纤维混凝土的研究及应用

赵 琳 辽宁工业大学土木建筑工程学院

1 前言

普通混凝土虽然作为主要建筑结构材料得到广泛的应用。但是普通混凝土力学性能存在着一定的缺陷，即:它的抗拉强度、抗冲击韧性性能、抗爆等性能比较差。纤维混凝土是以普通混凝土作为基材，以适量同时可以单掺、双掺及三掺的纤维（不同的形状、长径比、类型等）作为增强材料，以不同的比例掺入到混凝土中,从而形成的一种优良性能的结构材料。

2 纤维混凝土的发展简况

20世纪初美国学者H.F.Porter首先提出采用试验研究了钢纤维水泥混凝土的抗拉性能。20世纪40年代，多国的学者通过系列试验研究了纤维混凝土的力学性能，但研究成果均未能详细阐述其增强机理，因而限制其在土木工程结构的工程应用。

20世纪60年代，J.P.Romualdi等学者首次提出了纤维混凝土的阻裂机理。

20世纪70年代，美国Battelle公司采用了熔抽技术，导致钢纤维的价格有所降低，为钢纤维混凝土的工程应用奠定基础。

20世纪80年代，钢纤维混凝土在土木工程得到广泛应用,其他纤维在水泥混凝土中的应用也有较大进展，常用的纤维如图1～图4。

图1 玄武岩纤维

图4 钢纤维

3 纤维混凝土的多项性能研究

3.1 抗冻性能的研究

在我国尤其东北地区，由于温差变化大，钢筋混凝土结构构件等工程结构物遭受冻融损伤，使其安全性能得不到保证。长期以来，研究人员不断通过多种手段提高混凝土结构构件耐久性能，在混凝土基体中加入纤维以提高其耐久性成为重要的研究方法之一。

孙家瑛通过系列试验研究了植物纤维和聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能，发现在混凝土中掺入这两种纤维均可提高混凝土的抗冻性能，且植物纤维提高抗冻性能效果更显著。何锐等采用聚乙烯纤维和聚丙烯塑钢纤维成型混凝土研究其抗冻性，发现混凝土在冻融后弯曲韧性出现损伤但未出现脆性断裂；赵兵兵等进行玄武岩－聚丙烯混杂纤维混凝土抗冻性能试验，试验找到了在冻融条件下改善强度损失和质量损失的最佳纤维掺量；何柏等研究了3种不同回潮率纤维成型混凝土的抗冻性能规律，不同回潮率纤维对混凝土结构改善不同，且随冻融次数的增加，亲水性纤维对混凝土抗冻性影响更明显，冻融循环前后纤维混凝土受压破坏形态如图5所示。

图2 纤维素纤维

图3 聚丙烯纤维

图5 冻融循环前后纤维混凝土受压破坏形态

3.2 混掺纤维高温后力学性能的研究

近年研究发现掺入单一品种的纤维对其力学性能的提高幅度不明显,因此研究趋势转向了混杂纤维混凝土。刘沐宇等通过试验探讨纤维混凝土高温后的残余力学性能，试验结果表明:超过800℃,残余抗压强度降低了46%,而抗拉强度降低了68%,与素混凝土相比,纤维混凝土具有较好的耐高温性能。Sanchayan等通过试验探讨钢-聚乙烯醇混杂纤维活性粉末混凝土高温性能,试验结果表明：随着温度的升高,质量损失率逐渐提高,纤维掺量对其性能影响较小。高超等通过试验探讨研究了温度与强度变化的规律,试验结果表明：小于200℃时，抗压强度均略有增加,高于200℃,随着温度的升高,抗压强度开始降低。刘鑫等通过试验探讨钢纤维混凝土抗压强度受温度影响规律（20℃，200℃，400℃，600℃，800℃）,试验结果表明：高温下抗压强度的变化呈先升后降的趋势，在400℃时抗压强度达到最大值。

3.3 混掺纤维混凝土力学性能的研究

自从混凝土问世以来，由于混凝土的抗拉强度较低导致受拉区域容易开裂，如何解决混凝土结构构件开裂问题，一直是工程应用研究的热点课题。混凝土的劈裂抗拉强度与混凝土的强度等级呈线性关系，但是拉压比反而随着强度等级的提高而减小，实际上是资源的浪费。目前学者普遍认为：纤维的掺入，可以有效提高混凝土的抗拉和韧性性能。我国纤维混凝土研究相比国外虽然起步较晚,但也取得了丰富的成果，我国的CECS 38—2004《纤维混凝土结构技术规程》对钢纤维、合成纤维等的物理力学性能与施工等方面作了要求，但有关混杂纤维混凝土的技术标准仍为空白。大量研究表明，钢纤维在混凝土受荷作用时，起到阻裂的效果，可以大幅提高抗拉强度和韧性性能；合成纤维则能有效减小混凝土的收缩变形，但效果没有钢纤维显著。孙伟和钱红萍等研究发现，三种不同尺度、同一性质的钢纤维混杂，较单掺一种钢纤维的混凝土，在阻裂、减少收缩等方面均有明显的增强效应。Mitsui K和Kojima M等配置合成纤维与钢纤维混杂高强度混凝土，其韧性和抗裂性能指标都得到了明显提高，且减小了混凝土的自收缩性。Eethar T D和Ramlib M通过试验研究了钢纤维和棕榈纤维的混杂纤维混凝土，采用掺量分别为1.5%的钢纤维和0.5%棕榈纤维混杂，韧性指数得到明显提高，此外混杂纤维还可以提高钢筋混凝土构件的整体弯曲韧性和弯曲刚度。

4 结束语

纤维混凝土能够明显提高其强度、延性及耐久性能。钢纤维对混凝土抗拉、抗压强度的提高好于聚丙烯纤维，但对其弯曲强度影响基本一样；高温作用下聚丙烯纤维好于钢纤维混凝土；纤维混凝土强度均随水泥含量的增大而降低；纤维混凝土的抗冲击性能等性能得到明显改善，使得其能更好应用于桥隧工程结构、海洋平台等大型工程结构并能提高其耐久性能。