纤维混凝土力学性能研究

钱萍萍

（南京工业大学浦江学院，江苏 南京 211222）

0 引言

由于成本低、可浇筑性能好、能适应不同功能要求等特征，混凝土复合材料在土木工程和建筑项目中被广泛应用。但素混凝土的主要缺点是抗拉强度较低，抗裂性能较差。纤维添加到混凝土中，以弥补其脆性和抗拉能力的不足，由此产生了纤维增强混凝土（FRC）。由于材料、尺寸、形状的多样性，发展出多种多样的纤维增强材料。

纤维一般由钢、玻璃、玄武岩和纤维制成。这些纤维可以降低新拌混凝土和硬化混凝土的收缩，提高混凝土的抗冲击、抗疲劳和刚度等力学性能。通过整合一个连贯的纤维网络，这些纤维可以带来长期的耐久性，改善结构特性，控制混凝土结构中的次生裂缝或温度裂缝。这种性能取决于许多因素，包括长径比（纤维长度/当量直径）、纤维的体积百分比以及它们的物理和机械性能。在过去的20 年里，纤维混凝土建设在世界范围内变得越来越普遍。因此制定了许多技术指南，规定了混凝土、砂浆和灌浆中用于结构或非结构应用的纤维的要求。有许多种类的纤维可供销售各种材料、长度和几何形状。本文总结了常见类型的纤维（有机合成纤维、玄武岩纤维、钢纤维及混杂纤维）对混凝土性能的改善，以期为后续研究提供参考。

1 钢纤维

Habel 等发现钢纤维增强高性能混凝土具有良好的耐久性和较高的抗拉强度。Fujikake 等提出在活性粉末混凝土基体中加入2%的钢纤维可以提高抗拉强度。Zhang 分析了钢纤维对粗骨料高性能纤维混凝土抗弯韧性和断裂力学性能的影响，指出钩钢纤维增强试样具有较好的抗弯性能。随后Sudarshan 指出，钢纤维与水泥基体的粘结强度直接影响HPSFRC 的动态抗拉强度。Guo 等人提出高性能钢纤维混凝土的动态抗拉强度随着纤维含量的增加而增加。但钢纤维的金属性质可能是一个问题，因为其潜在的腐蚀性和磁性。

2 有机合成纤维

有机合成纤维有效地改善了钢纤维的耐腐蚀性问题。人们对聚丙烯纤维作为混凝土结构加固材料进行大量研究。聚丙烯纤维因其增强的抗拉和抗弯强度、抗收缩开裂性能、在混凝土中具有优异的韧性以及低廉的成本而受到研究者的欢迎。聚丙烯纤维的加入显著提高了含硅灰和粉煤灰的混凝土复合材料的耐久性，但对混凝土的和易性有不利影响。随着纤维体积分数的增加，混凝土的透水性、干缩变形和碳化深度均减小。大量的聚丙烯纤维均匀地分散在混凝土复合材料中，形成对骨料有支撑作用的网格结构，可减少新拌混凝土的泌水和离析。

近年来，也有研究表明，再生塑料可用于生产廉价的集料和纤维，以增强建筑业的胶凝复合材料。已经证明，回收的聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯、尼龙、高密度聚乙烯或聚丙烯制成的纤维可以在各种工程应用中有效替代原生塑料纤维。建筑业使用从废弃瓶子、废弃渔网、工业塑料废料中获得的再生塑料，这些废料包括以增强纤维形式出现的废料，以及用于环保混凝土或砂浆的聚合物颗粒。纤维或聚合物颗粒对塑料纤维或聚合物颗粒增强混凝土和砂浆的初裂强度和断裂韧性有积极影响，这一点已形成共识。

近几年的研究中，开发出一种聚烯烃基纤维，这种聚烯烃纤维降低了材料的总成本，化学性质稳定。有关聚烯烃纤维增强混凝土力学性能表征及其工程应用的研究已经开展。在纤维增强混凝土生产的最后阶段添加纤维，混凝土的浇筑方法、模板几何形状和流变特性会影响纤维的位置和方向。这些参数已经通过多种方法进行研究，例如使用体视学工具、统计工具，甚至流变分析。处理这一问题的大多数研究都计算了放置在锯切表面或弯曲断裂试验中产生的断裂表面中的纤维数量。Krenchel 提出了一个将纤维的取向和分布耦合在一起的取向因子，在这种情况下可以进行分析。

