强度以及韧性. 掺量2%时， 抗折、 抗压强度分别为28、 157 MPa， 相比不掺纤维基体分别提高47.3%、 28.1%[57].

有关UHPFRC 中有机纤维作用的研究还不多， 有些结论相互矛盾， 须开展进一步研究.

3 纤维混杂

3.1 不同规格钢纤维混杂

3.1.1不同长度圆直形钢纤维混杂

圆直形是工程上最常用的钢纤维， 其长度有多种， 从1 mm到70 mm都有. 将不同长度的圆直形纤维进行混杂， 已开展了一定的研究. 长度16 mm和长度19 mm 的钢纤维混掺时， 总掺量不超2%， UHPFRC抗裂、 抗折强度比单掺纤维强[58]. 混杂2%长度6 mm和1%长度13 mm 钢纤维， 抗压强度(156.1 MPa)比单掺最大值(单掺2%长度6 mm 抗压145.8 MPa、 单掺1%长度13 mm 抗压136.9 MPa)高7%. 混杂1%长度6 mm和2%长度13 mm 纤维， 抗压强度比单掺2%长度13 mm纤维低8.7%[59]. 这说明不同混杂比例产生不同混杂结果， 以上两种混杂抗压强度均比单掺3%长度6 mm(161.8 MPa)低. 从纤维总量不变分析， 这两种混杂产生的都是负混杂效应. 纤维总掺量3%， 混杂1%长度1 mm、 直径0.02 mm 圆直纤维和2%长度12 mm、 直径0.16 mm 圆直纤维， 抗压强度达到正效应峰值253.2 MPa， 较单掺3%长度12 mm 纤维增加10.96%[3]. 保持钢纤维 2%掺量不变， 混杂以上两种纤维， 发现混杂1.5%长度13 mm和0.5%长度6 mm， 抗压达到最大值141.5 MPa， 比单掺2%长度13 mm纤维高1.6%[45]. 而文献[33]发现其值高出6.9 %[33]， 数值不等可能是所采用的基体材料和配比不同.

通过对长度分别为13.0、 19.5、 30.0 mm 钢纤维进行两两混杂. 发现30.0 mm 和 19.5 mm 混杂有提高抗折强度的作用， 其他组合反而降低. 长、 短钢纤维混杂发挥协同效应， 如图2所示， 不仅与混杂比例有关系， 也与纤维长度相关[60]. 不同直径的混杂研究较少见.

混杂纤维流动性需要考虑长短纤维之间相互作用， 长纤维相对短纤维等同于“边壁”， 导致长纤维附近的短纤维趋于与长纤维平行. 其整体提高了边壁效应， 流动性比单掺纤维大， 呈现正混杂效应， 如图3所示. 保持2%掺量， 发现混杂0.5%长度13 mm纤维(直径 0.2 mm)和1.5%长度6 mm纤维(直径 0.16 mm)， 流动性达到正效应峰值， 比单掺2% 长度13 mm纤维高 4.2%[45]. 文献[33]研究发现混杂纤维正效应峰值243 mm， 较单掺高 6.6%， 不同值原因是UHPFRC材料、 配合比不同.

图2 长短纤维混杂优势互补现象[61]Fig.2 Complementary advantages of long and short fibers[61]

图3 混杂纤维浇筑过程中发生的边壁效应[45]Fig.3 Sidewall effect in the casting process of hybrid fiber[45]

3.1.2不同形状纤维混杂

不同形状钢纤维混杂时， 常以圆直形为基本纤维， 将其与其他异形纤维混杂. 圆直形以短纤维为主， 异形以长纤维为主. 端钩形对韧性提高优越， 很多学者将长端钩形与短圆直形纤维进行混杂. 文献[62]中采取适当混杂比例， 可以有效提高强度、 韧性. 其中短圆直形主要提高抗压强度， 长端钩钢形主要提高抗拉强度、 韧性， 二者结合体现协同效应. 文献[63]进行了纤维总掺量为2%的不同掺量组合实验， 发现1.5%圆直形(长度19 mm)和0.5%端钩形(长度35 mm)混掺效果最佳， 其抗折、 抗压强度仅比单掺2%圆直形低4.9%、 10.3%， 但韧性得到提高. 纤维总量不变， 混杂后某材料性能没有像正混杂效应出现高于单掺最大值， 也没有像负混杂效应出现低于单掺最小值， 而是介于单掺之间， 称为零混杂效应. 这是不同纤维之间没有发生混杂作用的结果， 既没有纤维之间的协同作用， 也没有纤维之间互斥作用. 实际应用中可以在混杂比例中找到平衡点， 使UHPFRC在一定程度上具有不同纤维的改善优点. 文献[63]混杂在抗压、 抗折强度呈现零效应， 说明长短纤维长度须相差一定数值， 才能发挥优势互补作用.

