纖維增強混凝土的研究進展

　　摘要：纖維增強混凝土是一種新型的工程材料，一直受到專家的關注。本文綜述了纖維增強混凝土的發(fā)展、力學性能及工程應用。參閱了大量國內外研究資料，對當前纖維增強混凝土的研究狀況和存在的問題進行了認真分析，并指出復合化將是提高纖維增強混凝土性能的重要手段，而局部增強將能很大程度的降低成本、節(jié)約資源，實現(xiàn)優(yōu)質、低耗、與環(huán)境相容的可持續(xù)發(fā)展，具有很好的應用前景。

　　關鍵詞：纖維增強混凝土；鋼纖維；合成纖維；復合化；高性能混凝土；可持續(xù)發(fā)展

　　0. 前言

　　從1824 年水泥誕生以來不到200 年的時間里，混凝土材料本身經歷了一個不斷發(fā)展的過程，從強度低、品種單一逐步發(fā)展為高強度、輕質等多品種的混凝土家族。但普通混凝土材料本身存在抗拉強度較低、延性差、在拉應力或沖擊荷載作用下易發(fā)生脆性破壞等缺陷，而且其抗凍融循環(huán)、抗收縮、耐磨等耐久性能也較差，這些缺點在很大程度上影響和阻礙了混凝土的進一步應用。20 世紀初，有人開始在混凝土中摻入短切纖維，做成纖維增強混凝土，使混凝土的抗拉能力得到了提高，脆性得到改善。因此纖維增強混凝土在此后的幾十年中得到了廣泛的發(fā)展和應用。90 年代之前,混凝土的發(fā)展單純追求強度,而纖維增強混凝土的出現(xiàn)說明向高性能化發(fā)展，成為21 世紀的“綠色”混凝土[1]。資源、能源與環(huán)境的問題一直是中國面臨的問題，纖維增強混凝土性能優(yōu)越，但需要的水泥用量更大，需要耗費很多的資源能源，如何使纖維增強混凝土走上可持續(xù)發(fā)展[2]道路有待解決。

　　1. 纖維增強混凝土的發(fā)展

　　水泥基材料是當今最大宗的人造建筑材料，發(fā)展至今已有170 多年的歷史。強度一直是混凝土作為重要結構材料的主要性能指標，混凝土高強化是混凝土研究與發(fā)展多年來的努力方向。但是混凝土固有的弱點[3]—抗拉、抗彎、抗沖擊、抗爆以及韌性差等卻仍限制著其優(yōu)勢的充分發(fā)揮，并且隨著混凝土強度的不斷提高，這一弱點也愈益突出。通常認為[4][5]，混凝土強度越高，其韌性越差，脆性越高，結構延性和抗裂能力越不足，給結構抗震性能帶來的安全隱患。因此，長期以來許多學者不斷探索改善混凝土上述性能的方法和途徑。纖維增強混凝土[6]，就是近年來研究和應用最廣的重要途徑之一。目前纖維增強混凝土主要有兩種：一是高彈模量短纖維增強混凝土，其代表纖維是鋼纖維；二是低彈模量短纖維增強混凝土，其代表纖維是聚丙烯和尼龍纖維。

