纤维对混凝土性能的影响研究进展

李名义，王亦龙，刘冰峰，马 凯，刘 珏

（1.中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410000；2.长沙麓谷实业发展股份有限公司，湖南 长沙 410000；3.城市建设科学研究院，湖南 长沙 410000）

0 引言

混凝土是是由胶凝材料、水、外加剂、骨料以及矿物掺合料按照一定比例配制而成的一种水硬性胶凝材料，具有来源广泛、价格低廉、生产工艺便捷且可模性好、抗压强度较高、耐久性好等优点，已经成为建筑工程领域中应用最为广泛的复合材料之一。从当前的科研进展来看，还没有一种新型材料可以较好的替代它，因此在今后相当久的时间里混凝土仍是土木建筑领域内的主力军。为了克服混凝土自重大、质脆易裂且抗拉弯强度低的缺陷，在混凝土添加纤维可以有效地提高混凝土的抗弯抗拉性能，降低结构发生脆性破坏的风险[1]。由于纤维的材性、尺寸、形状以及掺量等变量较多，目前对混凝土影响规律的研究仍以试验及定性分析为主，得到的试验结果也各有差异，很难形成统一的指导纤维设计的理论规范。

1 纤维对混凝土力学性能的影响

1.1 不同种类的纤维对混凝土力学性能的影响

按照材料成分可将纤维大致分为3类，分别为金属纤维（如钢纤维、各类合金纤维）、有机纤维（如聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维）和无机纤维（如玄武岩纤维、碳纤维）。每种用于水泥基材料的增强纤维都各有其优缺点，不同学者对这些纤维进行了大量的研究[2-7]。钢纤维作为一种亲水材料，与混凝土材料有很强的连接，这大大提高了混凝土的弯曲强度和耐久性能[2]。但是钢纤维也存在易结团、自重大且易锈蚀的缺点，成为其大规模应用的阻碍[3]。与金属纤维相比，聚丙烯纤维等有机纤维属于低弹模纤维，在水泥基材料中表现出质轻、高延性等特性，但对混凝土力学性能（主要是抗压性能）的影响较小[4-5]。玄武岩纤维具有抗拉强度与弹性模量高的优点，但是玄武岩纤维、碳纤维等无机纤维的造价都较为昂贵，且不利于混凝土试块的抗压强度发展[6]。各纤维的加入都会使水泥基复合材料造价有较大幅度的提升，在相同的性能水平下表现下，混合纤维的成本往往还会低于单纤维混凝土，所以为了降低造价，混杂纤维的研究就显得尤为重要[7]。

1.2 纤维尺寸效应对混凝土力学性能的影响

除了不同种类的纤维会对混凝土产生影响，纤维的“长短粗细”，即纤维的长度、直径、形状等因素亦会对混凝土的力学性能产生影响。这是因为纤维的形态会通过影响纤维和混凝土基体间的界面粘结强度，进而对混凝土的力学性能造成影响。

王钧等[8]研究了玄武岩纤维尺寸变化对混凝土力学性能的影响，发现相较于短纤维，长纤维对混凝土抗压和抗拉强度影响更大，尺寸效应更好。这是因为短切纤维与基体锚固区段也较短，当试件发生受力变形后，其变形量不足以耗散这一部分的能量，为寻求新的力学平衡状态，纤维发生断裂；梁宁慧[9]通过研究不同尺寸的聚丙烯纤维对混凝土抗拉性能的影响，发现在混凝土抗拉伸性能方面，相较于细的聚丙烯纤维，粗的聚丙烯纤维的增长幅度更高。但是也不是说纤维越粗越长越好，因为纤维越是粗大，其与基体的缺陷也就越多，同时也会大大增加使用成本，影响大规模工程应用；冉金玲等[10]研究了波形钢纤维与普通钢纤维的区别，发现相较于普通直纤维和与钩状纤维，波纹状钢纤维对混凝土力学性能具有更好的增强作用，其中抗拉伸性能比抗压缩性能变现更为突出。一般来说纤维较多的形状变化，意味着与混凝土基体的接触面积也就越多，与基体结合也就越紧密，因此在增加韧性抵抗拉伸方面表现较为优异。

1.3 纤维掺量对混凝土力学性能的影响

纤维在水泥基体中主要呈乱向分布，会对混凝土的流动性产生不利影响而降低其工作性能。合理的纤维掺量不仅能得到更优良的力学性能，且对工作性能的影响也不会太大。因为过多的纤维加入会出现“结团效应”，反而不利于混凝土的力学性能，因此混凝土的力学性能几乎都是呈现先增大后减小的趋势，找到其中最优纤维掺量成为科研人员的主要任务之一。李福涛等[11]研究了玄武岩纤维高强混凝土力学性能的变化规律，发现玄武岩纤维的最佳掺量为体积分数的0.3%，增大玄武岩纤维掺量时，抗压与抗劈裂性能出现先上升后下降的趋势。代旭东等[12]将有害物质磷渣加入混凝土中，发现不同磷渣纤维的加入对混凝土抗压强度总体呈下降的趋势，但下降幅度并不大；抗渗性能总体比素混凝土的对照组要好，在纤维掺量为0.6%时能承受的水压力值达到峰值。吴伟[13]对碳纤维混凝土的动态力学特性进行了试验研究，结果表明随着碳纤维掺量的增加，碳纤维混凝土纵波波速和抗压强度也会随之增加，且相对于其静态强度，在动载下其承载能力明显增强，当碳纤维掺量为0.4%时，在相同应变率下其静、动载作用下试件强度增幅最大，性价比最高。

