浅谈纤维混凝土特性与应用

俞君宝，呼梦洁，杨鼎宜

（1.扬州工业职业技术学院，江苏 扬州 225009；2.扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

1824 年英国著名工匠约瑟夫·阿斯普丁发明了波特兰水泥，水泥混凝土应运而生。 经过一百多年的发展，水泥混凝土已成为建筑工程各个领域应用最为广泛的材料。 众所周知，水泥混凝土不仅原材料来源广泛，而且具有优异的力学性能。 混凝土具有较好的抗压强度，极大地满足了工程需求，但其抗拉强度低、韧性较差、容易出现开裂等缺点也限制了其在一些特殊工程中的应用。 混凝土的这些缺点促使了一种复合材料“纤维混凝土”的产生。

纤维混凝土，又叫纤维增强混凝土，通常以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，掺入适量的非连续的短纤维或连续的长纤维增强材料，形成的一种新型增强建筑材料[1]。 相关研究表明：纤维混凝土不仅具有传统混凝土的优良特性，而且还弥补了传统混凝土的众多缺陷。

1 纤维混凝土发展历史及工作机理

1.1 纤维混凝土发展历史

纤维混凝土的发展要追溯到20 世纪初，钢纤维混凝土是最早出现在人们视野中的纤维混凝土。早在1910 年， 美国学者Porter 就着力于钢纤维混凝土理论研究，并最早发表一篇关于钢纤维混凝土论文。 不久后，美国学者Graham 将钢纤维混凝土应用到实践当中， 验证了其优良特性。 20 世纪40年代，各国学者开始关注研究纤维混凝土，并取得了一定成就。 20 世纪70 年代，纤维混凝土得到了快速发展，出现了碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯、植物等新型纤维混凝土。 20 世纪90 年代，纤维混凝土研究与应用的序幕真正拉开，纤维混凝土的研究与应用发生了质的飞跃。我国关于纤维混凝土的研究起步较晚。1993 年，中国工程建设标准化协会颁布了《纤维混凝土结构设计与施工规范》，标志着我国纤维混凝土在工程实践中正式推广与应用。近些年来，伴随着新型复合纤维材料出现，纤维混凝土的性能得到改善，并广泛应用于工程实践当中。目前，纤维混凝土已广泛应用于道路、桥梁、地铁、隧道、港口、水利等土木工程的各个领域。

1.2 纤维混凝土工作机理

纤维混凝土问世以来，关于其增强机理的理论研究一直受到各国学者的密切关注。 目前，比较成熟的增强机理理论有两种：①美国J.P.Romualdi 提出的“纤维间距机理”。该理论是依据线弹性断裂力学机理来解释纤维对混凝土性能改善作用。该理论认为混凝土内部存在孔隙和缺陷，在外力作用下会产生应力集中的现象，引起混凝土开裂。 纤维作用弥补了混凝土内部缺陷，提高了混凝土韧性，极大地减少了应力集中，改善了混凝土性能。 纤维间距理论在假定纤维与基体材料完全粘合的基础上得出的，而实际情况并不能满足其条件，因此存在一定缺陷。 ②英国Swamy Mamgat 等提出的“复合材料机理”。纤维混凝土是一种复合材料，根据复合材料力学受力机理来说明其增强机理。该理论认为纤维混凝土强度是由纤维和基体的体积比和应力所决定。

2 纤维混凝土特性

近些年来，关于纤维混凝土理论研究及工程应用试验取得了较好的成绩。随着合成纤维材料的创新，出现了众多种类的纤维混凝土。目前，比较成熟的有钢纤维、聚丙烯、碳纤维等纤维混凝土。