　　纖維增強混凝土，是以水泥漿、砂漿、粗骨料為基材，以金屬材料、無機材料或有機纖維為增強材料組成的一種水泥基復合材料，它是將短而細的，具有高抗拉強度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料。纖維增強混凝土的發(fā)展始于二十世紀初，尤其以鋼纖維混凝土的研究和應用開展得最早和最廣泛。早在1910 年，美國的H. F. Porter [7]，就提出過將短鋼纖維摻入水泥和混凝土中以提高其抗拉力，發(fā)表了關于鋼纖維混凝土的第一篇論文。1911 年美國的Graham 正式將鋼纖維摻合到混凝土中,并初步驗證了它的優(yōu)越性。1963 年美國學者Romuldi 從理論上闡明了鋼纖維的增強作用和機理,從而為鋼纖維混凝土的進一步研究、開發(fā)奠定了理論基礎,使它從小規(guī)模探索實驗階段躍進到大面積開發(fā)的新階段。美國在1990 年和1991 年舉行了纖維增強混凝土的專題報告會,正式拉開了纖維增強混凝土研究與應用的序幕;1995 年韓國舉行了纖維增強水泥混凝土的專題報告會,1996 年在中國北京舉行了第三屆國際水泥混凝土報告會,表明纖維增強混凝土的研究與應用已經國際化。在國外,纖維增強水泥混凝土復合材料已經廣泛應用于非承重構件中。國內的研究起步較晚,最初上海合成纖維研究所研究了錦綸短纖維對水泥混凝土的增強效果,安徽皖維公司將維綸用于增強混凝土。

　　現(xiàn)在不少發(fā)展中國家開始研究用植物纖維做增強材制造價格低廉的纖維水泥制品[8]，一系列高性能纖維增強水泥基復合材料相繼問世，并且初步應用于試點工程[9]。中國工程院院士吳中偉[1]指出：復合化是材料發(fā)展的主要途徑之一，復合化的技術思路為超疊加效應，即1+2>3，纖維增強在復合化中起著突出作用。21 世紀，纖維增強混凝土應該朝著環(huán)保、經濟、高性能的發(fā)向發(fā)展，使纖維增強混凝土的突出性能給人類帶來更大的社會效益和經濟效益。

　　2. 纖維增強混凝土的力學性能

　　纖維在水泥基材中的作用主要體現(xiàn)在三個方面：增強、阻裂和增韌作用。

　　2.1 增強作用

　　混凝土的抗拉能力只有抗壓能力的十分之一左右，在外荷載的作用下往往呈現(xiàn)脆性破壞，從混凝土劈裂試驗中可以很明顯的看出，普通混凝土試塊在達到其極限荷載時突然斷裂成兩半，是一種脆性破壞（圖1）。纖維的摻入,可以有效的提高混凝土的抗拉強度,當基體混凝土出現(xiàn)裂縫時,一部分荷載轉移到纖維上,從而提高了混凝土的抗拉能力。摻有纖維的混凝土試塊，其劈裂抗拉強度試驗的破壞過程呈現(xiàn)出很好的假延性，在達到極限抗拉強度值時并沒有突然斷裂成兩半，而是在中線附近延主裂縫延伸出去很多條微裂縫，但整個試塊始終被纖維約束在一起（圖2）。

　　2.2 阻裂作用

　　當水泥基材處于塑性狀態(tài)時,就很容易產生微細裂縫，在硬化過程中則因水分的散失導致干縮裂縫的擴大并產生新的裂縫，纖維加入到水泥基材中可以阻止基材中原有裂縫的擴展并延緩裂縫的產生，從而使復合材料的抗?jié)B、抗凍等性能比基材有顯著的提高。普通的水泥基材在硬化以后，當荷載達到基體的開裂荷載時，基體迅速開裂，并沿著主裂縫迅速擴展開導致貫通這個梁截面的脆性斷裂。而纖維混凝土由于大量短切纖維的存在，當基體開裂后仍然可以由纖維來繼續(xù)承擔荷載，使纖維增強混凝土呈現(xiàn)出較高的延性，破壞前具有一定的征兆。

　　張佚倫[10]，鄧宗才[11]分別對聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維的早期抗裂性能進行了試驗研究，試驗結果表明：纖維對混凝土和砂漿的抗裂效果顯著，并且在一定范圍內隨著纖維摻量的增加效果更顯著。高性能混凝土，由于水灰比低，自收縮主要發(fā)生在早期，會導致混凝土表面形成大量的微裂縫。巴恒靜[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)：1 天內自收縮占28 天自收縮值的50%-60%，是高性能混凝土早期開裂的主要原因，在高性能混凝土中摻入一定量的纖維是解決早期開裂的理想途徑。清華大學龐新鋒[14]采用平板試驗[13]的方法，研究了改性聚丙烯腈纖維對高性能混凝土的早期抗裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)這種改性的聚丙烯腈纖維和砂漿能夠很好的粘結在一起，摻入0.12%的纖維可以明顯地抑制混凝土的早期裂縫。