文献[64]研究短圆直形(长度 13 mm)和长端钩形(长度 30 mm)混杂， 发现总掺量2%不变， 流动性呈现零混杂效应. 随长纤维数量提高， 扩展度从510 mm(单掺2%短纤维)递增到566 mm(0.5%短+1.5%长)， 强度呈现正混杂效应. 抗压强度在0.5%长+1.5%短取得最大值， 比单掺最大值高14.2%. 抗拉强度在0.75%长+1.25%短取得峰值， 比单掺最大值高6.9%. 这说明混杂效应在不同材料性能上有多面性， 之间是否存在联系须进一步探究. 端钩形和圆直形纤维混杂效应还受到纤维长度的影响， 目前只能通过实验探究， 理论尚未突破. 文献[65]在保持2%掺量， 混杂长度13 mm圆直和长度30 mm、 直径0.7 mm弓形纤维， 发现抗压、 抗拉强度呈现零混杂效应， 虽然长度和文献[64]相同， 混杂中相同掺量(质量)情况下长度30 mm纤维数量比较少， 限制宏观裂缝较弱. 这表明长短纤维优势互补不仅需要在长度上满足一定相对差值， 混杂的纤维直径不宜过大.

文献[66]采用短圆直形(长13 mm)和长波纹形(长31 mm)进行混杂， 纤维掺量3%不变， 随波纹形比例的提高， 流动性下降， 从230 mm(3%短纤维)降到150 mm(3%长纤维). 两种纤维等比例混掺， UHPFRC抗压、 抗拉最强， 比单掺中最大值分别高16%、 25%. 说明短圆直形和长异形纤维在适当混杂比例情况下， 可能得到优越效果的正混杂效应. 目前多数钢纤维混杂试验都是不同尺寸圆直形混杂、 圆直形和异形混杂， 缺乏异形纤维之间混杂探究.

3.2 其他纤维与钢纤维混杂

3.2.1有机纤维与钢纤维混杂

钢纤维弹性模量高， 有机纤维一般弹性模量较低. 前者属于主要提高强度的刚性纤维， 后者多数属于主要提高延性的柔性纤维， 二者混杂目的在于同时提高混凝土强度和韧性. 目前钢纤维的混杂， 以短直圆形纤维为主.

有学者把聚丙烯、 钢纤维进行混杂， 发现混杂0.5%钢纤维和0.15%聚丙烯纤维显著提高了UHPFRC的抗高温爆裂性能. 原因是聚丙烯纤维熔点低， 高温后熔化形成孔隙能提高高温抗爆性[67-68]. 其与长度30 mm的波纹形钢纤维混杂， 纤维的最佳长度19 mm， 在力学性能上， 混杂2%钢纤维和0.1%聚丙烯纤维力学性能优越， 抗压、 抗折强度分别达到138.13、 37.19 MPa， 压折比低， 韧性强[69]. 文献[70]发现以3%掺量的钢纤维和0.5%掺量的聚丙烯纤维混杂， 抗压最大， 比单掺3%钢纤维时约高10.56%. 钢纤维和聚丙烯纤维最佳混杂比例、 掺量存在异议， 须进一步探究.

文献[71]研究钢、 聚乙烯混杂， 保持2%总量， 在抗压、 抗拉强度、 流动性均呈现零混杂效应. 钢纤维对流动性影响较小， 抗压强度提高较大， 聚乙烯对抗拉强度提高较强.

在动态试验中， 文献[72]发现温度对钢、 PVA纤维混杂有影响. 常温二者混杂在动态抗压和韧性均产生负混杂效应. 文献[73]研究结果与此相反， 呈正混杂效应， 存在歧义需要进一步研究. 该文认为高温过火后， 混杂材料出现塑性强化现象， 产生正混杂效应， 最佳掺量为2%钢纤维+0.1% PVA纤维. 在静态试验中， 文献[74]给出了PVA纤维掺量大于0.25%时流动度明显下降， 适当混杂比例可以提高抗折强度、 韧性及其耐高温性的结论. 文献[75]认为总掺量2%， 混杂二者有正混杂效应， 掺1%钢纤维+1% PVA 纤维材料弯曲韧性最大. 文献[7]则认为掺1.5%钢纤维+0.5PVA 纤维材料弯曲韧性最大， 比单掺钢纤维分别提高10、 15%， 收缩减少40%， 不同最佳掺量可能和不同基体有关. 文献[76]分别将PVA纤维、 聚丙烯混入钢纤维UHPFRC中， 相比单掺2%钢纤维， 抗压强度分别提高 5.4%、 10.6%， 抗折强度分别提高10.2%、 19.2%这说明钢纤维和聚丙烯混杂效果较好. 钢纤维与各种有机纤维的混杂可能结合高强度、 高延性纤维各自优点， 其混杂将是未来研究热点.

