纤维加筋混凝土研究进展

摘 要：纤维具有弹性模量及抗拉强度高的特点，将其作为加筋材料掺入混凝土基体中可以解决混凝土抗拉强度低、延展性差等问题。本文通过纤维加筋混凝土材料研究进展进行概述，分析了不同种类纤维加筋混凝土材料的力学性能、耐久性及作用机理。结果表明，在适当的掺入比例和加筋长度下，纤维能有效增强混凝土的强度、抗渗及抗碳化性能。最后，本文提出了以纤维混掺技术强化复合材料耐久性的创新思路，为进一步提高混凝土性能提供了有益方向。

关键词：纤维混凝土；力学性能；耐久性能文章编号：2095-4085（2024）10-0001-03

0 引言

混凝土因其价格低廉而成为当代最主要的土木工程材料，在建筑、公路、桥梁、隧道、水利等工程项目中得到了广泛的应用^［1-2］。然而混凝土存在抗拉强度低、延展性差等问题，抑制了其进一步发展，纤维的掺入可以有效解决上述问题^［3-4］。纤维混凝土是在普通混凝土中添加纤维，通过纤维的桥接作用限制普通混凝土裂缝的发展，从而大幅度提高混凝土的力学、抗渗和抗冻融等性能。本文总结了不同种类纤维加筋混凝土力学及耐久性的研究现状，并对影响纤维混凝土性能的因素进行了分析。

1 纤维混凝土力学性能的研究现状

混凝土的力学性能是决定高层建筑发展的重要因素之一。近年来，诸多学者发现，不适合的配合比会使混凝土内部纤维分布不均，进而产生适得其反的效果。因此，探寻合适的纤维掺量尤为重要。

（1）伊俊红^［1］等人比较了不同碳纤维长度对混凝土劈裂抗拉强度的影响，发现通过加入碳纤维材料能够有效地提高混凝土的抗压、抗拉强度。碳纤维加筋长度在10mm，掺量在0.24%时加筋效果最佳；若纤维加筋长度过长，易在混凝土中“结团”出现分散不均的情况，从而影响纤维的加筋效果。

（2）赵顺波^［2］等人将钢纤维掺入混凝土，通过轴压、抗拉试验，计算强度尺寸换算系数并分析试件的受压情况。

（3）李福海^［3］等人研究玄武岩纤维加筋混凝土的力学性能，通过抗压及劈裂抗拉强度试验，研究在不同掺量下混凝土的抗压和劈裂抗拉能力。研究发现，当掺量为0.3%时，纤维在混凝土基体中均匀分布形成了纤维微筋网，抑制了混凝土的侧向变形，改善了混凝土破坏时的脆性特征。

（4）陈广^［4］将聚乙烯醇纤维、纳米SiO₂混掺于混凝土中时发现，当聚乙烯醇纤维的体积掺量为0.1%、纳米SiO₂的质量分数为10%时，混凝土的抗压强度和抗折强度均得到最为显著的提升。

（5）张丽哲^［5］等人探究纤维长径比对碳-聚丙烯混杂纤维混凝土抗折强度的影响。研究发现，碳纤维、聚丙烯纤维长径比分别为T650、T750 时，混杂纤维混凝土的抗折性能最优。

（6）周云龙^［6］等人研究了高温后陶瓷-镀铜钢纤维混掺轻骨料混凝土抗压强度。实验发现，由于镀铜钢纤维具有良好的导热性，能够抑制混凝土裂缝产生，进而与陶瓷—镀铜钢纤维轻骨料混凝土相比抗压强度提升最为明显。

（7）童伟光^［7］等人观察钢及PVA纤维混掺混凝土的受压变形情况后得出结论：钢纤维掺量一定时，PVA纤维与混凝土抗压强度呈反比。由此可见，纤维混掺也会使混凝土产生负混杂效应。

2 纤维混凝土耐久性能的研究现状

2.1 抗渗性

混凝土的抗渗性是提高混凝土耐久性的最基本因素，混凝土抗渗性的提高，能够有效地减少地下工程渗水现象。

（1）王志旺^［8］等人采用渗水高度法对聚丙烯腈纤维混凝土和建筑混凝土进行抗渗性实验。结果表明，随着水胶比的不断提高，聚丙烯腈纤维混凝土的渗水高度明显低于建筑混凝土。这是因为聚丙烯腈纤维的掺入使混凝土内部形成空间网状结构，改善了其自身内部密实性差的缺点，明显提高了混凝土的抗渗性能。

（2）闻洋^［9］等人研究发现，纤维掺入可以降低混凝土试件的单位裂缝总面积及裂缝宽度，可有效抑制裂缝的扩展，从而改善混凝土的抗渗性能。

（3）白玉瑾^［10］等人发现玄武岩纤维长度为18mm，掺量0.15%时可以大幅度提升混凝土的抗渗效果。

（4）张永存^［11］等人研究发现，纤维的掺入可以增大混凝土中无害孔和少害孔的比例，优化混凝土内部的孔隙结构，从而改善混凝土的力学性及耐久性能。经对比，耐碱玻璃纤维增强混凝土抗渗性最佳。