2.1 钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是指在混凝土中掺入适量的钢纤维形成的一种新型复合材料。钢纤维混凝土具有优良的性能：①较高的抗拉、抗压、抗剪强度。 钢纤维具有良好的抗拉性能，与混凝土的抗压性能形成互补。 钢纤维不仅具有较高的抗拉、抗压强度而且其抗剪强度也显著提高。②抗弯性能较好。钢纤维混凝土兼有钢纤维和混凝土优良性能并形成互补。钢纤维在混凝土内部呈不规则分布，能有效提高混凝土结构抗弯性能。 研究表明：钢纤维混凝土的抗弯性能比混凝土要提高0.5~1.5 倍。 ③具有卓越的抗冲击性能和耐疲劳性能。钢纤维混凝土在抵抗冲击或振动荷载作用过程中， 钢纤维会吸收较多能量，提高了其冲击韧性。相关研究表明：钢纤维混凝土的抗冲击性能约为素混凝土的5~10 倍。 钢纤维无规则的分布在混凝土内部，极大地提高了其耐疲劳性能。④耐腐蚀性能改善。钢纤维混凝土耐腐蚀性和钢筋混凝土一样，主要体现在两个方面：一是混凝土自身损伤破坏；二是钢材锈蚀。 钢纤维具有良好的抗拉性能， 阻碍了混凝土裂缝形成与发展，使得腐蚀介质难以进入混凝土内部，钢纤维混凝土耐腐蚀性能得到很好的改善。

钢纤维混凝土具有较多的优良特性，但也存在一些问题，限制了其在工程中的应用。例如：和易性能较差，增加了施工难度；钢纤维均匀分散性一直难以解决。

2.2 聚丙烯纤维混凝土

聚丙烯纤维具有强度高、耐酸、耐碱等优良特性，在混凝土中掺入较低水平短切聚丙烯纤维形成的聚丙烯纤维混凝土，是一种新型的混凝土增强复合材料。 研究表明，聚丙烯纤维混凝土有以下优越性能[2-6]：

（1）提高混凝土的抗裂性能。在混凝土搅拌过程中，聚丙烯纤维受到水泥、砂、骨料的冲击就会散开，均匀分布于混凝土中，约束了混凝土的颗粒下沉，降低了由于混凝土中水溢出形成的毛细通道数量，降低了混凝土体积的变化和泌水现象， 从而抑制了混凝土微裂缝的产生，提高混凝土的抗裂性能。

（2）提高混凝土的抗渗性能。聚丙烯纤维的掺入能有效抑制混凝土的塑性收缩， 阻止了原有裂缝的发展和延伸，减缓混凝土和受力钢筋被潮湿气体、氯化物等有害物质的侵蚀， 使用聚丙烯纤维混凝土的建筑物使用寿命得以延长。同样，抗渗能力的提高也间接地提高了聚丙烯纤维混凝土的抗冻能力。

（3）增强了混凝土的强度和冲击韧性。 素混凝土试件在抗压试验过程中，加载到一定荷载压裂后立即完全破碎。聚丙烯纤维混凝土试件在抗压试验过程中，加载到一定荷载压裂后并不破碎，由于掺入的聚丙烯纤维均匀分布于混凝土中，能显著提高聚丙烯纤维混凝土的变形性能，使得荷载加至最大后仍不破碎。 建筑结构中使用聚丙烯纤维混凝土，在遭受地震破坏时能保证人员和财产的安全。

（4）提高混凝土的抗冻融性能。混凝土的抗冻融性能也是耐久性的一种体现， 北方寒冷地区混凝土的抗冻融性能是最基本的性能之一。 将掺入较低分量短切聚丙烯纤维的混凝土试件做冻融试验， 经过二十五次反复冻融循环，并没有发现分层、龟裂等现象。 事实上，聚丙烯纤维随机均匀分布于混凝土内部各个方向，类似于混凝土内部微加筋的作用，减缓了混凝土内部温度应力作用和温度裂缝的发展。

（5）提高混凝土的耐磨损性能。 聚丙烯纤维的掺入提高了混凝土的抗冲磨强度。南京水科院和长江科学院分别对聚丙烯纤维混凝土采用不同的试验方法进行抗冲磨试验，均证实聚丙烯纤维混凝土的耐磨损性能较素混凝土有显著提高。

（6）提高混凝土的弯曲疲劳性能。 聚丙烯纤维混凝土和素混凝土一样具有较好的抗压强度，但其抗弯曲强度能在一定程度上较素混凝土有所提高，提高的程度与聚丙烯纤维掺入量有关。同济大学的试验研究显示，聚丙烯纤维混凝土中聚丙烯纤维的掺入量为0.8 kg/m3时， 其抗弯强度仅提高7.6%，表明低掺量的聚丙烯纤维对提高混凝土抗弯曲强度的影响效果甚微。

