纤维增强混凝土力学性能研究进展

刘浩然 柳亚男 刘华新 辽宁工业大学

1 前言

混凝土是当代工程领域应用最广泛的原材料，优点是能够就地取材，资源储备量大，价格低廉，可塑性和耐火性好，并且由于温度线膨胀系数相近，所以能与钢构件结合使用并且整体性好。

因此在世界各地的桥梁、大坝、高速公路、隧道、港口、沿海工程、工业与民用建筑上得到广泛应用。但其韧性差、自重大、抗拉强度低等因素也制约了自身的进一步发展。因为以上这些缺点，纤维混凝土就应运而生了。多数学者主要对纤维增强混凝土的力学性能进行了研究。

2 纤维混凝土的力学性能

2.1 纤维素纤维混凝土

纤维素纤维作为一种天然纤维，抗拉性能、延性性能和耐久性能表现优异，掺加到混凝土中对基体受力时裂缝开展初期阶段有良好的阻裂作用。同时纤维素纤维在我国来源广泛，具有价格低廉和资源充足的优势。

针对纤维素纤维对混凝土的增强作用研究主要包括力学性能和耐久性能方面，具有抗冻融、抗渗和抗疲劳等优势。目前，纤维素纤维在实际工程中已有众多应用，主要集中在桥梁工程、管道工程及海底隧道等领域[1-4]。

文献[5]通过弯曲韧性试验研究了纤维素纤维对混凝土的抗弯韧性和变形性能，并将其与合成纤维、钢纤维和混杂纤维进行对比，分析结果表明：纤维素纤维可有效提高混凝土的抗弯韧性和变形能力，并且在体积掺量相同的情况下，纤维素纤维的抗弯性能优于聚丙烯纤维。混掺纤维素纤维和钢纤维能够明显增强混凝土延性性能。

文献[6]将纤维素纤维掺加到混凝土中探究其抗裂、抗冻融和抗火性能，结果表明：纤维素纤维的加入能够有效改善混凝土的早期开裂以及抗裂、抗冻融和抗火性能，最终提高混凝土后期耐久性。

文献[7]从微观上研究了纤维素纤维的结构特征，结果表明：纤维素纤维混凝土相较于普通混凝土的内部静水压和渗透压较小，抗冻融性能有一定提高，冻融循环后的质量损失和动弹模量损失较小。

文献[8]对混杂纤维混凝土的力学性能和耐久性能进行了试验研究，结果发现：相较于单掺聚乙烯醇，混掺聚乙烯醇和纤维素纤维的混凝土抗压性能、劈拉性能和抗氯离子渗透性能具有显著优势。

2.2 玄武岩纤维混凝土

玄武岩纤维是熔化的玄武岩岩石通过挤压工艺制成的一种新型无机纤维。由于玄武岩纤维不含有其他添加剂，因此更具有经济性。众所周知，玄武岩纤维具有比玻璃纤维更好的拉伸强度，比碳纤维更大的破坏应变，以及更优良的抗化学侵蚀、抗冲击荷载和抗火性能。因此，在许多工程应用中玄武岩纤维有望成为玻璃纤维、钢纤维和碳纤维的合适替代品。先前的研究表明：掺加玄武岩纤维后的混凝土抗拉强度明显提高，并且提高了韧性、抗变形能力和断裂模量[9]。

文献[10]等人的研究得出：玄武岩纤维混凝土在冻融过程中的动弹性模量和质量损失性能明显优于普通混凝土。

文献[11]研究了玄武岩纤维增强混凝土的抗冲击性能，试验结果表明：添加玄武岩纤维可以有效减轻混凝土的试件的破坏，减轻变形和增强吸能能力。但是，玄武岩纤维增强混凝土的动态抗压强度没有提高。

文献[12]研究显示玄武岩纤维对于增强高性能混凝土的抗拉强度、抗冲击、耐火性、抗渗透性和抗冻性能提高明显。

3 纤维增强混凝土耐久性研究

混杂纤维增强混凝土耐久性的研究主要集中在疲劳变形性能、抗裂防渗、抗冻性能和抗腐蚀性能等方面。

3.1 冻融机理研究

随着现有建筑物和构筑物结构所处环境的不断恶化，长期的生物化学侵蚀对混凝土性能影响不容忽视。有些在北半球寒冷地区的水工混凝土结构，冻融破坏是影响其耐久性能的主要因素。

