混杂纤维混凝土受力性能研究综述

刘沣霄（河北省工程咨询研究院 河北 石家庄 050051）

0 引言

单独纤维的掺入虽会对混凝土的力学性能有一定促进作用，但单独纤维掺入有时在工厂上应用使得造价过高，且有的纤维并不具备很好的力学性能，过多的掺入量还会产生负混杂效应，这类的缺陷极大地阻碍组合纤维应用在大型土木工程上。但是可以综合考虑各种纤维的优点，并将各类纤维组合起来加入混凝土中，可以让其发挥各自的作用，在不同层面加大混凝土的力学性能，以满足大型土木工程的需要。

两种或两种以上纤维，加入混凝土内部组合形成的复合混凝土材料，可以称之为混杂纤维混凝土，即Hybrid Fiber Reinforced Concrete，可以简称为HFRC。混杂纤维混凝土有不同的混杂方式，文献[1]认为可以通过混杂方式的不同将混杂纤维混凝土分为4种情况，分别为主要纤维与辅助纤维混杂、同种类别纤维却不同尺度的混杂、不同类别纤维同种尺度的混杂和不同类别不同纤维尺度的混杂这四种混杂类型。将各类型性能不同的纤维混合加入混凝土内部，可以使得各类型纤维发挥各自的性能来弥补混凝土材料的不足，且起到各方面的互补效应与协同效应。

1 纤维混凝土增强机理

目前，学术界内部研究人员认为复合材料力学理论与纤维间距理论是关于纤维混凝土的增强机理作用机理最合理诠释的两种理论，且这两种不同理论分别从各自方面对纤维增强混凝土的作用机理进行了合理解释，同时得到了统一的结论。文献对复合材料力学理论展开了合理的解释。这一理论先认定纤维和基体两者之间的粘结力非常大，使得混凝土发生变形时无法产生相对滑移这一特殊情况；同时把混凝土所受外力进行一定的简化，即规定混凝土所受外力的方向只能分布在沿纤维长度的方向，无法随剩余方向力的改变而改变；并且把纤维混凝土认定为理想弹性体，这样一来纤维和混凝土两者应该拥有同等的纵向与横向变形。最后考虑受纤维取向、纤维尺度和纤维与基体之间粘结力影响的纤维乱向分布系数，同时这3个影响因素必须考虑临界值的取值，分情况选择合理的值进行计算。

文献[4-5]认为纤维间距理论又可以称为纤维阻裂理论，并且此理论由众多学者通过利用断裂力学进行演变而得出的理论。依据断裂力学理论，可以将混凝土破坏的原因认定为混凝土内部的裂纹尖端应力过于集中而形成的破坏，由此得来，可以利用减少裂纹尖端应力值这一方法来计算出混凝土纤维内部的最优间距。且又因为此理论并没有其它理论那样过多的假定条件，使得此理论可以更加与纤维混凝土现实受力情况进行照应。在认同混凝土内部纤维乱向分布的条件下，可以推导出纤维内部最优间距只有两个影响因素，分别为纤维的直径大小与体积参量。但此理论也有一个的缺陷，那就是人为地去掉了其余两个因素（纤维的长度和弹性模量）对混凝土力学性能的作用。

3 混杂纤维混凝土力学性能

混凝土的力学性能会在加入混杂纤维后产生一定程度的改变，同时也会因纤维混杂方式的不同而产生不同的影响。

文献[6]在早期实现了有机与无极纤维混合加入混凝土形成混杂纤维混凝土的力学性能试验研究。研究人员依据试验数据得到结论：有机与无机纤维混合加入混凝土，可以使得2种纤维在混凝土内部发生协同效应，一定程度地增加了混凝土整体各类性能，尤其是抗拉和抗冲击性能得到较大增幅。

