纤维增强混凝土的研究进展

　　摘要：纤维增强混凝土是一种新型的工程材料，一直受到专家的关注。本文综述了纤维增强混凝土的发展、力学性能及工程应用。参阅了大量国内外研究资料，对当前纤维增强混凝土的研究状况和存在的问题进行了认真分析，并指出复合化将是提高纤维增强混凝土性能的重要手段，而局部增强将能很大程度的降低成本、节约资源，实现优质、低耗、与环境相容的可持续发展，具有很好的应用前景。

　　关键词：纤维增强混凝土；钢纤维；合成纤维；复合化；高性能混凝土；可持续发展

　　0. 前言

　　从1824 年水泥诞生以来不到200 年的时间里，混凝土材料本身经历了一个不断发展的过程，从强度低、品种单一逐步发展为高强度、轻质等多品种的混凝土家族。但普通混凝土材料本身存在抗拉强度较低、延性差、在拉应力或冲击荷载作用下易发生脆性破坏等缺陷，而且其抗冻融循环、抗收缩、耐磨等耐久性能也较差，这些缺点在很大程度上影响和阻碍了混凝土的进一步应用。20 世纪初，有人开始在混凝土中掺入短切纤维，做成纤维增强混凝土，使混凝土的抗拉能力得到了提高，脆性得到改善。因此纤维增强混凝土在此后的几十年中得到了广泛的发展和应用。90 年代之前,混凝土的发展单纯追求强度,而纤维增强混凝土的出现说明向高性能化发展，成为21 世纪的“绿色”混凝土[1]。资源、能源与环境的问题一直是中国面临的问题，纤维增强混凝土性能优越，但需要的水泥用量更大，需要耗费很多的资源能源，如何使纤维增强混凝土走上可持续发展[2]道路有待解决。

　　1. 纤维增强混凝土的发展

　　水泥基材料是当今最大宗的人造建筑材料，发展至今已有170 多年的历史。强度一直是混凝土作为重要结构材料的主要性能指标，混凝土高强化是混凝土研究与发展多年来的努力方向。但是混凝土固有的弱点[3]—抗拉、抗弯、抗冲击、抗爆以及韧性差等却仍限制着其优势的充分发挥，并且随着混凝土强度的不断提高，这一弱点也愈益突出。通常认为[4][5]，混凝土强度越高，其韧性越差，脆性越高，结构延性和抗裂能力越不足，给结构抗震性能带来的安全隐患。因此，长期以来许多学者不断探索改善混凝土上述性能的方法和途径。纤维增强混凝土[6]，就是近年来研究和应用最广的重要途径之一。目前纤维增强混凝土主要有两种：一是高弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是钢纤维；二是低弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是聚丙烯和尼龙纤维。

　　纤维增强混凝土，是以水泥浆、砂浆、粗骨料为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料，它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维增强混凝土的发展始于二十世纪初，尤其以钢纤维混凝土的研究和应用开展得最早和最广泛。早在1910 年，美国的H. F. Porter [7]，就提出过将短钢纤维掺入水泥和混凝土中以提高其抗拉力，发表了关于钢纤维混凝土的第一篇论文。1911 年美国的Graham 正式将钢纤维掺合到混凝土中,并初步验证了它的优越性。1963 年美国学者Romuldi 从理论上阐明了钢纤维的增强作用和机理,从而为钢纤维混凝土的进一步研究、开发奠定了理论基础,使它从小规模探索实验阶段跃进到大面积开发的新阶段。美国在1990 年和1991 年举行了纤维增强混凝土的专题报告会,正式拉开了纤维增强混凝土研究与应用的序幕;1995 年韩国举行了纤维增强水泥混凝土的专题报告会,1996 年在中国北京举行了第三届国际水泥混凝土报告会,表明纤维增强混凝土的研究与应用已经国际化。在国外,纤维增强水泥混凝土复合材料已经广泛应用于非承重构件中。国内的研究起步较晚,最初上海合成纤维研究所研究了锦纶短纤维对水泥混凝土的增强效果,安徽皖维公司将维纶用于增强混凝土。

　　现在不少发展中国家开始研究用植物纤维做增强材制造价格低廉的纤维水泥制品[8]，一系列高性能纤维增强水泥基复合材料相继问世，并且初步应用于试点工程[9]。中国工程院院士吴中伟[1]指出：复合化是材料发展的主要途径之一，复合化的技术思路为超叠加效应，即1+2>3，纤维增强在复合化中起着突出作用。21 世纪，纤维增强混凝土应该朝着环保、经济、高性能的发向发展，使纤维增强混凝土的突出性能给人类带来更大的社会效益和经济效益。

