纖維混凝土的發展

朱 建 華

(安徽理工大學，安徽 淮南 232001)

0 引言

混凝土是當下使用范圍最大的建筑材料，全球歷年混凝土需求量高達115億t，這使其成為耗損量最多的自然資源。依如此的發展速度，到2050年，世界一年對混凝土的消耗就能高達160億t～180億t[1]。但由于其密度大、內部體積會隨溫度產生變化、抗拉強度低、抗滲性和耐久性不足等缺點也阻礙了它的應用范圍。混凝土的強度越大，延性就越低，在結構受力作用后發生破壞時會發生突然斷裂，從而不利于人員和財產的轉移，對工程中混凝土的適用性產生相當大的缺陷。纖維混凝土，是各種纖維和水泥基料混合在一起的復合材料的統稱。水泥石、砂漿與混凝土的主要缺點是：抗拉強度低、延性差、易斷裂，加入抗拉強度高、延性大的纖維，能有效減少這些不足。纖維可以緩解混凝土已有裂紋的擴大，因此改善其抗裂性。纖維的種類眾多，每種纖維具有抗拉強度大、延性好、彈模高、抗疲勞性強等一種或者多種特性，將其單獨或者混合摻入混凝土中后，混凝土的抗拉、抗沖擊、抗侵蝕、耐久性以及延性等會得到改善。

1 纖維混凝土概述

纖維混凝土，是各種纖維和水泥基料混合在一起的復合材料的統稱。

普通混凝土摻加纖維后，在保留其抗壓強度的同時還可以提高抗拉強度、延伸率及耐久性等。根據彈性模量，纖維混凝土劃分為高彈性模量和低彈性模量纖維加強混凝土。高彈性模量纖維有鋼纖維、玻璃纖維等，可以使普通混凝土的抗壓、抗拉等性能上升；低彈性模量纖維有聚丙烯纖維、尼龍纖維等，可以同時改善普通混凝土的物理力學和抗沖擊能力等。

鋼纖維是在混凝土中摻加雜亂分布的鋼纖維進而使混凝土強度得到提升的新型復合材料。這些鋼纖維可以減少混凝土內部細小裂縫的擴大和宏觀裂縫的出現，因此混凝土的抗拉、抗沖擊、抗疲勞能力和延伸率得以提高。玻璃纖維摻入混凝土后，其抗拉、抗沖擊、韌性以及減少裂縫的產生方面有可見的改善[2]，但是其耐堿性差、在空氣中強度會退化至普通混凝土的程度。混凝土中摻加合適的聚丙烯纖維后，不僅使高混凝土材料的連續性、整體性提升，還能提升混凝土的物理力學能力，混凝土的耐久性也得到了提升。

2 纖維混凝土的研究現狀

國內外學者對鋼纖維混凝土的力學性能和增強機理展開諸多研究[3,4]，單一纖維混凝土的機能以及耐久性的研究已趨于成熟，但是混雜纖維混凝土的耐久性探索并不是很多。

白敏等[5]對鋼纖維混凝土的力學性能及微觀結構展開探索，結果表明，混凝土摻加適量的鋼纖維可有效阻止由于失水等原因造成的混凝土微裂紋的產生，減少微裂紋的尺寸、數量，因此能夠減小混凝土的總體空隙，使混凝土內部孔隙結構分布更加合適。鋼纖維摻入量不斷上升，混凝土的流動性持續降低、抗壓強度和劈拉強度先上升后降低，進而提出鋼纖維摻入量和混凝土強度之間關系：

fsc,cu=(1-0.117ρ+0.294ρ2-0.127ρ3)fcu(R=0.970 6)；

fsc,ts=(1+0.084ρ+1.030ρ2-0.514ρ3)fts(R=0.937 2)；

fsc,ts=(1-0.010ρ+0.229ρ2)ff(R=0.975 7)。

其中，fsc,cu為抗壓強度；fsc,ts為劈拉強度；fcu為普通混凝土抗壓強度；fts為普通混凝土抗拉強度；ff為普通混凝土抗折強度；ρ為鋼纖維摻入量，%。

周祎等[6]對塑鋼—聚丙烯腈混雜纖維混凝土展開研究，結果表明，與普通混凝土相比，加入纖維后混凝土的抗折強度提升5.9%,7.9%,6.1%，彎曲韌性指數是原來的4.0倍、5.1倍、5.2倍。混雜纖維對混凝土初期裂縫擴張有抑制效果，有效減少了裂縫擴張。朱晨飛等[7]對混雜纖維的凍融損傷進行了探索，結果表明，鋼纖維對減少表面剝落的作用很小，而玄武巖纖維則能夠明顯減少表面裂縫擴張；抗凍能力取決于每次實驗后凍融損傷累積值。