文献[7]通过试验与理论分析研究了纤维尺寸对混凝土强度的影响。研究发现，较短纤维可以更好地提高混凝土的强度等级，而较长纤维可以更好地提高混凝土的韧性强度等级。而且短纤维与长纤维两者之间互相影响，特别是随着较短纤维提高混凝土的强度等级时，较长纤维提高混凝土的韧性强度等级的能力也随之增强。这一情况的发生是因为短纤维加强了长纤维和混凝土基体二者之间的粘结力。

文献[8]设计制造了34组钢—聚丙烯混杂纤维混凝土（SP-HFRC）试件，且对其进行轴心抗拉试验研究。研究发现：试件轴心抗拉的开裂强度与峰值强度相比素混凝土全有明显地提高，其中影响强度增加的因素有纤维类别、纤维长径比与纤维所占体积率，这3个影响因素对强度的增幅程度各不相同；钢纤维的掺量增大，可以较好增加SPHFRC轴心抗拉的开裂强度与峰值强度，而聚丙烯的加入，可以很好地增加试件的轴心抗拉开裂强度，钢纤维体积率1.9%与聚丙烯体积率0.19%为SP-HFRC的最好纤维配比，对比素混凝土可以使得开裂强度增幅34%，峰值强度增幅53%。

文献[9]通过对聚丙烯与钢纤维混杂增强高强混凝土（P-SFHSC）进行弯曲试验研究，试验研究发现：试件内部的聚丙烯纤维和钢纤维会在制作时相互缠绕，这个现象会使得试件承受弯曲拉伸时发生“纤维连锁”效应，可以更好地使试件抗弯强度得到增幅；2种纤维在试件耗能上各有优势，且钢纤维和聚丙烯纤维在延缓裂缝扩展时可以先后起到主要作用，显著地增加了混凝土基体的韧性。

文献[10]尝试进行改变混杂纤维的掺入量来研究混凝土基体力学性能变化规律的试验研究。试验研究发现：混杂纤维虽然能在一定程度上增强混凝土的抗压强度，但增幅程度不大，且纤维掺入量较少时（钢纤维为1%，聚丙烯纤维为0.1%）可以提高混凝土基体的抗压强度，但纤维掺入量过多时（钢纤维＞1.5%，聚丙烯纤维＞0.3%）却使得混凝土基体的抗压强度减少，更可以小于素混凝土的强度。

文献[11]通过改变掺入纤维的尺寸，来进行混杂混凝土受力性能的试验研究。研究发现：聚丙烯单独掺入时，当长度为6mm、12mm和19mm聚丙烯的掺量为1.8kg/m3可以较为明显地提高混凝土综合力学性能，且19mm长度的聚丙烯纤维对混凝土性能增幅最好；纤维混杂掺入时，40kg/m3钢纤维和长度为19mm的1.8kg/m3聚丙烯纤维，混凝土的强度和抗裂能力为最好；纤维混杂掺入混凝土时，由于纤维尺度和不同类别纤维掺入量的不同，会在试件内产生正与负混杂效应。

文献[12]则进行了碳-聚丙烯混杂纤维混凝土的试验研究，并且还对碳-聚丙烯混杂纤维加入混凝土时产生的混杂效应进行了理论分析。研究发现保持聚丙烯纤维的掺入量稳定，碳纤维在体积率为0.3%时混凝土抗压强度最大，可以提高31.7%，而试件的劈裂强度却由碳纤维掺入的增多而增加，可以比素混凝土增大44%；试验中正混杂效应的产生是因为碳纤维和聚丙烯纤维两者的尺度与弹性模量不一样，能在基体内各类不一样的结构和性能层次上完全起到各自在尺寸与性能效应上的重要作用。

文献[13]进行了4种纤维组成的混杂纤维掺入混凝土后，其混凝土力学性能受纤维长径比影响的试验。试验研究发现：混凝土基体的抗压强度不受混杂纤维长径比的影响；抗碱玻璃纤维和碳纤维其本身的特征尺寸没有明显影响试件的抗弯强度，且四种纤维的合理长径比为：碳纤维为500～700，抗碱玻璃纤维为450～650，聚丙烯纤维不大于1000和聚乙烯纤维小于1100；碳纤维与聚丙烯纤维互相混杂时，最好掺入量分别为.5%与0.15%，抗碱玻璃纤维与聚乙烯纤维相互混杂时，最佳掺入量为1.5%。

