纖維增強混凝土的研究進展

翟建錦

摘要：跟蹤當(dāng)前國內(nèi)外纖維混凝土發(fā)展的最新進展，闡述了纖維材料改善混凝土受力性能的基本原理，詳細(xì)給出了三種應(yīng)用廣泛的纖維材料對混凝土的受力性能以及耐久性的影響程度，并提出了當(dāng)前纖維增強混凝土研究中存在的問題和今后研究的方向。

關(guān)鍵詞：纖維；增強；混凝土；物理力學(xué)性能；阻裂

中圖分類號：TU528文獻標(biāo)識碼：A

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，其抗壓強度很高，但是抗拉抗折等能力較弱，在實際工程應(yīng)用中，為了改善混凝土性能，常常在混凝土中摻入纖維。

纖維增強混凝土是一種基于混凝土材料，以金屬纖維、無機非金屬纖維、合成纖維或天然有機纖維為增強材料組成的復(fù)合材料。在纖維增強混凝土中，纖維對基體起著阻裂、增韌的作用。本文通過查閱、收集國內(nèi)外大量文獻資料，總結(jié)概述了纖維對混凝土性能影響的研究進展。

1纖維增強混凝土作用機理及影響因素

由于混凝土凝結(jié)硬化的特性，使得混凝土成為一種非均勻的宏觀堆聚結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部存在著尺寸不同的大量原生微裂縫、空隙和缺陷。這使得混凝土的破壞多是從內(nèi)部裂紋開始，逐步發(fā)展、擴張為宏觀裂縫，最終破壞。將纖維摻入到混凝土中，纖維可以阻止裂縫擴展，同時，纖維與漿體握裹、橋接良好，可以起到抗裂作用。在荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)裂縫，而纖維良好的連接作用將抑制裂縫的開展?；炷量估瓘姸容^低，荷載作用下極易開裂，一旦混凝土發(fā)生開裂，連接裂縫兩端的纖維將承擔(dān)拉應(yīng)力，從而起到抑制開裂的作用。當(dāng)纖維的摻加量達(dá)到一定限值，纖維增強混凝土結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)在高荷載、大變形條件下工作，一旦纖維達(dá)到抗拉極限值或纖維與混凝土之間的粘結(jié)遭到破壞，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。由此可知，纖維增強混凝土抗拉強度高于普通混凝土的抗拉強度，尤其普通混凝土的韌性性能有巨大的提高。[2]

2纖維對混凝土受力性能的影響

2.1鋼纖維

鋼纖維增強混凝土改善了普通混凝土很多方面的受力性能，不僅提高了混凝土的抗彎、抗裂、抗拉和耐磨性，而且同時提高了普通混凝土的抵抗沖擊性能和韌性，明顯改善了混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性及結(jié)構(gòu)耐久性。另外，鋼纖維混凝土制作方便，材料經(jīng)濟性高，因此被廣泛應(yīng)用于公路路面、橋面鋪裝、混凝土跑道等基建工程。

秦鴻根通過試驗研究了鋼纖維對混凝土材料受力性能的影響，研究結(jié)果表明，鋼纖維摻加量逐漸增加到2.0%，提高了混凝土多方便的受力性能。尤其混凝土抗剪性能、抗折性能有顯著的增加，對于抗壓強度的改善不是特別明顯。研究結(jié)構(gòu)還表明，鋼纖維摻加量越大，鋼纖維混凝土抑制開裂的能力與初始抗彎強度也增大，混凝土的脆性系數(shù)明顯降低，彎曲韌性呈數(shù)量級增加。

2.2玄武巖纖維

玄武巖纖維是采用熔融拉絲制作方法獲得的一種高性能無機纖維，玄武巖礦石的化學(xué)性能與制備工藝決定了玄武巖纖維的基本性能。玄武巖纖維具有高強度、耐高溫、耐酸堿、吸濕性低、絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

成濤華的研究表明，玄武巖纖維對混凝土的抗折強度和劈裂抗拉強度具有顯著的增強效果，增強效果隨纖維的長徑比和摻量變化而變化。研究結(jié)構(gòu)指出，玄武巖纖維無法有效改善混凝土抗壓強度，甚至長徑比增大會降低混凝土材料的抗壓強度。李為民的研究也證明了玄武巖纖維對混凝土的增強、增韌效果較好，在沖擊載荷下，玄武巖纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.1%時，C50混凝土的增強、增韌效果達(dá)到最佳水平。

2.3碳纖維

碳纖維是一種在高溫惰性氣體環(huán)境中將有機纖維進行碳化而得到的纖維狀化合物。瀝青纖維與聚合物纖維是制作碳纖維的基本原料?，F(xiàn)階段，碳纖維增強混凝土材料已經(jīng)被應(yīng)用于某些高層結(jié)構(gòu)物，得到了一致的好評。碳纖維混凝土復(fù)合材料中碳纖維分布錯亂，其能夠防止混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)且抑制已經(jīng)開展裂縫的發(fā)展。因此碳纖維混凝土的抗剪、抗彎、抗拉、抗扭強度和抗沖擊韌性等較普通混凝土均有明顯改善。

張其穎研究了碳纖維含量與增強作用的相關(guān)性。在一定的范圍內(nèi)，隨著纖維含量的增大，碳纖維能夠明顯改善混凝土材料的受力性能，二者呈線性關(guān)系；當(dāng)碳纖維含量超過某個限值時，混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在集中分布，其改善效果達(dá)不到期望值，甚至降低了碳纖維混凝土復(fù)合材料的抗拉強度值。

3展望

隨著混凝土的不斷發(fā)展，應(yīng)用纖維來提高混凝土性能成為一種必然趨勢，同時纖維混凝土理論和應(yīng)用技術(shù)越來越成熟，纖維增強混凝土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不斷完善，以及實際工程中對混凝土的力學(xué)性能和耐久性要求越來越高。目前的纖維增強混凝土也存在著一些問題，當(dāng)纖維材料摻加進混凝土材料中，會導(dǎo)致復(fù)合材料的工作性下降，施工不便，需要采取其它措施改善避免這一問題的出現(xiàn)，比如改善復(fù)合材料的配合比與拌合工藝。另外，新型纖維增強混凝土的出現(xiàn)不斷豐富纖維混凝土工程材料的應(yīng)用范圍，其發(fā)展前景十分富有生機，但是新型纖維混凝土復(fù)合材料的對于混凝土的改善程度有待進一步的研究。

綜上所述，纖維增強混凝土作為一種富有發(fā)展活力的新型復(fù)合材料，其具有廣闊的發(fā)展空間，雖然現(xiàn)階段仍存在亟待解決的理論問題與應(yīng)用技術(shù)問題，但是以其大大改善混凝土材料受力性能與提高結(jié)構(gòu)耐久性的優(yōu)點，纖維增強混凝土必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

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[2]程慶國，徐蘊賢，盧祖文.鋼纖維砼本構(gòu)理論的研究、工程應(yīng)用及發(fā)展[J].混凝土與水泥制品，2000（s1）：59.

[3]李為民，許金余.玄武巖纖維對混凝土的增強和增韌效應(yīng)[J].硅酸鹽學(xué)報，2008，36（4）：476481.

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[6]張其穎.碳纖維增強水泥混凝土復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2001，18（2）：4950.