1.4 多纤维掺杂对混凝土的力学性能影响

在单纤维混凝土研究较为深入的基础上，近几年关于混杂纤维的概念越来越热，即将两种或两种以上的纤维添加到混凝土中，寻找混杂纤维在混凝土环境中的正协同效应，发现混合纤维在阻止宏观、微观裂缝方面往往比单纤维类型更有效，因此混凝土中的纤维杂化是迈向未来的重要一步。

目前对复掺纤维的研究中，关于钢纤维与聚丙烯纤维或聚丙烯醇纤维复掺的试验是最多的。罗素蓉等[14]通过在水泥基材料中单掺、复掺适量的聚丙烯醇纤维或钢纤维，结果表明不管是单掺钢纤维还是复掺钢-PVA纤维都可以较大地提高基体的抗压强度。但PVA纤维是作为次要加强筋起增韧作用，对混凝土抗压强度并没有很大正面贡献，其掺量在0.15%时，钢-PVA混杂纤维混凝土的抗压强度提升明显。牛海成[15]等则是研究了单掺玻璃纤维、聚丙烯纤维以及两者复掺对再生混凝土力学性能的影响。结果表明，单掺钢纤维和复掺钢-聚丙烯纤维都能极大地提高再生混凝土的抗弯曲性能，且最佳复掺比为0.05%的聚丙烯纤维加0.45%的玻璃纤维。边亚东[16]研究了单掺聚丙烯纤维、玄武岩纤维以及两者复掺对透水混凝土的透水与力学性能的影响。试验结果表明，随着纤维的掺加会降低混凝土的透水系数，但对抗折强度和抗劈裂强度的提升也会更大；且当聚丙烯纤维掺量为0.18%，玄武岩纤维纤维掺量为0.36%时，其抗弯强度和劈裂抗张拉强度达到峰值。合理的混杂纤维加入到混凝土可以产生协同效应从而表现出各自的优点，不仅可以保持乃至增强其力学性能，而且可以通过较为廉价的纤维掺杂将成本降低，是未来大规模工程应用的可行方向。但是混杂纤维混凝土的参数变量极多极广，还需要进行更加深入的研究探索。

2 纤维混凝土的耐久性及工程应用

纤维混凝土的应用研究目前也有了较为深入的进展，目前已有将纤维混凝土应用于墙梁板、框架结构以及各类工程中的应用实例。除此之外，纤维混凝土也比普通混凝土更适用于抵抗实际生活中存在的各类灾害，因此对结构试件进行了环境模拟研究对于人类在建筑工程中的安全具有重要意义。

魏久淇等[17]为了模拟在地震和爆炸情况下混凝土的性能表现，开展了多种强度的超高性能混凝土（UHPC）接触爆炸试验，结果表明：在相同冲击强度下，强度更高的UHPC板其正面破坏程度也较轻；皇名等[18]则是对玄武岩纤维混凝土在弯曲荷载下的抗疲劳性能展开研究。发现当应力水平相同时，玄武岩纤维混凝土的弯曲疲劳寿命是远大于素混凝土的，而且随着玄武岩纤维掺量增加基体的抗弯疲劳寿命也得到提升。

3 结语

纤维混凝土是新时代下提出的可以替代钢筋混凝土的主要方案之一，得到世界各国科研人员的热捧。但是纤维混凝土本身的参数变量极多且繁杂，目前没有统一的规范与总结。基于国内外已有的研究成果，从纤维自身的材性、尺寸、形状以及掺量等变量出发，综述其对增强混凝土力学性能及耐久性影响规律，并对纤维混凝土的未来发展提出了以下5点建议。

（1）纤维种类方面。开发新型且适用的纤维是以前研发的重点，特点是对于废弃资源的再利用方面，目前我国这方面的研究开发还较少，企业参与的数量也较少，在碳中和与碳达峰的政策下，还有很大的市场空间。

（2）纤维尺寸效应方面。纤维的尺寸效应对混凝土力学性能的影响并不大，但是纤维的形状变化可以使与混凝土的界面间的粘结界面更紧密从而对混凝土力学性能起到正面影响。

（3）纤维掺量方面。目前对于纤维掺量的研究已经较为完善，随着纤维掺量的增多，混凝土的性能往往是先提高后降低，所以最合适的添加比例就在其峰值处。

（4）混杂掺量方面。目前对于混杂纤维的研究主要集中于钢纤维与聚丙烯醇纤维或聚丙烯纤维，关于其他纤维复掺方面的研究较少，通过大量试验归纳总结出混杂纤维的正协同效应是极为关键的一点。

（5）工程应用方面。研究纤维混凝土在各种灾害后的性能变化规律对抵抗不利环境下混凝土结构响应的预测具有重要意义。