纖維對混凝土性能的影響研究進展

李名義，王亦龍，劉冰峰，馬 凱，劉 玨

（1.中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410000；2.長沙麓谷實業發展股份有限公司，湖南 長沙 410000；3.城市建設科學研究院，湖南 長沙 410000）

0 引言

混凝土是是由膠凝材料、水、外加劑、骨料以及礦物摻合料按照一定比例配制而成的一種水硬性膠凝材料，具有來源廣泛、價格低廉、生產工藝便捷且可模性好、抗壓強度較高、耐久性好等優點，已經成為建筑工程領域中應用最為廣泛的復合材料之一。從當前的科研進展來看，還沒有一種新型材料可以較好的替代它，因此在今后相當久的時間里混凝土仍是土木建筑領域內的主力軍。為了克服混凝土自重大、質脆易裂且抗拉彎強度低的缺陷，在混凝土添加纖維可以有效地提高混凝土的抗彎抗拉性能，降低結構發生脆性破壞的風險[1]。由于纖維的材性、尺寸、形狀以及摻量等變量較多，目前對混凝土影響規律的研究仍以試驗及定性分析為主，得到的試驗結果也各有差異，很難形成統一的指導纖維設計的理論規范。

1 纖維對混凝土力學性能的影響

1.1 不同種類的纖維對混凝土力學性能的影響

按照材料成分可將纖維大致分為3類，分別為金屬纖維（如鋼纖維、各類合金纖維）、有機纖維（如聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維）和無機纖維（如玄武巖纖維、碳纖維）。每種用于水泥基材料的增強纖維都各有其優缺點，不同學者對這些纖維進行了大量的研究[2-7]。鋼纖維作為一種親水材料，與混凝土材料有很強的連接，這大大提高了混凝土的彎曲強度和耐久性能[2]。但是鋼纖維也存在易結團、自重大且易銹蝕的缺點，成為其大規模應用的阻礙[3]。與金屬纖維相比，聚丙烯纖維等有機纖維屬于低彈模纖維，在水泥基材料中表現出質輕、高延性等特性，但對混凝土力學性能（主要是抗壓性能）的影響較小[4-5]。玄武巖纖維具有抗拉強度與彈性模量高的優點，但是玄武巖纖維、碳纖維等無機纖維的造價都較為昂貴，且不利于混凝土試塊的抗壓強度發展[6]。各纖維的加入都會使水泥基復合材料造價有較大幅度的提升，在相同的性能水平下表現下，混合纖維的成本往往還會低于單纖維混凝土，所以為了降低造價，混雜纖維的研究就顯得尤為重要[7]。

1.2 纖維尺寸效應對混凝土力學性能的影響

除了不同種類的纖維會對混凝土產生影響，纖維的“長短粗細”，即纖維的長度、直徑、形狀等因素亦會對混凝土的力學性能產生影響。這是因為纖維的形態會通過影響纖維和混凝土基體間的界面粘結強度，進而對混凝土的力學性能造成影響。

王鈞等[8]研究了玄武巖纖維尺寸變化對混凝土力學性能的影響，發現相較于短纖維，長纖維對混凝土抗壓和抗拉強度影響更大，尺寸效應更好。這是因為短切纖維與基體錨固區段也較短，當試件發生受力變形后，其變形量不足以耗散這一部分的能量，為尋求新的力學平衡狀態，纖維發生斷裂；梁寧慧[9]通過研究不同尺寸的聚丙烯纖維對混凝土抗拉性能的影響，發現在混凝土抗拉伸性能方面，相較于細的聚丙烯纖維，粗的聚丙烯纖維的增長幅度更高。但是也不是說纖維越粗越長越好，因為纖維越是粗大，其與基體的缺陷也就越多，同時也會大大增加使用成本，影響大規模工程應用；冉金玲等[10]研究了波形鋼纖維與普通鋼纖維的區別，發現相較于普通直纖維和與鉤狀纖維，波紋狀鋼纖維對混凝土力學性能具有更好的增強作用，其中抗拉伸性能比抗壓縮性能變現更為突出。一般來說纖維較多的形狀變化，意味著與混凝土基體的接觸面積也就越多，與基體結合也就越緊密，因此在增加韌性抵抗拉伸方面表現較為優異。

1.3 纖維摻量對混凝土力學性能的影響

纖維在水泥基體中主要呈亂向分布，會對混凝土的流動性產生不利影響而降低其工作性能。合理的纖維摻量不僅能得到更優良的力學性能，且對工作性能的影響也不會太大。因為過多的纖維加入會出現“結團效應”，反而不利于混凝土的力學性能，因此混凝土的力學性能幾乎都是呈現先增大后減小的趨勢，找到其中最優纖維摻量成為科研人員的主要任務之一。李福濤等[11]研究了玄武巖纖維高強混凝土力學性能的變化規律，發現玄武巖纖維的最佳摻量為體積分數的0.3%，增大玄武巖纖維摻量時，抗壓與抗劈裂性能出現先上升后下降的趨勢。代旭東等[12]將有害物質磷渣加入混凝土中，發現不同磷渣纖維的加入對混凝土抗壓強度總體呈下降的趨勢，但下降幅度并不大；抗滲性能總體比素混凝土的對照組要好，在纖維摻量為0.6%時能承受的水壓力值達到峰值。吳偉[13]對碳纖維混凝土的動態力學特性進行了試驗研究，結果表明隨著碳纖維摻量的增加，碳纖維混凝土縱波波速和抗壓強度也會隨之增加，且相對于其靜態強度，在動載下其承載能力明顯增強，當碳纖維摻量為0.4%時，在相同應變率下其靜、動載作用下試件強度增幅最大，性價比最高。