3.2.2无机纤维与钢纤维混杂

玻璃纤维、 玄武岩纤维、 碳纤维也具有较高弹模. 对混杂玻璃、 钢纤维的研究发现掺入玻璃纤维会降低混凝土的流动性， 但对早期阻裂效果优于单掺. 文献[77]发现当混杂0.4% 玻璃纤维和1.5%钢纤维时UHPFRC性能得到很大提高， 抗压强度达到较大值131.16 MPa， 抗折强度达到最大值34.69 MPa， 得到正混杂效应. 玻璃、 钢纤维最佳混杂比例须进一步探究.

文献[78]通过实验发现混杂玄武岩、 钢纤维可以提高UHPFRC性能. 文献[70]发现以3%掺量的钢纤维和1%掺量的玄武岩纤维混杂， UHPFRC抗侵彻性能最优. 由于玄武岩纤维与基体粘结强度较弱， 和钢纤维混杂易在基体中产生孔洞， 故很少研究其与钢纤维混杂的意义.

碳、 钢纤维混杂目前很少在基体中直接掺入纤维混杂， 而是采取碳纤维层形式包裹在构件表面提高掺有钢纤维UHPFRC的强度刚度[49]. 碳纤维是否适合和钢纤维混杂须进一步探究.

3.3 混杂效应

图4 材料性能随混杂比率变化规律Fig.4 Variation of material properties with hybrid ratio

在研究UHPFRC中混杂纤维时， 若各实验组的纤维总掺量没有保持统一， 则实验结果受纤维混杂、 掺量变化的共同作用无法单独分析混杂效应的影响. 鉴于此， 进行实验时保持总掺量不变， 才能单独分析混杂效应因素对试验结果的影响. 总结文献[58-78]中的纤维混杂研究， 可知混杂效应有正、 零、 负效应， 取决于混杂纤维种类、 UHPC基体. 而混杂效应是否受纤维总掺量影响须进一步探究. 纤维混杂比例不决定效应类型， 材料性能在三种效应随两种纤维混杂比率(纤维总量保持不变， 混掺另一种纤维占总量的比率)变化规律如图4所示， 而能否用函数关系模拟二者关系须进一步探究.

综上所述， 目前纤维混杂研究多以实验探究进行， 缺乏混杂作用机理的理论研究， 以至于实际工程中极少应用； 现有的研究， 混杂数量以两种为主， 三种及以上研究较少； 混杂种类集中在不同钢纤维、 钢纤维和其他材质纤维混杂上， 缺乏是否能够通过其他不同材质纤维混杂替代 UHPFRC 中钢纤维作用的探究， 还缺乏混杂效应对不同基体影响的研究.

4 结语

1) 钢纤维弹模大、 抗拉强度高， 是UHPFRC中最常用的纤维. 适当掺量对UHPFRC抗压强度、 抗裂性能、 抗拉强度、 韧性等均有不同的提高作用. 也会影响拌合物工作性能， 掺量达到转折点时对强度韧性等材料性能提高不大， 甚至降低. 这个转折点在工程上具有重要的意义， 影响的因素也较多， 是一个值得研究的问题. 对于抗拉， 如何同时提高抗裂性能与抗拉强度， 是研究的难点也是重点.

2) 钢纤维规格(形状、 直径、 长度等)对UHPFRC的增强增韧效果有很大影响. 随长径比增大， 抗压、 抗拉性能递增， 也存在一个转折点， 最佳长径比的研究有重要意义. 同时， 随长径比提高， 流动性递减. 现有的研究以实验观察为主， 今后， 应加强作用机理研究， 为纤维规格的主动设计以及根据性能要求选用纤维规格和掺量设计， 打下理论基础.

3) 无机纤维(比如玻璃纤维、 碳纤维、 玄武岩纤维)和有机纤维(如聚乙烯纤维、 聚丙烯纤维等)在UHPFRC中的作用不尽相同， 进一步的研究是必要的， 以适应不同工程对不同性能要求， 并为混掺研究提供基础.

4) 圆直形钢纤维不同长度的混杂、 不同种类钢纤维混杂、 钢纤维与其他纤维的两两混杂均有了相当的研究成果. 混杂有正、 零、 负效应， 取决于混杂纤维种类、 UHPC基体， 混杂效应随两种纤维混杂比率具有一定变化规律. 然而， 目前的研究多以实验为主， 缺乏有限元等模拟分析研究， 缺乏混杂时不同纤维协同作用机理的理论研究. 混杂种类以两种为主， 三种及以上研究较少.