除此之外，聚丙烯纤维在酸性、碱性环境下基本上不发生变化，使得掺入聚丙烯纤维的混凝土在海水环境下的耐腐蚀性较好。聚丙烯纤维混凝土相对于钢纤维、钢筋网的比较经济。 聚丙烯纤维具有较高的熔点(162 ℃左右)，火灾高温下能迅速熔化，在混凝土内形成气体通道，有效防止高强度混凝土的爆炸。 天津塘沽“8.12”大爆炸事故的发生，若邻近高层建筑物采用聚丙烯纤维混凝土作为防火混凝土，可以有效减少混凝土爆炸，减少财产的损失和人员的损伤。

2.3 碳纤维混凝土

碳纤维混凝上是指在普通混凝土的原材料中按一定用量和方式掺入短纤维或长纤维，在搅拌机的拌和过程中，使纤维在水泥和骨料的冲击混合作用下，随机分布于混凝土中而形成的新型混凝土复合材料。 碳纤维混凝上具有以下优良性能：①碳纤维混凝上改善了混凝土的力学性能。在碳纤维混凝中随机分布的碳纤维阻止混凝土内部微裂缝的扩展，并阻滞宏观裂缝的产生和扩大，从而改善了其抗裂、抗渗、冲击韧性等性能，更符合现代高新建筑对工程材料的要求。②碳纤维混凝土具有良好的电学性能。混凝土中碳纤维之间未水化的水泥颗粒水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络，可使其电阻率下降四个数量级，具有显著的导电性能[7]。 国内外研究者先后提出在水泥净浆、砂浆或混凝土中掺入各种碳纤维材料制备具有典型压敏效应的水泥基智能材料，包括普通短切碳纤维、碳纳米管、纳米碳纤维三种碳材料，基于材料性能与成本分析，纳米碳纤维最具有推广应用前景[8]。

3 纤维混凝土在工程中的应用

纤维混凝土由于其优良特性已广泛应用于工程之中，钢纤维、聚丙烯、碳纤维等纤维混凝土在工程中广泛应用。

3.1 钢纤维混凝土在工程中的应用

近几年，由于车辆数量的增加，人们对路桥依赖性日益提高， 这就要求路桥有更好的耐久性、安全性和适用性。 普通水泥混凝土路面脆性大、容易开裂、路面板块容易受弯折而产生断裂，无法满足日益增加的交通流量对路桥的要求。鉴于钢纤维混凝土较普通混凝土的各项力学性能、韧性及抗裂性能都有显著改善， 在路桥中的应用前景不可限量，是路面、桥面及机场跑道的理想材料。

在路桥工程中，钢纤维混凝土主要用于路面施工和桥面铺装。对于损坏的普通混凝土路面可以采用钢纤维混凝土进行修复。 谭春波等[9]在某二级公路修复施工中，实施“碎石化+冲击压实+加铺防水层+加铺钢纤维混凝土罩面层”的修补工艺，施工中碎石化后的混凝土路面质量均匀，减薄了道路的面层厚度，使得工期得以缩短、原材料得以节约；于此同时减少了路面的切缝数量，节省了人工费与材料费。在新建路面工程中采用钢纤维混凝土可保证双车道路路面不设纵缝，延长路面使用寿命。 在桥梁铺装工程中应用钢纤维混凝土，可大幅度提高桥面的抗裂性能、耐磨性能以及舒适度，从而确保桥梁工程的施工质量。 在路桥结构加固过程中，针对受动载影响而产生的桥梁表面损坏、裂缝出现以及桥梁墩台的情况，采用喷射机喷射一定厚度的钢纤维混凝土，能改善桥梁受力状况，起到加固桥梁整体结构的作用。 除了在路桥中的应用，钢纤维混凝土也可用于隧道和边坡的防护加固。

3.2 聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用

聚丙烯纤维混凝土在公路工程和水利工程中的应用非常广泛。 在公路路面、机场跑道应用聚丙烯纤维混凝土，其塑性龟裂能得以有效控制，提高了其抗疲劳性能、 耐冲击破碎性能和耐磨损能力，延长了路面的使用寿命。 在国外，停机场、机库、机场跑道、地下传输管道等工程的综合加固措施中已广泛应用聚丙烯纤维混凝土。水利工程中应用聚丙烯纤维混凝土，可显著改善现代水利工程对水工混凝土的抗渗、防裂、耐磨、抗冲击韧性和耐久性等高性能的要求。 大中型水利水电工程在施工期内，对装备重型或超重型汽车的需求量较大，现场施工道路路面要满足施工运输的要求，鉴于用钢纤维铺设的路面造价较高且存在磨损轮胎问题，以及聚丙烯纤维混凝土良好的耐磨损和抗冲击疲劳特点，可采用聚丙烯纤维混凝土铺设路面。