1.4 多纖維摻雜對混凝土的力學性能影響

在單纖維混凝土研究較為深入的基礎上，近幾年關于混雜纖維的概念越來越熱，即將兩種或兩種以上的纖維添加到混凝土中，尋找混雜纖維在混凝土環境中的正協同效應，發現混合纖維在阻止宏觀、微觀裂縫方面往往比單纖維類型更有效，因此混凝土中的纖維雜化是邁向未來的重要一步。

目前對復摻纖維的研究中，關于鋼纖維與聚丙烯纖維或聚丙烯醇纖維復摻的試驗是最多的。羅素蓉等[14]通過在水泥基材料中單摻、復摻適量的聚丙烯醇纖維或鋼纖維，結果表明不管是單摻鋼纖維還是復摻鋼-PVA纖維都可以較大地提高基體的抗壓強度。但PVA纖維是作為次要加強筋起增韌作用，對混凝土抗壓強度并沒有很大正面貢獻，其摻量在0.15%時，鋼-PVA混雜纖維混凝土的抗壓強度提升明顯。牛海成[15]等則是研究了單摻玻璃纖維、聚丙烯纖維以及兩者復摻對再生混凝土力學性能的影響。結果表明，單摻鋼纖維和復摻鋼-聚丙烯纖維都能極大地提高再生混凝土的抗彎曲性能，且最佳復摻比為0.05%的聚丙烯纖維加0.45%的玻璃纖維。邊亞東[16]研究了單摻聚丙烯纖維、玄武巖纖維以及兩者復摻對透水混凝土的透水與力學性能的影響。試驗結果表明，隨著纖維的摻加會降低混凝土的透水系數，但對抗折強度和抗劈裂強度的提升也會更大；且當聚丙烯纖維摻量為0.18%，玄武巖纖維纖維摻量為0.36%時，其抗彎強度和劈裂抗張拉強度達到峰值。合理的混雜纖維加入到混凝土可以產生協同效應從而表現出各自的優點，不僅可以保持乃至增強其力學性能，而且可以通過較為廉價的纖維摻雜將成本降低，是未來大規模工程應用的可行方向。但是混雜纖維混凝土的參數變量極多極廣，還需要進行更加深入的研究探索。

2 纖維混凝土的耐久性及工程應用

纖維混凝土的應用研究目前也有了較為深入的進展，目前已有將纖維混凝土應用于墻梁板、框架結構以及各類工程中的應用實例。除此之外，纖維混凝土也比普通混凝土更適用于抵抗實際生活中存在的各類災害，因此對結構試件進行了環境模擬研究對于人類在建筑工程中的安全具有重要意義。

魏久淇等[17]為了模擬在地震和爆炸情況下混凝土的性能表現，開展了多種強度的超高性能混凝土（UHPC）接觸爆炸試驗，結果表明：在相同沖擊強度下，強度更高的UHPC板其正面破壞程度也較輕；皇名等[18]則是對玄武巖纖維混凝土在彎曲荷載下的抗疲勞性能展開研究。發現當應力水平相同時，玄武巖纖維混凝土的彎曲疲勞壽命是遠大于素混凝土的，而且隨著玄武巖纖維摻量增加基體的抗彎疲勞壽命也得到提升。

3 結語

纖維混凝土是新時代下提出的可以替代鋼筋混凝土的主要方案之一，得到世界各國科研人員的熱捧。但是纖維混凝土本身的參數變量極多且繁雜，目前沒有統一的規范與總結?；趪鴥韧庖延械难芯砍晒瑥睦w維自身的材性、尺寸、形狀以及摻量等變量出發，綜述其對增強混凝土力學性能及耐久性影響規律，并對纖維混凝土的未來發展提出了以下5點建議。

（1）纖維種類方面。開發新型且適用的纖維是以前研發的重點，特點是對于廢棄資源的再利用方面，目前我國這方面的研究開發還較少，企業參與的數量也較少，在碳中和與碳達峰的政策下，還有很大的市場空間。

（2）纖維尺寸效應方面。纖維的尺寸效應對混凝土力學性能的影響并不大，但是纖維的形狀變化可以使與混凝土的界面間的粘結界面更緊密從而對混凝土力學性能起到正面影響。

（3）纖維摻量方面。目前對于纖維摻量的研究已經較為完善，隨著纖維摻量的增多，混凝土的性能往往是先提高后降低，所以最合適的添加比例就在其峰值處。

（4）混雜摻量方面。目前對于混雜纖維的研究主要集中于鋼纖維與聚丙烯醇纖維或聚丙烯纖維，關于其他纖維復摻方面的研究較少，通過大量試驗歸納總結出混雜纖維的正協同效應是極為關鍵的一點。

（5）工程應用方面。研究纖維混凝土在各種災害后的性能變化規律對抵抗不利環境下混凝土結構響應的預測具有重要意義。