纤维增强混凝土的研究进展

翟建锦

摘要：跟踪当前国内外纤维混凝土发展的最新进展，阐述了纤维材料改善混凝土受力性能的基本原理，详细给出了三种应用广泛的纤维材料对混凝土的受力性能以及耐久性的影响程度，并提出了当前纤维增强混凝土研究中存在的问题和今后研究的方向。

关键词：纤维；增强；混凝土；物理力学性能；阻裂

中图分类号：TU528文献标识码：A

混凝土是一种准脆性材料，其抗压强度很高，但是抗拉抗折等能力较弱，在实际工程应用中，为了改善混凝土性能，常常在混凝土中掺入纤维。

纤维增强混凝土是一种基于混凝土材料，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。在纤维增强混凝土中，纤维对基体起着阻裂、增韧的作用。本文通过查阅、收集国内外大量文献资料，总结概述了纤维对混凝土性能影响的研究进展。

1纤维增强混凝土作用机理及影响因素

由于混凝土凝结硬化的特性，使得混凝土成为一种非均匀的宏观堆聚结构，其内部存在着尺寸不同的大量原生微裂缝、空隙和缺陷。这使得混凝土的破坏多是从内部裂纹开始，逐步发展、扩张为宏观裂缝，最终破坏。将纤维掺入到混凝土中，纤维可以阻止裂缝扩展，同时，纤维与浆体握裹、桥接良好，可以起到抗裂作用。在荷载作用下混凝土结构将出现裂缝，而纤维良好的连接作用将抑制裂缝的开展。混凝土抗拉强度较低，荷载作用下极易开裂，一旦混凝土发生开裂，连接裂缝两端的纤维将承担拉应力，从而起到抑制开裂的作用。当纤维的掺加量达到一定限值，纤维增强混凝土结构能够继续在高荷载、大变形条件下工作，一旦纤维达到抗拉极限值或纤维与混凝土之间的粘结遭到破坏，结构将发生破坏。由此可知，纤维增强混凝土抗拉强度高于普通混凝土的抗拉强度，尤其普通混凝土的韧性性能有巨大的提高。[2]

2纤维对混凝土受力性能的影响

2.1钢纤维

钢纤维增强混凝土改善了普通混凝土很多方面的受力性能，不仅提高了混凝土的抗弯、抗裂、抗拉和耐磨性，而且同時提高了普通混凝土的抵抗冲击性能和韧性，明显改善了混凝土结构的抗疲劳性及结构耐久性。另外，钢纤维混凝土制作方便，材料经济性高，因此被广泛应用于公路路面、桥面铺装、混凝土跑道等基建工程。

秦鸿根通过试验研究了钢纤维对混凝土材料受力性能的影响，研究结果表明，钢纤维掺加量逐渐增加到2.0%，提高了混凝土多方便的受力性能。尤其混凝土抗剪性能、抗折性能有显著的增加，对于抗压强度的改善不是特别明显。研究结构还表明，钢纤维掺加量越大，钢纤维混凝土抑制开裂的能力与初始抗弯强度也增大，混凝土的脆性系数明显降低，弯曲韧性呈数量级增加。

2.2玄武岩纤维

玄武岩纤维是采用熔融拉丝制作方法获得的一种高性能无机纤维，玄武岩矿石的化学性能与制备工艺决定了玄武岩纤维的基本性能。玄武岩纤维具有高强度、耐高温、耐酸碱、吸湿性低、绝缘性好、化学稳定性好等优点。

成涛华的研究表明，玄武岩纤维对混凝土的抗折强度和劈裂抗拉强度具有显著的增强效果，增强效果随纤维的长径比和掺量变化而变化。研究结构指出，玄武岩纤维无法有效改善混凝土抗压强度，甚至长径比增大会降低混凝土材料的抗压强度。李为民的研究也证明了玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果较好，在冲击载荷下，玄武岩纤维的体积分数为0.1%时，C50混凝土的增强、增韧效果达到最佳水平。

2.3碳纤维

碳纤维是一种在高温惰性气体环境中将有机纤维进行碳化而得到的纤维状化合物。沥青纤维与聚合物纤维是制作碳纤维的基本原料。现阶段，碳纤维增强混凝土材料已经被应用于某些高层结构物，得到了一致的好评。碳纤维混凝土复合材料中碳纤维分布错乱，其能够防止混凝土内部裂缝的出现且抑制已经开展裂缝的发展。因此碳纤维混凝土的抗剪、抗弯、抗拉、抗扭强度和抗冲击韧性等较普通混凝土均有明显改善。

张其颖研究了碳纤维含量与增强作用的相关性。在一定的范围内，随着纤维含量的增大，碳纤维能够明显改善混凝土材料的受力性能，二者呈线性关系；当碳纤维含量超过某个限值时，混凝土复合结构中存在集中分布，其改善效果达不到期望值，甚至降低了碳纤维混凝土复合材料的抗拉强度值。

3展望

随着混凝土的不断发展，应用纤维来提高混凝土性能成为一种必然趋势，同时纤维混凝土理论和应用技术越来越成熟，纤维增强混凝土行业标准和规范不断完善，以及实际工程中对混凝土的力学性能和耐久性要求越来越高。目前的纤维增强混凝土也存在着一些问题，当纤维材料掺加进混凝土材料中，会导致复合材料的工作性下降，施工不便，需要采取其它措施改善避免这一问题的出现，比如改善复合材料的配合比与拌合工艺。另外，新型纤维增强混凝土的出现不断丰富纤维混凝土工程材料的应用范围，其发展前景十分富有生机，但是新型纤维混凝土复合材料的对于混凝土的改善程度有待进一步的研究。

综上所述，纤维增强混凝土作为一种富有发展活力的新型复合材料，其具有广阔的发展空间，虽然现阶段仍存在亟待解决的理论问题与应用技术问题，但是以其大大改善混凝土材料受力性能与提高结构耐久性的优点，纤维增强混凝土必将得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]程云虹，王宏伟，王元.纤维增强混凝土抗冻性试验研究[J].公路，2012（3）：179182.

[2]程庆国，徐蕴贤，卢祖文.钢纤维砼本构理论的研究、工程应用及发展[J].混凝土与水泥制品，2000（s1）：59.

[3]李为民，许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报，2008，36（4）：476481.

[4]陈丽红，孟宏睿，惠雅莉.碳纤维在混凝土中的应用[J].混凝土，2006（4）：2931.

[5]张卫东，徐学燕.碳纤维混凝土的特性及发展前景[J].森林工程，2004，20（1）：6163.

[6]张其颖.碳纤维增强水泥混凝土复合材料的研究与应用[J].纤维复合材料，2001，18（2）：4950.