　　2. 纤维增强混凝土的力学性能

　　纤维在水泥基材中的作用主要体现在三个方面：增强、阻裂和增韧作用。

　　2.1 增强作用

　　混凝土的抗拉能力只有抗压能力的十分之一左右，在外荷载的作用下往往呈现脆性破坏，从混凝土劈裂试验中可以很明显的看出，普通混凝土试块在达到其极限荷载时突然断裂成两半，是一种脆性破坏（图1）。纤维的掺入,可以有效的提高混凝土的抗拉强度,当基体混凝土出现裂缝时,一部分荷载转移到纤维上,从而提高了混凝土的抗拉能力。掺有纤维的混凝土试块，其劈裂抗拉强度试验的破坏过程呈现出很好的假延性，在达到极限抗拉强度值时并没有突然断裂成两半，而是在中线附近延主裂缝延伸出去很多条微裂缝，但整个试块始终被纤维约束在一起（图2）。

　　2.2 阻裂作用

　　当水泥基材处于塑性状态时,就很容易产生微细裂缝，在硬化过程中则因水分的散失导致干缩裂缝的扩大并产生新的裂缝，纤维加入到水泥基材中可以阻止基材中原有裂缝的扩展并延缓裂缝的产生，从而使复合材料的抗渗、抗冻等性能比基材有显著的提高。普通的水泥基材在硬化以后，当荷载达到基体的开裂荷载时，基体迅速开裂，并沿着主裂缝迅速扩展开导致贯通这个梁截面的脆性断裂。而纤维混凝土由于大量短切纤维的存在，当基体开裂后仍然可以由纤维来继续承担荷载，使纤维增强混凝土呈现出较高的延性，破坏前具有一定的征兆。

　　张佚伦[10]，邓宗才[11]分别对聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的早期抗裂性能进行了试验研究，试验结果表明：纤维对混凝土和砂浆的抗裂效果显著，并且在一定范围内随着纤维掺量的增加效果更显著。高性能混凝土，由于水灰比低，自收缩主要发生在早期，会导致混凝土表面形成大量的微裂缝。巴恒静[12]通过试验发现：1 天内自收缩占28 天自收缩值的50%-60%，是高性能混凝土早期开裂的主要原因，在高性能混凝土中掺入一定量的纤维是解决早期开裂的理想途径。清华大学庞新锋[14]采用平板试验[13]的方法，研究了改性聚丙烯腈纤维对高性能混凝土的早期抗裂性能的影响，发现这种改性的聚丙烯腈纤维和砂浆能够很好的粘结在一起，掺入0.12%的纤维可以明显地抑制混凝土的早期裂缝。

　　2.3 提高混凝土的变形能力（增韧作用）

　　纤维增强混凝土在受拉（弯）时，即使基材中已经出现大量的裂缝，仍可以继续承受一定的荷载并具有假延性（pseudoductility），从而使复合材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。纤维混凝土的这种假延性使得其变形能力比普通混凝土高很多。韩嵘等人[15]采用对比试验的方法，研究了钢纤维混凝土的抗拉应变。试验结果显示出钢纤维混凝土的应力-应变曲线具有明显的下降段，具有很好的假延性。

　　混凝土材料的韧性，即混凝土材料的变形性能和能量吸收能力，对混凝土结构是非常重要的，尤其是提高结构的抗震能力，有着非常重要的意义。研究表明[16]，纤维的加入可显著改善混凝土的弯曲韧性，且随着纤维掺量的增大，混凝土的弯曲韧性指标和剩余强度指标都在增加。在此次中国汶川大地震中，很多房子都呈现出脆性破坏，并没有留给人们足够的逃生时间，纤维增强混凝土的应用将是提高结构抗震的一个重要手段。

