纤维混凝土研究应用现状与前景(之一)

　　纤维混凝土是一种新型的复合材料，是当代混凝土改性研究的一个重要领域，近年来，以钢纤维、合成纤维、碳纤维及玻璃纤维为代表的纤维，在混凝土中应用得到了迅速的发展，纤维混凝土是继钢筋混凝土、预应力混凝土之后的又一次重大突破。由于纤维和混凝土的共同作用，使混凝土具有一系列优越的性能，因而受到国内外工程界的极大关注和青睐，并广泛应用于各工程领域。

　　一、纤维在混凝土中的作用在混凝土中掺入短而细且均匀分布的纤维后，明显具有阻裂、增强和增韧的效果。纤维与水泥基材料复合的主要目的在于克服后者的弱点，以延长其使用寿命，扩大其应用领域。纤维在混凝土中主要起着以下三方面的作用：

　　1.阻裂作用纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展，这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段，也存在于混凝土的硬化阶段。水泥基体在浇注后的24小时内抗拉强度低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时，极易生成大量裂缝，此时，均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝的生成。混凝土硬化后，若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化，而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。

　　2.增强作用混凝土不仅抗拉强度低，而且因存在内部缺陷而往往难于保证。当混凝土中加入适当的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高。

　　3.增韧作用纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力，并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标，一般用混凝土的荷载——挠度曲线或拉应力——应变曲线下的面积来表示。另外，还可提高和改善混凝土的抗冻性、抗渗性以及耐久性等性能。

　　应该强调的是纤维混凝土中纤维的作用，并非所有纤维都能同时起到以上三方面的作用，有时只起到其中两方面或单一方面的作用，这与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的黏结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素密切相关。

　　二、纤维的分类和性能

　　1.纤维的分类

　　纤维可以按照不同的原则进行分类。从工程实用观点考虑，可按纤维的材质、弹性模量以及长度分类，见表1.

表1　纤维分类表

　　2.纤维的主要力学性能

　　由于纤维品种的不同，它们的力学性能（包括抗拉强度、弹性模量、断裂延伸率等）不尽相同，甚至其中某些性能指标有较大差异。一般来说，纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出两个数量级，但不同品种纤维的弹性模量值相差很大，有些纤维（如钢纤维与碳纤维）的弹性模量高于水泥基体，而大多数有机纤维（包括很多合成纤维与天然植物纤维）的弹性模量甚至低于水泥基体。纤维与水泥基体的弹性模量的比值对纤维增强水泥复合材料的力学性能有很大影响，如该比值愈大，则在承受拉伸或弯曲荷载时，纤维所分担的应力份额也愈大。纤维的断裂延伸率一般要比水泥基体高出一个数量级，但若纤维的断裂延伸率过大，则往往使纤维与水泥基体过早脱离，因而未能充分发挥纤维的增强作用。表2列出增强水泥基材料用纤维的主要力学性能。

表２　增强水泥基材料用纤维的主要力学性能

　　三、纤维混凝土的分类和特性

　　1.纤维混凝土的分类

　　以水泥为主要组分的水泥基体材料可分为水泥净浆、水泥砂浆和混凝土。纤维增强水泥基复合材料以其基体的集料含量和粒径不同，可分为：

　　纤维增强水泥净浆：指在不含集料的水泥净浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥净浆基体中掺入纤维。多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纤维水泥墙板等。

　　纤维增强水泥砂浆：指在含有细集料的水泥砂浆基体中掺入纤维。多用于防裂、抗渗结构。如聚丙烯纤维抹面砂浆、钢纤维防水砂浆等。

　　通常将纤维增强水泥净浆和纤维增强水泥砂浆统称为纤维增强水泥。纤维增强水泥中的纤维，主要起着增强材料的作用，可明显提高基体材料的抗拉、抗折、抗剪、抗冲击、抗疲劳等力学性能，不同程度地增进复合材料的延性与韧性，主要用以制作薄壁的水泥制品。

　　纤维增强混凝土：指在含有粗、细集料的混凝土基体中掺入纤维，简称为纤维混凝土（FRC）。依混凝土基体的特征不同，可分为纤维普通混凝土、纤维高强混凝土、纤维膨胀混凝土、纤维耐火混凝土等。有时为了获得需要的纤维混凝土特性和降低成本，将两种或两种以上纤维混合使用，或按纤维功能不同组合使用，分别称为混合纤维混凝土或组合纤维混凝土。

　　按照纤维弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量，其增强、增韧效果有明显差异，故可分为两类：高弹性模量纤维混凝土和低弹性模量纤维混凝土。