3.3 碳纤维混凝土在工程中的应用

与普通混凝土相比， 碳纤维混凝土不仅保持了抗压性能，还改善了混凝土的力学性能和电学性能，从而在建筑工程中得以广泛的应用。 碳纤维混凝土用作混凝土的增强材料， 其抗拉强度和抗弯强度比混凝土提高5~10 倍，同等强度下，质量更轻，更为经济。建筑工程中大量基础性设施暴露于空气中，钢筋锈蚀膨胀和混凝土自身收缩易产生裂缝， 碳纤维混凝土可以有效遏制开裂，并解决钢筋腐蚀问题。碳纤维混凝土可以用于修复加固混凝土结构， 由于碳纤维增强复合材料强度高、质量轻、适应变形能力强、施工方便， 目前碳纤维修复补强混凝土结构技术在工程中应用广泛。碳纤维导热系数比混凝土大，热传导性能都比较好， 在其纤维方向具有负的热膨胀系数，纤维受热收缩对混凝土产生压力，混凝土的膨胀就会受到纤维的抑制，混凝土中掺入碳纤维后，就可以有效控制混凝土的温度变形。

近年来， 智能材料结构系统的研发过程中，碳纤维混凝土良好的导电性能使其在大型混凝土健康监测技术中得以广泛应用。 美国DDLChung 等[10]在1989 年首先对掺短切碳纤维水泥基材料的机敏特性展开试验研究，发现碳纤维水泥基材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。 掺适量短切碳纤维可使水泥砂浆或混凝土的力学、电学性能显著改善， 可以用于制作结构健康监测的传感元件。吴献等研究发现碳纤维混凝土的电阻变化率三向受压时是单轴受压条件下的两倍，且所得的压敏特性比单轴受压时更理想[11]。基于此可将碳纤维混凝土作为传感器，用于监测高速公路上过往车辆载重的情况，及时掌控道路的服役状态。

4 纤维混凝土的发展前景

纤维混凝土的研究与应用已取得了一些成就，有着良好的发展前景。但纤维混凝土耐久性和可降解性仍需做进一步研究：①纤维混凝土耐久性的研究。 在普通混凝土中掺入各种合成化学纤维，可在不同程度上有效改善其抗渗性、抗冻融性、抗氯离子渗透和抗碳化性能。但在特殊环境下纤维改善混凝土耐久性的研究仍比较匮乏，需进一步研究在碳化、冻融、荷载与氯盐环境共同作用下，纤维对混凝土耐久性的改善状况。②环境保护。 随着人们环保意识的增强，建筑垃圾的逐渐增多给人们生活带来不便，而合成纤维可降解、无污染的特性使得纤维混凝土有更加广阔的应用领域。

[1]林倩,吴飚.浅谈纤维混凝土[J].福建建材,2011,1:30-32.

[2]管宗甫,李小颖，李世华，等.矿物掺合料和聚丙烯纤维对混凝土塑性收缩开裂的影响[J].硅酸盐通报，2013(5)1-6.

[3]王慧芳.聚丙烯纤维高强混凝土高温性能研究[D].山西：太原理工大学,2011.

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[5]张建峰.水工抗冲磨混凝土的抗裂性能研究[D].湖北：长江科学院,2011.

[6]梁宁慧,刘新荣,孙霁.多尺度聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的试验研究[J].煤炭学报.2012(8):60-65.

[7]刘洪涛.碳纤维混凝土力学性能试验与理论研究[D].辽宁：沈阳大学,2012.

[8]陆秀丽.不同碳纤维水泥基智能材料研究综述[J].低温建筑技术,2015(5):20.

[9]谭春波.钢纤维混凝土在混凝土路面修补中的应用[J].四川建筑,2015(3):261-262.

[10]P W Chen, D D L Chung.Concrete as a new strain/stress sensor [J].Composites Part B: Engineering, 1996, 27(1):11-23.

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