文献[14]对钢纤维和粗合成纤维组成的混杂纤维混凝土的动力性能进行了试验研究。试验研究发现：试件开裂时所受的冲击次数高于唯一粗合合成纤维混凝土，却低于唯一钢纤维混凝土，但是试件破坏时所受的冲击次数明显大于单一纤维，且由于混杂纤维掺入量的增多而增加；粗纤维混杂的最优掺入量为总体积率的1.2%；混杂纤维相对于单一纤维大大提高了混凝土基体的冲击韧性。

文献[15]对高性能纤维素、钢、纤维素及钢纤维组成的混杂纤维混凝土的疲劳破坏进行了试验研究。研究发现：当混凝土掺入UF纤维素纤维时，其原本的弯曲疲劳强度可以提高6.8%，而掺入聚丙烯纤维只提高1%～5%；当混凝土中钢纤维和纤维素纤维的掺入量分别为64kg/m3和1.3kg/m3时，其疲劳强度比单独掺入钢纤维增加15.4%；粉煤灰混凝土掺入纤维素纤维时，其本身的疲劳寿命提高11%。

文献[16]对聚丙烯纤维与耐碱玻璃纤维混杂掺入与单独掺入对混凝土力学性能的造成的改变进行了试验研究。研究得出结论：以上两种纤维的掺入都不会对混凝土的抗压强度产生明显影响，却对抗拉强度的增幅较明显；混凝土的抗渗性能与抗冲击性能都可以通过掺入纤维来改善，但为了避免负混杂效应，两种纤维的最优掺入量为耐碱玻璃纤维0.8kg/m3与聚丙烯纤维0.4kg/m3。

文献[17]为了降低纤维成本，对竹纤维与钢纤维混杂掺入混凝土进行了试验研究。研究发现：竹纤维和钢纤维混杂掺入混凝土，会极大地增加混凝土抗开裂性能，避免承受较大荷载忽然断裂情况，且混杂纤维的掺入可以使得混凝土抗冲击能力提高至550%。

文献[18]通过试验研究分析了层布式钢纤维和聚丙烯纤维混杂会对混凝土耐久能力的影响程度。研究人员得出结论，试件的抗渗能力为层布式混杂纤维混凝土＞素混凝土＞层布式钢纤维混凝土；并且层布式混杂纤维与层布式钢纤维混凝土相对比，其力学性能增加程度不多，但关于耐久性的正混杂效应增幅程度较为明显。

文献[19]对不同尺寸和弹性模量的四种纤维（碳纤维、两类钢纤维与聚丙烯纤维）混杂纤维混凝土进行了抗冲击性能试验研究。研究人员依据试验数据得出结论：一定数量的混杂纤维加入混凝土，对混凝土的抗冲击强度等级有较大程度的增高，但内部碳纤维的掺入对混杂纤维混凝土的抗冲击能力提升最为明显；采用阻裂机理对混杂纤维混凝土进行分析，混杂纤维的不相同现状和尺寸的多层次及混凝土符合材料多相、多层次的结构互相照应，能印制所有层面的裂缝，发挥正混杂效应的作用。

4 结语

如今，混杂纤维混凝土的研究依旧是新兴混凝土研究的一个领域。尽管该学术领域内对混杂纤维的各类力学性能有了一定的共识，但在更多的方面研究人员仍在探讨，并且仍旧没有出现混杂纤维混凝土应用的具体规范。况且我国政府对建筑抗震要求的进一步提高，混杂纤维混凝土还具有很广大的前景。后续的研究应该着重混杂混凝土的有限元模拟与本构关系、理论研究与工程上的实际应用。