纖維增強混凝土研究進展與應用

徐義華，王 恒

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232000)

0 前 言

目前，混凝土材料以其原料易得、易筑模成型和性價比高等優點而成為世界上最為廣泛使用的建筑材料之一，但隨著經濟的發展，混凝土的抗拉強度低、變形量小、韌性不足等缺點顯現出來。研究人員進行了各種纖維混凝土試驗，研究出各種纖維與水泥基料組成的復合材料，利用纖維的優點有效地提升了混凝土材料的力學性能[1]，并分別在各種大型工程中得到了廣泛的利用。

1 纖維增強混凝土研究現狀

1.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復合材料。鋼纖維混凝土的抗拉、抗彎和抗剪強度相較于普通混凝土得到了有效提高。張玉杰[2]、白敏[3]的研究結果表明隨著鋼纖維摻量的增加，鋼纖維混凝土的立方體抗壓強度呈增長趨勢，其劈裂抗拉強度有明顯提升效果，但抗壓強度的提升并不明顯。如當鋼纖維體積參量為1.5%時，其28 d立方體抗壓強度增加了23.8%，劈裂抗拉強度提高78%。黃春文[4]研究發現一個計算模型可有效預測鋼纖維混凝土的抗彎強度以及結構尺寸效應。龐建勇等[5]則控制鋼纖維的摻入量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，將其摻入橡膠摻量為5%的混凝土中來提高混凝土力學性能，發現當5%的橡膠摻量情況下，1.5%為鋼纖維的最優摻量，抗拉、抗折強度分別提高了37.9%和32.8%，其中橡膠有效增強了混凝土的韌性。

1.2 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維作為一種高性能無機非金屬材料，具有極強的耐腐蝕性、抗彎、抗拉等優質性能，因此，將玻璃纖維加入混凝土后可有效改善混凝土的各方面性能。在玻璃纖維混凝土內部，玻璃纖維與水泥砂漿粘結良好，形成有效的“纖維網絡”，提高了混凝土的韌性，阻止了裂縫的發展和新裂縫的出現。有效利用了廢舊玻璃，符合當今社會綠色發展的要求，故在實際工程中有實際的應用意義。葛輝等[6]通過試驗表明玻璃纖維的摻入量增加和玻璃纖維密度增大，玻璃纖維混凝土的抗壓、抗拉和抗彎強度都逐漸增大，但增長速率變小。孟云芳等[7]則針對混凝土的耐高溫性，通過正交試驗并結合輔助膠凝材料硅灰、粉煤灰進一步得出了玻璃纖維混凝土的優選配合比水膠比為0.31，粉煤灰摻量10%，硅灰摻量1%，玻璃纖維摻量1%。摻入玻璃纖維和復合摻合料對混凝土起到抵抗高溫的作用，優選配合比的組合比常態組合的耐高溫效果更加明顯。劉亞飛等[8]研究發現玻璃纖維摻量為2%時，抗壓強度增幅最大，而混凝土彈性模量的降低程度最為明顯，而當玻璃纖維摻量繼續增加時，對彈性模量的影響可忽略。故將玻璃纖維摻量控制在2%以內，可保證混凝土基本強度和彈性模量的雙重效果。

1.3 聚丙烯纖維混凝土

聚丙烯纖維因其抗拉強度高、韌性高、價格低的優點被適量摻入混凝土中，有效提高了抗壓、抗裂性能。張悅[9]分別對摻量為0、0.6、0.9、1.2、1.5 kg/m3的聚丙烯纖維混凝土進行立方體抗壓試驗、劈裂抗拉試驗與抗折試驗，試驗得出0.9 kg/m3摻量時混凝土抗壓抗折強度最大。羅洪林等[10]對直徑為450、31 μm聚丙烯纖維的不同長徑比進行混凝土性能試驗，發現聚丙烯纖維混凝土的抗壓、抗折、劈裂抗拉強度相較于混凝土基體得到了明顯的提高，且提高量隨纖維長徑比增大而先增大后減小。黃鑫等[11]利用正交試驗發現對于聚丙烯纖維混凝土抗壓、抗拉、抗折強度來說，纖維長度的最佳取值在10～19 mm，且在此區間內隨著纖維長度的增加其力學性能也隨之增加。張慧莉等[12]通過改變礦渣和聚丙烯纖維的配比來測試其抗彎疲勞性能，試驗得出礦渣和聚丙烯纖維的摻入均提高了累積抗疲勞強度。

1.4 玄武巖纖維混凝土

在混凝土中摻入玄武巖纖維，提高了混凝土的抗拉、抗沖擊、抗裂和抗滲性能。李德超等[13]研究發現隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強度和抗拉強度表現出先增加后減小的趨勢，玄武巖的最優摻量為0.4%。于泳等[14]研究對于相同的體積摻量(0、0.4%、0.6%、0.8%)玄武巖纖維條件下，長度為6 mm的短纖維比18 mm的長纖維的對混凝土的抗沖擊性能有更好的改善作用。

2 纖維增強混凝土的應用

纖維增強混凝土現已廣泛適用于許多大型土木工程項目。鋼纖維混凝土廣泛應用于道路、水利、橋梁和建筑等，但其用量大、價格高和無法應對火災情況等缺點而被限制發展應用。工程實例有承受重量級工作制造工業廠房、廣州解放大橋以及江蘇石舀港碼頭的軌道梁工程等工程中使用鋼纖維混凝土，有較好的經濟效益。玻璃纖維混凝土的抗彎曲、抗沖擊性能有明顯改善，適應于道路、橋梁及邊坡工程中，符合當今社會綠色發展的要求。工程實例有田集電廠立交橋箱頂、隧道噴射混凝土防護邊坡等。聚丙烯纖維混凝土廣泛應用于橋梁、路面及隧道等實際工程領域。工程實例：江西省某橋梁實例、甘肅省調度通訊樓工程等。玄武巖纖維混凝土因其優良的抗沖擊、抗滲和抗凍融循環性能可應用于道路、橋梁、深水碼頭和嚴寒地區等，但由于抗彎、抗剪性能不夠強，其不能廣泛應用，多以短切和增強筋的形式摻入混凝土。工程實例：浙江永祥隧道修復加固工程等。

3 結 語

土木工程對材料性能的要求不斷變高，因此，纖維增強混凝土擁有十分廣闊的發展前景。但還存在一些問題可以深入地研究：①纖維混凝土的研究大多數局限于單一因素的影響，但在實際工程中大多都是在多種環境因素影響的，因此，研究在多種因素影響下的纖維混凝土力學性能的變化是必不可少的，可運用正交實驗法等來找出最佳方案；②高溫條件下，纖維混凝土的力學性能衰減及纖維增強機理還有待進一步研究；③缺少系統的纖維混凝土規范；④混雜纖維性能、新型高性能環保的纖維的探索和新的纖維的結構形式可進一步深入研究。

纖維混凝土作為一種新型建筑材料，憑借其在強度、韌性以及變形等各方面的優勢，隨著科技的發展和研究的深入，將會在實際工程中有更廣闊的應用前景。

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