　　2.3 提高混凝土的變形能力（增韌作用）

　　纖維增強混凝土在受拉（彎）時，即使基材中已經出現(xiàn)大量的裂縫，仍可以繼續(xù)承受一定的荷載并具有假延性（pseudoductility），從而使復合材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高。纖維混凝土的這種假延性使得其變形能力比普通混凝土高很多。韓嶸等人[15]采用對比試驗的方法，研究了鋼纖維混凝土的抗拉應變。試驗結果顯示出鋼纖維混凝土的應力-應變曲線具有明顯的下降段，具有很好的假延性。

　　混凝土材料的韌性，即混凝土材料的變形性能和能量吸收能力，對混凝土結構是非常重要的，尤其是提高結構的抗震能力，有著非常重要的意義。研究表明[16]，纖維的加入可顯著改善混凝土的彎曲韌性，且隨著纖維摻量的增大，混凝土的彎曲韌性指標和剩余強度指標都在增加。在此次中國汶川大地震中，很多房子都呈現(xiàn)出脆性破壞，并沒有留給人們足夠的逃生時間，纖維增強混凝土的應用將是提高結構抗震的一個重要手段。

　　3. 纖維增強混凝土的應用

　　纖維增強混凝土從出現(xiàn)至今100 多年的時間里，得到了飛速發(fā)展，在工程領域得到了廣泛的應用。主要是鋼纖維混凝土、碳纖維混凝土、合成纖維混凝土的應用研究。

　　3.1 鋼纖維混凝土

　　鋼纖維混凝土最早出現(xiàn)于20 世紀初，1907 年俄國開始用金屬纖維增強混凝土；1910年美國的H.F.Porter 發(fā)表了短鋼纖維混凝土的研究報告，1911 年美國的Grhama 曾把鋼纖維摻入普通混凝土中。經過幾十年的發(fā)展，鋼纖維混凝土的理論[17]已經基本成熟。大量的試驗研究表明，鋼纖維混凝土混凝土具有普通更為優(yōu)異的力學性能被廣泛的應用到工程中[18]。目前，鋼纖維混凝土應用較多的幾個領域：（1）建筑工程[19-20] ：主要應用于屋面的防水；框架結構的節(jié)點，高層建筑的框架柱子，提高結構的抗震能力；哈爾濱工業(yè)大學邵逸夫體育館的屋面就是采用鋼纖維混凝土。（2）道路橋梁[21]：竣工于1997 年的南昆線家竹箐隧道，由于選擇了鋼纖維混凝土結構，成功通過了大斷裂、大變形地段。（3）水工工程：鋼纖維在大渡河支流南亞河石棉二級電站中得到了應用，鋼纖維混凝土的耐沖擊、耐磨性得到了很好的體現(xiàn)。

　　但是鋼纖維體積率超過一定范圍容易結團，并且鋼纖維的價格比較貴，增加了工程的造價，限制鋼纖維混凝土的應用。

　　3.2 碳纖維混凝土

　　碳纖維是20 世紀60 年代開發(fā)研制的，具有較高的彈性模量和抗拉能力，一般被應用于結構的加固[22][23]。碳纖維具有勝過鋼材的剛度和強度的優(yōu)良性能，碳纖維體積摻量為3%的水泥基復合材料與基準水泥基復合材料相比，彈性模量增加2 倍，拉伸強度增加5 倍[24]。但是碳纖維由于價格比較昂貴，一直限制了短切纖維在混凝土中的應用，一般以片材形式廣泛應用于橋梁、房屋的加固中。