3 玄武岩纤维

玄武岩纤维通常不用于结构混凝土应用。它们来自玄武岩矿，与混凝土具有良好的相容性。与其他类型的纤维相比，玄武岩纤维的制造工艺具有能耗低的特点。玄武岩纤维的其他优点，如价格低廉、弹性模量高、抗高温和抗化学侵蚀性能好，使其有可能成为钢筋混凝土复合材料中常用纤维的合适替代品。

短玄武岩纤维对混凝土性能影响的研究有限。Zieliń 和Olszewski 研究了水泥砂浆的性质的玄武岩纤维。作为分析的结果，确定了砂浆中纤维的最佳用量。Li 和Xu 研究了玄武岩纤维增强地聚合物混凝土的冲击性能。研究发现，加入玄武岩纤维可以有效地降低地聚合物混凝土的破坏，减轻变形，提高吸收能量的能力。然而，玄武岩纤维混凝土的动态抗压强度并没有提高。Fiore等研究表明玄武岩纤维对增强高性能混凝土也非常有用，可以提升其抗拉强度、抗冲击和耐火性能、渗透性和抗冻性。

4 混杂纤维

当两种或两种以上类型的纤维混合在一起浇筑混凝土，称为混合纤维增强混凝土（HFRC）。混合不同类型纤维的决定可能基于混凝土性能的改善和/或基于经济方面。在钢筋混凝土中进行纤维杂交可以采用不同的方法，例如组合不同类型的材料、纤维的几何形状（形状和/或尺寸）、模量和抗拉强度。在混凝土基体中加入两种不同纤维类型的杂交的主要概念是，一种纤维类型的存在能够更有效地利用另一种纤维类型的性能。大量文献研究混杂纤维对不同类型混凝土力学性能（抗压强度、抗弯强度、残余抗弯强度、韧性、韧性指标、裂缝扩展、纤维桥接规律、断裂能等）的影响。

纤维在混凝土中的重要作用之一是跨越裂缝，延缓裂缝的扩展，提高裂缝后延性。众所周知，混凝土的破坏是一个多尺度的过程，发生在微观和宏观尺度。对于单纤维混凝土来说，由于单纤维只有一个尺寸和一种类型的纤维，这种钢筋限制了裂缝在其尺度和有限的应变范围内的扩展，对其他尺度的裂缝桥接影响很小或没有影响。

对于混合纤维而言，在纤维体积分数相同的情况下，短而软的纤维（微纤维）较细，其在混凝土中的微裂纹数量远高于长硬纤维，因此可以更有效地控制微裂纹的萌生和扩展。虽然微纤维表现出不明显的拔起反应，但它们可以提高宏观纤维的拉拔响应，从而制备出高强度、高韧性的复合材料。随着微裂纹的扩展和加入宏观裂纹中，长而硬的纤维（宏观纤维）在裂缝桥接中变得更加活跃，因此能增强材料的延性和一定程度的抗拉强度。此外，通过桥接宏观裂缝，减小宏观裂缝的开口，纤维对峰后挠曲软化有明显的影响。Yao 等对钢、聚丙烯和碳纤维混杂作用下纤维增强混凝土力学性能的研究表明，碳纤维混杂作用对提高强度和抗弯韧性最有利。值得注意的是，混合纤维（特别是塑性纤维）不仅能提高混凝土的断裂性能，而且能提升混凝土的耐久性。事实上，塑料纤维具有良好的延性、细度和分散性，可以抑制裂纹，耐久性更强。

总之，适当体积比的微观和宏观纤维，可以明显改善混凝土的极限强度，应变能力和开裂后性能。Ganesan 等人指出，混合钢和聚丙烯纤维的加入改善了许多力学性能，如混凝土的首次裂缝荷载、极限荷载和延性系数。值得注意的是，钢纤维的主要优点是与聚丙烯纤维相比具有较高的延展性。

5 存在问题与展望

纤维对混凝土的改善主要出现在混凝土开裂后。因此，这种开裂后的性能已经成为重要的参考指标，为此进行一系列试验以验证混凝土和纤维之间粘结性能的可靠性。如果试验结果与所需要求一致，在结构设计中可以考虑纤维添加对水泥基复合材料的影响。因此，在钢筋混凝土中减少传统钢筋的数量是可能的。现有的预测模型也正在考虑将纤维数量和位置作为结构设计的重要参数。这些模型对未来设计有重要意义，但目前还需要实验室的测量结果和结构设计的验证。

现阶段研究中，多种纤维的组合含量、混杂比等参数对纤维混凝土力学性能的准确分析还未形成比较一致的意见，纤维混凝土的本构关系、抗震性能等具体设计参数还存在很多不确定因素。进一步扩大纤维混凝土的应用领域，形成比较完备的设计规范，未来还有很多问题等待我们解决。