3 纖維混凝土的強化機理

3.1 纖維間距理論

1963年—1964年，Romualdi與Batson由線彈性斷裂力學得到這種理論。斷裂力學認為：細微裂縫和孔隙一直存在于混凝土中，當受到外力后這些裂縫會發生擴張。立足于此理論，混凝土的強度提升方法不外乎降低其本身內部缺陷，從而使材料的韌性得到改善，使周圍裂縫應力集中系數變小。纖維在混凝土基體中均勻分布時，能有效抑制基體內微裂縫的繼續擴張。

3.2 復合材料機理

復合材料機理是指把多種原料混合后組成的新整體視作一個多相系統，其性能是各個相的性能的疊加值。混凝土也是由多種材料復合而成，因此可以視作各個子材料相互結合從而形成的復合材料，其力學性能受各材料的性質和結合面的約束和影響。

根據復合材料機理可知，在混凝土中摻入的纖維如果不均勻的話，則各材料形成的復合體也是不均勻的。非均勻的復合體是指復合體內部不同位置的物理或者化學狀態存在差異，形成不均衡的多相系統。這樣就會形成纖維較少的區域出現在混凝土中，從而形成混凝土結構的薄弱地帶使裂紋開展更易進行。

4 纖維混凝土在工程中的應用及發展趨勢

4.1 水利水電工程

鋼纖維混凝土泵管被應用在水利水電工程，展現出了其巨大的優勢，作為水利水電工程中不可或缺的部件，它的誕生為工程提供了一種可靠的方案。鋼纖維混凝土泵管以其極少的鋼材，極強的耐腐蝕性，便捷的運輸環境，簡易的安裝流程，較低的維修費用而深得水利水電工程的愛戴。

4.2 房屋工程

作為框架結構中梁板柱的傳力樞紐，其接觸的節點也是結構中最易破壞的地方。國內外所發生的大地震表明，鋼筋混凝土框架的節點在地震后都發生了不同程度的破壞，節點的抗剪能力問題一時間成為了工程界的一大熱議的話題。傳統的做法，需要在節點配置多而密的箍筋，來提高鋼筋混凝土節點處的抗剪能力和延性，但是這種做法不但施工困難而且施工質量還得不到保障，主要表現為節點中鋼筋過于擁擠，裹附的混凝土膠凝材料較少從而影響了其澆筑質量。就在鋼纖維發明和投入使用后，很好的解決了這類問題，而且極大的降低了工程造價，同時提高了節點的連接性。

4.3 纖維混凝土的發展趨勢

纖維混凝土工程材料近幾年的發展十分迅速，研究者們進行了大量的嘗試，其研究成果也相當卓越，在他們豐富的經驗指導下，相關國家規程和標準也應運而生。由于纖維混凝土鮮明的實用性，我國的大規模基礎建設逐步將其應用，這進一步加快了纖維混凝土行業的發展，有機纖維、無機纖維、金屬纖維等纖維迅速進入了建筑行業的眼簾。在交通、市政、水利水電和工業及民用建筑業等領域，纖維混凝土材料也被列為最重要的基礎材料之一。纖維在混凝土中極強的抗裂，增韌性能，極大程度上提高了混凝土的使用性能，與此同時，纖維還有品種多，產量大，成本低，易加工等優點，在我國工業水平極大提升、石油工業快速發展的時代，纖維的成長也十分的有利。特別地，有機合成纖維，作為化學合成的纖維種類，其低彈性模量，0.1%的體積率，低摻量就能用于防止和減少砂漿、混凝土早期收縮裂縫，因而應用前景十分巨大。為了進一步加深纖維混凝土的應用，我們必須通過更加完善的數學模型和理論分析來證明它的存在價值，還有付諸更多的實際工程進行考研，這必然導致在前期工程開發中投資大，時效長，成果易損等問題，但是與后期混凝土材料使用性能的提高、使用壽命的延長、維護費用的減少等綜合效益和長期效益相比下，這種投資是十分有效的，纖維混凝土必然會在我國的工程建設中發揮其重要的作用，并且纖維混凝土工程材料擁有十分廣闊的未來。

5 結語

在國家十三五規劃的推動下，我國基礎建設進入一個新的征程，對新建筑材料的研究也被推上了一個嶄新的階段，纖維混凝土符合現階段發展的要求，所以對于纖維混凝土的研究勢必日漸成熟。至今為止，已經有大量的學者對纖維混凝土的宏觀力學性能進行了研究，但對纖維作用于骨料的微觀機理的研究還缺乏說服力，對多種纖維同時加入混凝土的研究還踏入的甚少，對于不同纖維與纖維之間的利弊關系還沒有一個很好的分析，因此纖維混凝土所需要研究的重點會不斷向多元纖維的方向去發展。