混凝土的冻融耐久性与其孔隙结构密切相关。混凝土内部孔隙的形状、体积和分布决定了孔内溶液凝固点和在孔内形成的结冰量。通常，在一定的温度范围内，混凝土内部溶液越多就会引起更大的内部压力，最终会导致更严重的冻融破坏。因此，溶液凝固点和结冰量能够反应混凝土的抗冻性。通过了解冻融过程中的冰含量，可以计算出由于冰的形成的混凝土内部液压，从而可以评估和预测混凝土的冻融劣化程度，最终结果将有助于混凝土结构的设计和维护。

对于混凝土冻融耐久性的研究已持续近百年，众多研究学者基于大量试验数据及理论研究，发表了一系列假说。尽管这些假说或理论并未形成同意结论，但这些假说为混凝土结构的创新和发展提供了坚实的理论支撑，确保了经受冻融循环作用地区的混凝土结构的安全性和工作性能[13]。

其中，在20世纪40年代先后提出静水压理论和渗透压理论。静水压理论认为混凝土基体内率先达到冰点的溶液体积膨胀，导致未达到冰点的溶液向外移动，产生对孔隙壁的压力，引起混凝土体积膨胀。而渗透压理论认为基体中大孔径内的溶液冰点较小孔径内溶液低，并且大孔径内剩余溶液离子浓度升高，周围小孔径内溶液浓度较低，两者形成的浓度差导致小孔内溶液向大孔径内转移。虽然这两种理论被多数学者一定程度认可，但其不能有效解释混凝土经历冻融过程中体积收缩以及吸水率升高的现象。

文献[14]提出的微冰透镜模型对Powers的理论进行了有效补充，模型对混凝土受冻过程中的体积收缩现象和冻融过程中基体内溶液不断增加的现象做出了较好的解答。

3.2 高温机理研究

实际工程中，高温对混凝土结构的影响主要体现在冶炼炉等长期经受高温作用的结构或者经历火灾的建筑物等之中。高温对混凝土基体的破坏主要反映在对混凝土内部孔隙的影响上。学者Mehta提出的理论表明：虽然混凝土基体中孔隙形状、大小不一，但对基体力学性能和渗透性能影响明显的只有孔径大于132nm的孔隙，对此类孔隙的深入研究将有助于解释高温对混凝土的破坏。

一般而言，将混凝土基体中小于10nm的孔隙称为凝胶孔，介于10nm和200nm的孔隙称为毛细孔，超过200nm的孔隙称为大孔。基体内部的这三类孔隙随着高温作用的进行会产生一系列物理和化学变化，其主要变化体现 在基体中毛细水和结合水的消散。

研究表明：基体内部分毛细水和部分结合能力较差的物理结合水在40℃逐渐蒸发。随着升温进行，全部的毛细水和大部分的物理结合水在105℃时消散，超过这个温度后，水化反应开始发生，C-S-H凝胶和钙矾石中的结晶水会渐渐消失。物理方面，孔径较小的凝胶孔之间的界限会被打破，众多凝胶孔会相互连通。此时基体内的孔隙结构已出现明显变化，宏观上表现为混凝土各项力学性能的不同。

4 混杂纤维混凝土性能研究

关于混杂纤维增强再生混凝土的各种力学性能和耐久性能的影响已有许多研究。其中相较于单掺同体积纤维时，掺入钢纤维和聚丙烯纤维后的再生混凝土试件的峰值荷载、断裂韧度及断裂能均明显提高，其中断裂能增幅最大。研究了50次腐蚀冻融对混杂纤维再生混凝土耐久性的影响，结果发现相较于单掺聚丙烯纤维和玻璃纤维，不同尺寸和体积掺量的混掺纤维表现出良好的正混杂效应，提高了再生混凝土的抗冻能力。

此外，混掺纤维可以有效改善耦合腐蚀和冻融循环复杂环境下再生混凝土的耐久性。混杂钢纤维-聚乙烯醇（PVA）纤维对再生混凝土力学性能及弯曲韧性的改善效果，结果发现：混杂纤维对再生混凝土性能提高效果明显，并且影响程度大小为抗弯＞抗拉＞抗压。利用有限元软件ABAQUS对再生混凝土梁的抗剪性能进行了一系列研究，结果发现：相较于普通混凝土梁，箍筋承受剪应力较早，并且混凝土梁受剪区更早破坏。模拟结果与试验结果接近，反映出所建模型的合理性和准确性。