纤维增强混凝土研究进展与应用

徐义华，王 恒

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232000)

0 前 言

目前，混凝土材料以其原料易得、易筑模成型和性价比高等优点而成为世界上最为广泛使用的建筑材料之一，但随着经济的发展，混凝土的抗拉强度低、变形量小、韧性不足等缺点显现出来。研究人员进行了各种纤维混凝土试验，研究出各种纤维与水泥基料组成的复合材料，利用纤维的优点有效地提升了混凝土材料的力学性能[1]，并分别在各种大型工程中得到了广泛的利用。

1 纤维增强混凝土研究现状

1.1 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。钢纤维混凝土的抗拉、抗弯和抗剪强度相较于普通混凝土得到了有效提高。张玉杰[2]、白敏[3]的研究结果表明随着钢纤维掺量的增加，钢纤维混凝土的立方体抗压强度呈增长趋势，其劈裂抗拉强度有明显提升效果，但抗压强度的提升并不明显。如当钢纤维体积参量为1.5%时，其28 d立方体抗压强度增加了23.8%，劈裂抗拉强度提高78%。黄春文[4]研究发现一个计算模型可有效预测钢纤维混凝土的抗弯强度以及结构尺寸效应。庞建勇等[5]则控制钢纤维的掺入量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，将其掺入橡胶掺量为5%的混凝土中来提高混凝土力学性能，发现当5%的橡胶掺量情况下，1.5%为钢纤维的最优掺量，抗拉、抗折强度分别提高了37.9%和32.8%，其中橡胶有效增强了混凝土的韧性。

1.2 玻璃纤维混凝土

玻璃纤维作为一种高性能无机非金属材料，具有极强的耐腐蚀性、抗弯、抗拉等优质性能，因此，将玻璃纤维加入混凝土后可有效改善混凝土的各方面性能。在玻璃纤维混凝土内部，玻璃纤维与水泥砂浆粘结良好，形成有效的“纤维网络”，提高了混凝土的韧性，阻止了裂缝的发展和新裂缝的出现。有效利用了废旧玻璃，符合当今社会绿色发展的要求，故在实际工程中有实际的应用意义。葛辉等[6]通过试验表明玻璃纤维的掺入量增加和玻璃纤维密度增大，玻璃纤维混凝土的抗压、抗拉和抗弯强度都逐渐增大，但增长速率变小。孟云芳等[7]则针对混凝土的耐高温性，通过正交试验并结合辅助胶凝材料硅灰、粉煤灰进一步得出了玻璃纤维混凝土的优选配合比水胶比为0.31，粉煤灰掺量10%，硅灰掺量1%，玻璃纤维掺量1%。掺入玻璃纤维和复合掺合料对混凝土起到抵抗高温的作用，优选配合比的组合比常态组合的耐高温效果更加明显。刘亚飞等[8]研究发现玻璃纤维掺量为2%时，抗压强度增幅最大，而混凝土弹性模量的降低程度最为明显，而当玻璃纤维掺量继续增加时，对弹性模量的影响可忽略。故将玻璃纤维掺量控制在2%以内，可保证混凝土基本强度和弹性模量的双重效果。

1.3 聚丙烯纤维混凝土

聚丙烯纤维因其抗拉强度高、韧性高、价格低的优点被适量掺入混凝土中，有效提高了抗压、抗裂性能。张悦[9]分别对掺量为0、0.6、0.9、1.2、1.5 kg/m3的聚丙烯纤维混凝土进行立方体抗压试验、劈裂抗拉试验与抗折试验，试验得出0.9 kg/m3掺量时混凝土抗压抗折强度最大。罗洪林等[10]对直径为450、31 μm聚丙烯纤维的不同长径比进行混凝土性能试验，发现聚丙烯纤维混凝土的抗压、抗折、劈裂抗拉强度相较于混凝土基体得到了明显的提高，且提高量随纤维长径比增大而先增大后减小。黄鑫等[11]利用正交试验发现对于聚丙烯纤维混凝土抗压、抗拉、抗折强度来说，纤维长度的最佳取值在10～19 mm，且在此区间内随着纤维长度的增加其力学性能也随之增加。张慧莉等[12]通过改变矿渣和聚丙烯纤维的配比来测试其抗弯疲劳性能，试验得出矿渣和聚丙烯纤维的掺入均提高了累积抗疲劳强度。

1.4 玄武岩纤维混凝土

在混凝土中掺入玄武岩纤维，提高了混凝土的抗拉、抗冲击、抗裂和抗渗性能。李德超等[13]研究发现随着玄武岩纤维掺量的增加，抗压强度和抗拉强度表现出先增加后减小的趋势，玄武岩的最优掺量为0.4%。于泳等[14]研究对于相同的体积掺量(0、0.4%、0.6%、0.8%)玄武岩纤维条件下，长度为6 mm的短纤维比18 mm的长纤维的对混凝土的抗冲击性能有更好的改善作用。

2 纤维增强混凝土的应用

纤维增强混凝土现已广泛适用于许多大型土木工程项目。钢纤维混凝土广泛应用于道路、水利、桥梁和建筑等，但其用量大、价格高和无法应对火灾情况等缺点而被限制发展应用。工程实例有承受重量级工作制造工业厂房、广州解放大桥以及江苏石舀港码头的轨道梁工程等工程中使用钢纤维混凝土，有较好的经济效益。玻璃纤维混凝土的抗弯曲、抗冲击性能有明显改善，适应于道路、桥梁及边坡工程中，符合当今社会绿色发展的要求。工程实例有田集电厂立交桥箱顶、隧道喷射混凝土防护边坡等。聚丙烯纤维混凝土广泛应用于桥梁、路面及隧道等实际工程领域。工程实例：江西省某桥梁实例、甘肃省调度通讯楼工程等。玄武岩纤维混凝土因其优良的抗冲击、抗渗和抗冻融循环性能可应用于道路、桥梁、深水码头和严寒地区等，但由于抗弯、抗剪性能不够强，其不能广泛应用，多以短切和增强筋的形式掺入混凝土。工程实例：浙江永祥隧道修复加固工程等。

3 结 语

土木工程对材料性能的要求不断变高，因此，纤维增强混凝土拥有十分广阔的发展前景。但还存在一些问题可以深入地研究：①纤维混凝土的研究大多数局限于单一因素的影响，但在实际工程中大多都是在多种环境因素影响的，因此，研究在多种因素影响下的纤维混凝土力学性能的变化是必不可少的，可运用正交实验法等来找出最佳方案；②高温条件下，纤维混凝土的力学性能衰减及纤维增强机理还有待进一步研究；③缺少系统的纤维混凝土规范；④混杂纤维性能、新型高性能环保的纤维的探索和新的纤维的结构形式可进一步深入研究。

纤维混凝土作为一种新型建筑材料，凭借其在强度、韧性以及变形等各方面的优势，随着科技的发展和研究的深入，将会在实际工程中有更广阔的应用前景。

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