　　通常，纤维是短切、乱向、均匀分布于混凝土基体中。但是有时采用连续的纤维（如单丝、网、布、束等）分布于基体中，称为连续纤维增强混凝土。

　　目前在不少国内外文献资料中，对纤维增强水泥和纤维增强混凝土往往不作明确区分，常把纤维增强水泥也称纤维增强混凝土，这样易引起混淆，误以为在纤维增强混凝土中纤维也可起着主要增强材料的作用，试图在某些结构或构件中减少作为主要增强材料的钢筋的用量。再如，当前国际上正在大力开发的“活性粉末混凝土”（reactivepowderconcrete，RPC），在有些国家又称之为“超高性能混凝土”（ultrahighperformanceconcrete，　UHPC），实际上按其纤维掺量、水泥基体的组成以及复合材料的力学性能等，理应归属于纤维增强水泥，而不应归属于纤维增强混凝土，在该复合材料中纤维起着主要增强材料的作用，有助于大幅度提高抗拉、抗折、抗剪、抗冲击与抗疲劳等力学性能。

　　这样的分类主要是考虑到因基体的不同，而使纤维与基体的相互制约以及复合材料的制备工艺等有很大差异，从而影响到复合材料的一系列性能及其应用范围等。表3对纤维增强水泥与纤维增强混凝土的主要不同点进行了对比。根据此表不难看出将纤维增强水泥复合材料分为两大类是合理的。

表３纤维增强水泥与纤维增强混凝土的对比

　　应该指出，迄今为止，国际上对纤维增强水泥复合材料的分类是不明确的。不少国家将纤维增强水泥基复合材料等同于纤维增强混凝土。如国际材料与结构实验室联合会（RILEM）的19-FRC委员会将纤维混凝土（fiberconcrete）定义为“水硬性水泥不掺集料或掺有各种尺寸的集料，并掺有分散性的纤维增强体所组成”。按此定义显然是包括了水泥净浆、水泥砂浆和混凝土三种基体。

　　再如，在中国与英国命名为玻璃纤维增强水泥（glassfiberreinforcedcement缩写为GRC）的纤维增强水泥复合材料，在美、法、德等国则命名为玻璃纤维增强混凝土（glassfiberreinforcedconcrete，缩写为GFRC）。

　　国际上对纤维增强水泥复合材料分类与命名的不一致，会经常出现于有关的文献中，应注意区分所用水泥基体，以免将纤维增强水泥与纤维增强混凝土混淆。

　　2.纤维混凝土的特性

　　在混凝土中掺入纤维，使混凝土性能发生明显改善，与普通混凝土相比，纤维混凝土具有以下特性：

　　（1）纤维在混凝土基体中可明显降低早期收缩裂缝，并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝。

　　（2）纤维混凝土开裂后，抵抗变形性能明显改善，弯曲韧性提高几倍到几十倍，压缩韧性也有一定程度的提高，极限应变有所提高。受压破坏时，基体裂而不碎。

　　（3）高弹模的纤维混凝土对抗拉强度、抗折强度（又称弯拉强度、抗弯强度）、抗剪强度提高明显，对于低弹模的纤维混凝土变化幅度不大。

　　（4）纤维混凝土的弯曲疲劳和受压疲劳性能显著提高。

　　（5）具有优良的抗冲击、抗爆炸等性能。

　　（6）高弹模纤维增强混凝土用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件，可显著提高构件的抗剪强度、抗冲切强度、局部受压强度和抗扭强度，并延缓裂缝出现，降低裂缝宽度，提高构件的裂后刚度，提高构件的延性。

　　（7）由于纤维可减少混凝土的微裂缝和阻碍宏观裂缝扩展，使混凝土的耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度的提高。

　　（8）某些特殊纤维配制的混凝土，其热学性能、电学性能、耐久性能较普通混凝土也有变化。如碳纤维混凝土导电性能显著提高，并具有一定“压阻效应”；低熔点合成纤维配制的纤维混凝土在火灾过程中，细微纤维熔化可降低混凝土的爆裂。

　　（9）基体混凝土中掺入纤维后，会使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比设计和拌合工艺上采取相应措施，使纤维在基体中分散均匀，拌合料具有良好的工作性。

　　（10）提高混凝土的耐久性。

　　应该说明的是，纤维混凝土的上述特性，并非所有纤维混凝土都同时具有这些特性，纤维混凝土的特性与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的黏结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素有关。

　　作者：王璋水