纖維增強水泥基材料的研究現狀及發展趨勢

韋 宗 延

(河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

水泥基材料是指以水泥作為膠凝材料的工程材料，常用的有混凝土和砂漿等。水泥基材料由于其適用性強、價格低廉等特點，被廣泛應用于建筑領域。然而，水泥基材明顯的脆性特征以及較差的抗拉性能、抗裂性等缺陷常導致構件和結構的性能降低，嚴重制約了水泥基材料的使用以及建筑結構的發展。隨著社會的不斷發展，各種大跨度結構將越來越多，國家也將建設更多處于極端環境下的建筑，這就對當前的建筑材料性能提出了更高的要求。

纖維增強水泥基材料，是高性能水泥基材料研究的一個重要方向。在水泥基基材中摻入纖維，以改善普通水泥基材料抗拉強度低、韌性差、易開裂等性能缺陷，同時還賦予良好的抗滲、抗凍以及抗腐蝕性能[1]。目前，國內外學者對纖維增強水泥基材料的研究已大量開展，總體上可分為單一纖維增強與復合多纖維增強兩大類。本文旨在就目前國內外學者對纖維增強水泥基材料的研究現狀進行總結，找出現有研究的不足，并探討纖維增強水泥基材料的進一步研究的方向。

1 常用的增強纖維種類

工程環境的差別決定了纖維增強混凝土應具有不同的工程性質，而這些性質又是所摻入的纖維種類所賦予的。常用于增強混凝土的纖維，可分為化學纖維和自然植物纖維兩類，化學纖維有聚丙烯纖維、芳族聚酰胺纖維等，自然植物纖維有棉纖維、麻纖維等。表1給出了常用的纖維增強混凝土種類及其優缺點。

2 單一纖維增強

摻入水泥基基材中的纖維，能可靠地與水泥基結合，在受拉狀態下承擔拉力，在有效地控制裂縫產生與發展的同時，還能改善混凝土的耐久性；同時由于采用不同的纖維種類，所得到水泥基

復合材料的工程性能也不盡相同。采用單一纖維增強水泥基材料是國內外學者常用的方法，很多學者針對纖維增強水泥基材料的某一項或多項性能進行了一系列的研究。

表1 常用纖維增強混凝土種類及特點

玻璃纖維(耐堿)和聚丙烯纖維因其出色的性價比和適應性，被廣泛應用于水泥基材料增強。在玻璃纖維增強方面，高妮等(2016)[3]對改性玻璃纖維增強混凝土的力學性能進行了研究，結果顯示改性纖維的加入改善了纖維與混凝土基體的界面性能，增強了混凝土的力學性能。傅翔等(2016)[4]在永久模板中加入了耐堿玻璃纖維增強了永久模板的抗折性能，并給出耐堿玻璃纖維的最優摻量參考比例。在聚丙烯纖維增強方面，李長風等(2009)[5]對聚丙烯纖維對砂漿的抗裂性能的影響進行了研究，發現聚丙烯纖維能有效地抑制水泥砂漿早期裂縫的發展。梁寧慧等(2012)[6]將不同尺度的聚丙烯纖維摻入混凝土，通過單軸拉伸試驗發現，單摻粗纖維混凝土的抗拉韌性要優于單摻細纖維混凝土。

此外，國內外學者們還使用連續長纖維增強混凝土，使混凝土具備一定的定向承載力。目前使用較多的連續長纖維有纖維筋和纖維織物網，其中纖維織物網增強混凝土(TRC)同時具有短纖維增強混凝土和普通鋼筋混凝土的優點。尹世平等(2015)[7]采用四點加載法，對TRC加固混凝土梁的疲勞性能進行研究，研究發現在荷載循環次數不斷上升時，配網率和配筋率的增加能有效地減緩中和軸的上升，從而使構件的疲勞壽命得到了提高。綜上所述，可以看出摻入單一纖維后，水泥基材料的部分力學性能可以得到有效地增強。

3 多纖維復合增強

單摻纖維只能針對性地提升混凝土的某一力學性能，仍無法滿足現代建筑結構的發展需求，混摻多種纖維能在不同受力層次上同時提升混凝土的多種力學性能。目前我國對于多纖維增強混凝土的研究相對于國外還較少。華淵等(2005)[8]對混雜纖維增強混凝土抗壓、抗彎強度的影響因素進行了研究，結果表明纖維的長徑比對增強混凝土的抗壓強度影響不大，但對抗彎強度有較大影響。趙晶等(2007)[9]使用耐堿玻璃纖維與聚丙烯纖維混合增強混凝土，發現兩種纖維能有效地提升混凝土的早期抗裂性。夏冬桃等(2013)[10]對鋼纖維、塑鋼纖維和杜拉纖維混摻增強混凝土進行了研究，結果表明三元混雜纖維相對于二元混雜纖維與單摻纖維在增強混凝土力學性能和變形性能方面，增強幅度更大。

此外，學者們嘗試采用多纖維與連續長纖維混合，進行水泥基材的增強。吳耀青(2017)[11]采用短切耐堿玻璃纖維及連續玄武巖長纖維同時增強水泥基基材，發現多纖維復合增強水泥基澆筑的薄板，其力學性能與抗彎性能都要優于單一纖維增強水泥基薄板。沈玲華等(2016)[12]對摻入短切纖維的TRC薄板進行了研究，結果表明，摻入短纖維能增強TRC薄板的承載力，并且能有效地延緩裂縫的發展。可以看出，復合纖維增強水泥基材料的各項力學性能，比單一纖維增強以及普通水泥基材料的力學性能都要優越。

4 纖維增強水泥基復合材料的發展趨勢

隨著可持續發展觀念逐漸深入人心，未來建筑的發展方向一定是綠色的、環境友好型建筑。因此，未來纖維增強水泥基材料可能有如下幾種發展趨勢：

1)天然植物纖維增強水泥基材料。我國有著豐富的天然植物纖維資源，這些材料廉價、可再生、可降解，符合綠色建筑的觀念。而傳統的化學纖維材料，耗能大，在使用過程中容易污染環境。此外對于天然植物纖維增強水泥基材料的研究目前仍處于起步階段，天然植物纖維的增強效果尚有較大潛能未開發出來。因此，大力發展天然植物纖維增強水泥基材料，將會成為一個主流研究方向。

2)多功能復合纖維增強水泥基材料。國內外目前對于纖維增強水泥基材料的研究，大多是單一、多纖維增強，以及連續長纖維增強混凝土，然而單一、多纖維增強混凝土不具備有定向承載能力；連續長纖維增強混凝土容易開裂，這會導致結構的耐久性降低。未來的纖維增強混凝土發展方向，應是兩者的有機結合，通過多尺度纖維復合增強水泥基材料，使其具備更優良的力學性能。

5 結語

纖維增強水泥基材料能有效地加固混凝土結構，賦予混凝土更優良的工程性能，同時，使用自然植物纖維更符合可持續發展理念。隨著國家經濟水平的不斷提升，將會出現越來越多的超高層、大跨度建筑，也會有更多建設在海洋、沙漠等惡劣地區的建筑，對于混凝土材料的性能也有著更高的要求。因此，纖維增強水泥基材料未來將有一個廣闊的發展前景。