　　3.3 合成纖維混凝土

　　合成纖維種類很多，包括聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、聚丙烯醇纖維等。因為其價格比較便宜，化學性能比較穩(wěn)定，且具有優(yōu)異的抗拉性能，20 世紀80 年代以來，在國外已得到了廣泛的研究和應用，尤其是聚丙烯纖維[25]。90 年代在廣州至佛山的高速公路工程，武漢長江二橋橋面工程及寧波市白溪水庫面板堆石壩工程相繼試用了聚丙烯纖維。國內外對合成纖維混凝土的力學性能已經有很多相關的研究[26][27][28]，為合成纖維混凝土的應用提高了很多數據資料。合成纖維的性價比高，因此在國內得到了迅速發(fā)展，主要應用在房屋建筑工程、橋梁工程路面、泳池等工程，效果很好。

　　3.4 混雜纖維混凝土

　　混雜纖維增強混凝土是兩種或多種纖維合理組合加入到水泥基材中，產生一種既能發(fā)揮不同種纖維的優(yōu)勢，又能體現(xiàn)它們的協(xié)同效應的新型復合材料。國外早在20 世紀70 年代Walton[29]與Majumdar 就開始展開混雜纖維土的研究，其后更多的研究者開展了這方面的研究。

　　國內對混雜纖維的研究比較晚，直到上世紀70 年代才逐漸有相關的報道。目前，混雜纖維增強混凝土是個研究熱點，并且已經取得了相關成果。既想提高混凝土的強度又想提高混凝土的延性僅通過一種纖維是不夠的，因為纖維的體積率越大，其分散性越差，反而起不到增強、增韌的作用。在混凝土中摻入不同性質的纖維，就能發(fā)揮各種纖維的性能，在不同的受荷階段和不同的結構層次發(fā)揮增強增韌作用，體現(xiàn)了兩者的混雜效應[30][31]。混雜纖維混凝土是個多相的復合材料，界面多，其設計理論還不是很完善，近年來Stroeven[32]和Nandakumar[33]應用斷裂力學對增強理論進行了研究，但仍需要進一步深入的研究。有關混雜纖維增強混凝土的工程應用還不多，這跟目前的研究進展有很大關系，隨著研究的不斷深入，混雜纖維混凝土的應用前景非常好。

　　3.5 纖維增強混凝土局部增強構件的研究

　　在普通混凝土中摻入纖維可以明顯改善混凝土的力學性能，但是混凝土的成本也被提高。為了最大程度的改善混凝土的力學性能，同時把工程的成本降到最低，提出了局部增強的概念，即將纖維增強混凝土用于構件的受力最大的部位，提高構件的工作性能。本著“好鋼用在刀刃上”的思想，纖維增強混凝土構件正在進一步深入研究，并已經初步取得了一些研究成果。研究表明：利用纖維局部增強構件彎距很大的特殊部位，能提高構件的承載能力，減輕鋼筋過密的壓力，同時可以增加構件的跨度，并且可以降低工程造價，這無疑具有很大的工程意義。

