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纤维增强混凝土的研究进展 （哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）摘要：随着现代混凝土技术的发展，对水泥混凝土提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、高体积稳定性和优良的工作性的方向发展。研究表明，在水泥基体中随机分布一些纤维是提高混凝土的韧性、耐冲击性、抗渗性及耐收缩断裂性的有效途径。大量实验又证明，在混凝土中加入少量的纤维，混凝土的抗压强度变化不大，而混凝土的抗弯强度、塑性收缩性能、抗渗性、抗冻性、抗冲击性、抗腐蚀性有明显提高。本文在整理相关文献基础上，介绍了纤维增强混凝土的机理、常用的增强纤维特别是聚丙烯纤维以及国内外的研究状况，分析了纤维增强混凝土目前研究存在的问题和以后的发展前景。关键词：纤维，增强混凝土，裂纹，断裂，基体，界面中国分类号 文献标识码Research Progress of the fiber-reinforced concreteChen qian(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)Abstract : With the development of modern concrete technology, cement concrete needs higher requirements, it is moving in the direction of development of high strength, high toughness, high resistance bifida, high durability, high volume stability and excellent work. Studies have shown that the random distribution of some of the fibers in the cement matrix is to improve the toughness of concrete, impact resistance, impermeability and resistance to shrink an effective way of breaking. A large number of experiments also proved that the addition of a small amount of fiber in concrete, compressive strength of concrete little change, the flexural strength of concrete, plastic shrinkage properties, impermeability, frost resistance, impact resistance, corrosion resistance improved. on the basis of compilation of relevant literature ，the paper presents the mechanism of fiber reinforced concrete, commonly used reinforcing fibers, polypropylene fiber, as well as domestic and foreign, and to analyze the fiber reinforced concrete problems to be solved and future development prospects.Keywords: fiber, reinforced concrete, cracks, fracture, matrix, interface引 言混凝土是一种多相复合材料，由于各组成材料性质的差异和施工养护的影响，混凝土内部不可避免地存在大量的微裂缝，这些裂缝的存在，影响了混凝土的性能，特别是降低了混凝土抗拉强度，这也是混凝土呈脆性破坏的主要原因。通过加入掺合料和化学外加剂实现混凝土的密实性和强度的提高，是制备高性能混凝土的主要途径。但是，混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%作用，仍存在拉压比低、韧性差与收缩大等缺点。随着抗压强度的提高，混凝土脆性表现得愈明显。而纤维具有抑制混凝土收缩、提高混凝土抗拉强度、增加混凝土韧性的作用，能够解决高强高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和收缩大的问题，也能适应现有施工水平和设备条件。因此，纤维混凝土是当今混凝土技术发展的重要趋势。1 分类1.1 钢纤维混凝土普通混凝土中掺入适量钢纤维配制而成的混凝土，称为钢纤维混凝土或钢纤维增强混凝土。与普通混凝土相比，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。早期混凝土工程中采用的钢纤维主要品种有：用细钢丝切断生产的圆直型钢纤维，用熔抽法生产的钢纤维，用薄钢板剪切生产的平直型或扭曲型钢纤维。随着混凝土应用技术的发展，人们对钢纤维性能的认识不断深入。根据试验研究和工程应用实际情况，钢丝切断圆直型纤维与基体的粘结性能差，碳钢熔抽型纤维在高温冷却过程中表面往往会形成氧化皮，从而严重降低了纤维与基体的粘结性能。因而这几种类型的钢纤维在工程中被逐渐淘汰。