　　3. 纤维增强混凝土的应用

　　纤维增强混凝土从出现至今100 多年的时间里，得到了飞速发展，在工程领域得到了广泛的应用。主要是钢纤维混凝土、碳纤维混凝土、合成纤维混凝土的应用研究。

　　3.1 钢纤维混凝土

　　钢纤维混凝土最早出现于20 世纪初，1907 年俄国开始用金属纤维增强混凝土；1910年美国的H.F.Porter 发表了短钢纤维混凝土的研究报告，1911 年美国的Grhama 曾把钢纤维掺入普通混凝土中。经过几十年的发展，钢纤维混凝土的理论[17]已经基本成熟。大量的试验研究表明，钢纤维混凝土混凝土具有普通更为优异的力学性能被广泛的应用到工程中[18]。目前，钢纤维混凝土应用较多的几个领域：（1）建筑工程[19-20] ：主要应用于屋面的防水；框架结构的节点，高层建筑的框架柱子，提高结构的抗震能力；哈尔滨工业大学邵逸夫体育馆的屋面就是采用钢纤维混凝土。（2）道路桥梁[21]：竣工于1997 年的南昆线家竹箐隧道，由于选择了钢纤维混凝土结构，成功通过了大断裂、大变形地段。（3）水工工程：钢纤维在大渡河支流南亚河石棉二级电站中得到了应用，钢纤维混凝土的耐冲击、耐磨性得到了很好的体现。

　　但是钢纤维体积率超过一定范围容易结团，并且钢纤维的价格比较贵，增加了工程的造价，限制钢纤维混凝土的应用。

　　3.2 碳纤维混凝土

　　碳纤维是20 世纪60 年代开发研制的，具有较高的弹性模量和抗拉能力，一般被应用于结构的加固[22][23]。碳纤维具有胜过钢材的刚度和强度的优良性能，碳纤维体积掺量为3%的水泥基复合材料与基准水泥基复合材料相比，弹性模量增加2 倍，拉伸强度增加5 倍[24]。但是碳纤维由于价格比较昂贵，一直限制了短切纤维在混凝土中的应用，一般以片材形式广泛应用于桥梁、房屋的加固中。

　　3.3 合成纤维混凝土

　　合成纤维种类很多，包括聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯醇纤维等。因为其价格比较便宜，化学性能比较稳定，且具有优异的抗拉性能，20 世纪80 年代以来，在国外已得到了广泛的研究和应用，尤其是聚丙烯纤维[25]。90 年代在广州至佛山的高速公路工程，武汉长江二桥桥面工程及宁波市白溪水库面板堆石坝工程相继试用了聚丙烯纤维。国内外对合成纤维混凝土的力学性能已经有很多相关的研究[26][27][28]，为合成纤维混凝土的应用提高了很多数据资料。合成纤维的性价比高，因此在国内得到了迅速发展，主要应用在房屋建筑工程、桥梁工程路面、泳池等工程，效果很好。

　　3.4 混杂纤维混凝土

　　混杂纤维增强混凝土是两种或多种纤维合理组合加入到水泥基材中，产生一种既能发挥不同种纤维的优势，又能体现它们的协同效应的新型复合材料。国外早在20 世纪70 年代Walton[29]与Majumdar 就开始展开混杂纤维土的研究，其后更多的研究者开展了这方面的研究。

　　国内对混杂纤维的研究比较晚，直到上世纪70 年代才逐渐有相关的报道。目前，混杂纤维增强混凝土是个研究热点，并且已经取得了相关成果。既想提高混凝土的强度又想提高混凝土的延性仅通过一种纤维是不够的，因为纤维的体积率越大，其分散性越差，反而起不到增强、增韧的作用。在混凝土中掺入不同性质的纤维，就能发挥各种纤维的性能，在不同的受荷阶段和不同的结构层次发挥增强增韧作用，体现了两者的混杂效应[30][31]。混杂纤维混凝土是个多相的复合材料，界面多，其设计理论还不是很完善，近年来Stroeven[32]和Nandakumar[33]应用断裂力学对增强理论进行了研究，但仍需要进一步深入的研究。有关混杂纤维增强混凝土的工程应用还不多，这跟目前的研究进展有很大关系，随着研究的不断深入，混杂纤维混凝土的应用前景非常好。

　　3.5 纤维增强混凝土局部增强构件的研究

　　在普通混凝土中掺入纤维可以明显改善混凝土的力学性能，但是混凝土的成本也被提高。为了最大程度的改善混凝土的力学性能，同时把工程的成本降到最低，提出了局部增强的概念，即将纤维增强混凝土用于构件的受力最大的部位，提高构件的工作性能。本着“好钢用在刀刃上”的思想，纤维增强混凝土构件正在进一步深入研究，并已经初步取得了一些研究成果。研究表明：利用纤维局部增强构件弯距很大的特殊部位，能提高构件的承载能力，减轻钢筋过密的压力，同时可以增加构件的跨度，并且可以降低工程造价，这无疑具有很大的工程意义。