　　國內外對纖維增強混凝土的局部增強構件的研究還不多，并且研究對象都是鋼纖維。早在上世紀80 年代，國外就在這方面有一定的研究，并且取得一定的成果[39][40]，主要是針對梁和柱的研究。在梁柱的節(jié)點采用鋼纖維混凝土不僅省去了剪力鋼筋，同時還可以增大接口的抗剪與抗彎能力，提高其抗疲勞性，并在破壞時呈現(xiàn)很好的延性。此后，Naaman[38]等人進行了預應力混凝土結構的抗震接點研究，結果表明：這種鋼纖維局部增強節(jié)點的延性與能量吸收能力顯著高于混凝土接點，在地震時可以起到很好的塑性鉸鏈作用。Swamy[18]曾經做過梁的纖維增強混凝土局部增強試驗，在受壓區(qū)、受拉區(qū)、受拉區(qū)混凝土表面進行鋼纖維混凝土的局部增強，試驗結果表明，鋼纖維混凝土局部增強效果非常明顯，其初裂荷載提高了10%，裂縫寬度減小，數量增多，撓度也大幅度降低，說明鋼纖維的局部增強很大的提高了梁的剛度。但他的研究考察的情況比較局限，其結論有待進一步完善和補充，我國學者高丹盁、趙軍[35-37]等繼續(xù)從事了這方面的研究，得出了鋼纖維增強混凝土部分增強梁的規(guī)律：在構件0.3h 內加入鋼纖維即可提高構件的抗裂彎矩, 且增強效果與全截面加入鋼纖維一致。對于鋼筋鋼纖維局部增強混凝土梁,當鋼纖維混凝土層厚hf ≥0.3 h 時,可按鋼筋全截
面鋼纖維混凝土梁的計算方法來計算抗裂彎矩Mfcr。這種纖維局部增強混凝土梁在增強效果上和纖維的增體增強效果一致，但是纖維的用量上卻大大的降低，成本也大大降低。

　　在國內，鋼纖維增強混凝土局部增強構件已經在工程得到了應用，一般被應用在框架的節(jié)點、樁尖、軌枕的關鍵部位等，取得了一定的經濟效益。

　　4. 存在的問題

　　纖維增強混凝土雖然可以很大程度的改善混凝土的力學性能，但是由于纖維的比表面積大，在混凝土中會降低混凝土的流動性，需要更多的水泥漿包裹纖維，使單方混凝土水泥用量增加。中國是個發(fā)展中國家，根據吳中偉[34]的估算，2010 年中國需要水泥達8 億t，接近該時世界產量的1/2,這樣大的水泥工業(yè)，不論在能耗、料耗，尤其在環(huán)境負擔上均是無法承受的。另外，生產如此大量的水泥將給環(huán)境帶來很大的壓力。纖維與高性能混凝土的復合將是今后混凝土的發(fā)展趨勢：一方面可以解決高性能混凝土的早期開裂問題，另一方面纖維增強混凝土的工作性能由于多種細礦物摻合料可以得到提高。為了讓中國混凝土的發(fā)展走上可持續(xù)發(fā)展道路，混凝土的發(fā)展應該從以下幾個方面進行：

　?。?）積極開發(fā)高性能混凝土，提高纖維增強混凝土的工作性能，減少水泥用量，合理的利用工業(yè)廢渣來代替一部分水泥，減少環(huán)境污染。

　?。?）積極探索新型材料，復合化是提高混凝土性能的一個重要手段，從復合化理論研究來提高混凝土的科學水平，探索水泥、廉價纖維及礦物摻合料的復合，充分發(fā)揮疊加效應和技術經濟效益。

　?。?）加強研究手段，試驗和理論分析相結合。新型材料力學性能的研究往往通過試驗的方法來研究，造成材料和結構力學分析的脫離。所以，應該將新型材料應用于結構模型中，進行軟件模擬分析，驗證試驗結果的準確性，正確的推導出理論計算公式以便更好的指導工程應用。

　?。?）加強纖維混凝土的結構應用理論研究，纖維局部增強混凝土已經在工程中得到了應用，趙軍等人已經在這方面做了一些研究，但是局限于鋼纖維混凝土的研究，筆者目前正在研究混雜纖維增強混凝土的局部增強作用。纖維的局部增強混凝土構件可以在很大程度上減少纖維的用量，降低工程成本，并最大化的提高混凝土的性能，具有很大的經濟效益。

　　我國的科研工作者在提高纖維混凝土的工作性能及力學性能的同時應該兼顧資源、能源和環(huán)境的關系，使纖維增強混凝土的發(fā)展走上可持續(xù)之路。

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