（5）钱红苹^［12］等人通过氯离子扩散系数法和渗水高度法，研究矿物掺合料、聚乙烯醇纤维、纤维素纤维的掺入对混凝土抗渗性能的影响。结果表明，矿物掺合料的掺入，可以起到微集料填充效应的同时抑制粗晶粗大水化产物氢氧化钙的生成，从而改善混凝土的抗渗性能。

（6）张爱菊^［13］等人研究了纤维混凝土在复合盐蚀环境下抗渗性能提高的机理。研究表明，混杂纤维混凝土抗渗性能的提高主要取决于两方面。其一，在渗水实验过程中，混杂纤维能够阻碍混凝土内部水分散失，使混凝土密实度得到提高；其二，混杂纤维在混凝土内部形成三维网格结构，能抑制混凝土连通孔的产生。经比较，玄武岩-聚丙烯纤维组合下阻碍氯离子渗透效果最佳。

2.2 抗冻融性

在寒冷地区，长期的冻融循环对混凝土的内部结构造成了破坏，影响了建筑物的使用寿命。国内外学者将不同种类的纤维掺入到到混凝土中抑制混凝土的开裂，以提高其抗冻融性能。

（1）姚武^［14］探究聚丙烯腈纤维掺量对混凝土抗冻性的影响。结果显示，聚丙烯腈掺量为0.2%时，普通混凝土的抗冻融性能最好。

（2）谷悦^［15］等人研究了油菜秸秆纤维对混凝土抗冻性能的影响，并建立了冻融损伤与寿命分析模型。研究发现，纤维在混凝土内部通过搭接形成三维网状结构，有效阻碍了混凝土内部集料的下沉以及表面水分的析出。同时，纤维的掺入抑制了混凝土裂缝的产生和扩展。

（3）王富平^［16］等人以质量损失率作为评价再生风机叶片纤维混凝土抗冻性能的指标。研究发现，当冻融循环75次时，纤维掺量为20%的混凝土的质量损失率仅为5.1%，抗冻性能最佳。若加大纤维的替代率，纤维的团聚效应导致界面孔隙增多，渗透压作用明显，进而会降低混凝土的冻融寿命。

（4）乔宏霞^［17］等人研究钢纤维-聚丙烯纤维混凝土掺加方式对混凝土抗冻性能的影响，并建立了冻融循环作用下混凝土强度损失的模型。结果表明，层布式的成型方式可以促进混凝土的收缩，更好地提高混凝土的抗冻性能。

（5）邓宗才^［18］等人研究发现，在混凝土里掺加纤维素、聚丙烯纤维均能提高混凝土的抗冻性。在相同掺量下，纤维素纤维混凝土中纤维间距较小，密度更大，易形成三维网格结构抑制裂缝的扩展。因此，纤维素纤维混凝土抗冻性能更好。

（6）李趁趁^［19］等人研究了玄武岩纤维束（BMF）、短切玄武岩纤维（CBF）以及硫酸钙晶须（CSW）混掺对混凝土试件抗冻性能的影响。结果表明，纤维的掺入能够明显降低混凝土冻融循环后的相对动弹性模量。BMF掺量为0.3%～0.45%、长度为30mm时，抗压强度值最大；BMF和CBF掺量为0.3%时，抗压强度损失率最低；BMF掺量为0.3%、CBF掺量为0.15%、CSW掺量为3%时，混凝土试件抗冻性能最佳。

2.3 抗碳化性

混凝土在碳化环境下，其结构和化学成分的异化会导致混凝土耐久性能下降。在混凝土中掺入纤维是增强混凝土抗碳化性能的有效措施，孔隙率的降低可以减缓CO₂在混凝土内部的扩散速率从而提高其抗碳化能力。

（1）张春生^［20］等人通过快速碳化实验得出，钢纤维掺量在2.0%时，其平均碳化深度减少了53.3%，并建立了多因素作用下碳化深度的预测模型。

（2）苏英^［21］等人研究发现，混凝土中掺入聚丙烯纤维可以优化混凝土内部的孔隙结构，增强混凝土的密实度，从而提高其抗碳化性能。

（3）赵哲^［22］等人测试了不同碳化龄期的素混凝土和玄武岩纤维混凝土的抗碳化深度及力学性能。结果表明，随着碳化龄期的增加，玄武岩纤维混凝土的抗碳化速率始终小于素混凝土。玄武岩纤维掺入改变了混凝土内部的孔隙结构，使混凝土孔隙率减少，抑制了外界CO₂气体的扩散，从而降低了混凝土的抗碳化反应速率，增强了其抗碳化性能。

（4）刘巧玲^［23］等人研究了油菜秸秆纤维混凝土在温湿环境下碳化深度提高的机理。

3 结论与展望

纤维的掺入可以提高混凝土的性能。本文从力学性能、耐久性能两个方面综述了近年来不同纤维混凝土的研究进展。由上述研究可得出以下结论。

（1）纤维的掺量、尺寸、种类、成型方式均会影响混凝土的力学及耐久性能。

（2）纤维骨架的高延展性抑制了混凝土的侧向变形，有效改善了混凝土的脆性特征。与素混凝土相比，各种纤维混凝土在抗压、劈裂抗拉、抗折等力学方面均得到了提升。

（3）不同种类的纤维能够通过搭接形成三维网状结构，抑制混凝土内部集料的下沉以及外表面裂缝的产生。同时，纤维的加入优化了混凝土内部孔隙结构，增强了混凝土的密实度，耐久性能得以提升。

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