　　国内外对纤维增强混凝土的局部增强构件的研究还不多，并且研究对象都是钢纤维。早在上世纪80 年代，国外就在这方面有一定的研究，并且取得一定的成果[39][40]，主要是针对梁和柱的研究。在梁柱的节点采用钢纤维混凝土不仅省去了剪力钢筋，同时还可以增大接口的抗剪与抗弯能力，提高其抗疲劳性，并在破坏时呈现很好的延性。此后，Naaman[38]等人进行了预应力混凝土结构的抗震接点研究，结果表明：这种钢纤维局部增强节点的延性与能量吸收能力显著高于混凝土接点，在地震时可以起到很好的塑性铰链作用。Swamy[18]曾经做过梁的纤维增强混凝土局部增强试验，在受压区、受拉区、受拉区混凝土表面进行钢纤维混凝土的局部增强，试验结果表明，钢纤维混凝土局部增强效果非常明显，其初裂荷载提高了10%，裂缝宽度减小，数量增多，挠度也大幅度降低，说明钢纤维的局部增强很大的提高了梁的刚度。但他的研究考察的情况比较局限，其结论有待进一步完善和补充，我国学者高丹盁、赵军[35-37]等继续从事了这方面的研究，得出了钢纤维增强混凝土部分增强梁的规律：在构件0.3h 内加入钢纤维即可提高构件的抗裂弯矩, 且增强效果与全截面加入钢纤维一致。对于钢筋钢纤维局部增强混凝土梁,当钢纤维混凝土层厚hf ≥0.3 h 时,可按钢筋全截
面钢纤维混凝土梁的计算方法来计算抗裂弯矩Mfcr。这种纤维局部增强混凝土梁在增强效果上和纤维的增体增强效果一致，但是纤维的用量上却大大的降低，成本也大大降低。

　　在国内，钢纤维增强混凝土局部增强构件已经在工程得到了应用，一般被应用在框架的节点、桩尖、轨枕的关键部位等，取得了一定的经济效益。

　　4. 存在的问题

　　纤维增强混凝土虽然可以很大程度的改善混凝土的力学性能，但是由于纤维的比表面积大，在混凝土中会降低混凝土的流动性，需要更多的水泥浆包裹纤维，使单方混凝土水泥用量增加。中国是个发展中国家，根据吴中伟[34]的估算，2010 年中国需要水泥达8 亿t，接近该时世界产量的1/2,这样大的水泥工业，不论在能耗、料耗，尤其在环境负担上均是无法承受的。另外，生产如此大量的水泥将给环境带来很大的压力。纤维与高性能混凝土的复合将是今后混凝土的发展趋势：一方面可以解决高性能混凝土的早期开裂问题，另一方面纤维增强混凝土的工作性能由于多种细矿物掺合料可以得到提高。为了让中国混凝土的发展走上可持续发展道路，混凝土的发展应该从以下几个方面进行：

　　（1）积极开发高性能混凝土，提高纤维增强混凝土的工作性能，减少水泥用量，合理的利用工业废渣来代替一部分水泥，减少环境污染。

　　（2）积极探索新型材料，复合化是提高混凝土性能的一个重要手段，从复合化理论研究来提高混凝土的科学水平，探索水泥、廉价纤维及矿物掺合料的复合，充分发挥叠加效应和技术经济效益。

　　（3）加强研究手段，试验和理论分析相结合。新型材料力学性能的研究往往通过试验的方法来研究，造成材料和结构力学分析的脱离。所以，应该将新型材料应用于结构模型中，进行软件模拟分析，验证试验结果的准确性，正确的推导出理论计算公式以便更好的指导工程应用。

　　（4）加强纤维混凝土的结构应用理论研究，纤维局部增强混凝土已经在工程中得到了应用，赵军等人已经在这方面做了一些研究，但是局限于钢纤维混凝土的研究，笔者目前正在研究混杂纤维增强混凝土的局部增强作用。纤维的局部增强混凝土构件可以在很大程度上减少纤维的用量，降低工程成本，并最大化的提高混凝土的性能，具有很大的经济效益。

　　我国的科研工作者在提高纤维混凝土的工作性能及力学性能的同时应该兼顾资源、能源和环境的关系，使纤维增强混凝土的发展走上可持续之路。

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