相应的高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，因其增强了与混凝土基体的粘结力，对混凝土的阻裂、增强、增韧的效果显著，在工程中逐渐得以广泛应用。1.2 碳纤维混凝土碳纤维混凝土是将碳纤维均匀地分散在水泥基体中，用以增加混凝土的物理力学性能的一种复合材料。碳纤维混凝土的主要特征具有普通增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性4。用碳纤维取代钢筋，可消除钢筋混凝土的盐水降解和劣化作用，使建筑构件重量减轻，安装施工方便，缩短建筑工期。碳纤维还具有震动阻尼特性，可吸收震动波，使防震能力和抗弯强度提高十几倍。碳纤维混凝土具有很高的抗拉性、抗弯性、抗断裂性、抗蚀性等特点。由于碳纤维的较小的膨胀系数，碳纤维混凝土的耐热性较好，温度变形也较小。碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是：阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻止宏观裂缝的发生及发展。因此对于其抗拉强度和主要由主拉应力控的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时具有高基体的抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和冲击韧性。碳纤维体积分数为1.18%时，试件劈拉强度提高1.2%，按复合规则，碳纤维的增强作应随水泥中纤维含量的增大而增加，在碳纤维的重量百分含量小于5%时，这个关系几乎是线性的，含量再增加时，碳纤维难以在基体中分散均匀，不能起到增强效果，甚至使碳纤维混凝土抗拉强度降低。此外，碳纤维混凝土还具有良好的耐腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。1.3 玻璃纤维混凝土玻璃纤维混凝土(GRC)是将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀地分布于水泥砂浆、普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。近20年来，玻璃纤维混凝土在英国、美国、日本等40多个国家已开始大量应用。它将轻质、高强和高韧性优点集于一体，在建筑领域中占有独特地位。特别自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把玻璃纤维混凝土技术引向新的发展阶段。由于玻璃纤维的直径仅为520m，几乎与水泥的颗粒相接近，使用玻璃纤维时，所用的结合材料为水泥浆，或者在其中掺入细砂来使用，几乎不使用粒径较大的粗骨料。所以，用这种素材制作而成的复合材料，又称为增强补强水泥。采用玻璃纤维混凝土是建筑工程今后发展方向，它不仅可以弥补普通混凝土制品自重大、抗拉强度低、耐冲击性能差等不足，而且还具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纤维混凝土制品较薄，质量较轻。由于采用抗拉强度极高的玻璃纤维作增强材料，因而其抗拉强度很高。玻璃纤维均匀分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龟裂，由于在破坏时能大量吸收能量，因而耐冲击性能优良、抗弯强度较高5。此外，玻璃纤维混凝土制品脱模性好、加工方便，易做成各种形状的异型制品。1.4 聚丙烯纤维混凝土聚丙烯纤维混凝土（图一）是将切成一定长度的聚丙烯纤维，均匀地分布在水泥砂浆或普通混凝土的基材中，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。这种纤维混凝土具有轻质、抗拉强度高、抗冲击和抗裂性能等优点，也可以以聚丙烯纤维代替部分钢筋而降低混凝土的自重，从而增加结构的抗震能力。聚丙烯纤维混凝土是研究与应用最多的合成纤维混凝土。随结晶度不同，聚丙烯纤维的密度范围为0.870.95 g/cm3，熔融温度107141。根据纤维形状和构造不同，聚丙烯纤维可分为单丝纤维、并行的原纤化纤维束和薄膜纤维。单丝纤维有较高的长径比，并行的原纤化纤维束能方便地在水泥基体中分散，虽化学键连接有限，但机械粘结好，可使纤维受力时不被拔出。聚丙烯纤维的抗拉强度虽然比普通混凝土高，但其弹性模量却比较低，在较高应力情况下，混凝土易达到极限变形。但在掺加适量聚丙烯纤维时，这种复合材料的抗冲击性能比普通混凝土要大得多，这为荷载不高但要求耐冲击、高韧性构件的制作，找到了一条很有发展前途的路子。此外，聚丙烯纤维不锈蚀，其耐酸、耐碱性能也好。 图1聚丙烯纤维和钢纤维2 纤维的作用纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然纤维为增强材料组成的复合材料。由于纤维并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能，因而不会破坏混凝土的耐久性。纤维在增强水泥基材纤维的抗拉强度、弹性模量和提高极限延伸率等方面都远较素混凝土大，将这些纤维掺入混凝土中，不但可有效地限制水泥基体中微裂缝的扩展，还可提高混凝土强度，弥补普通混凝土的自身缺陷，延长其使用寿命，扩大其应用领域。纤维加入水泥基体中，主要有以下三方面的作用：（1）阻裂作用；混凝土内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，纤维加入后可阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂纹的出现。这种阻裂作用既存在于硬化前的塑性阶段，也存在于硬化阶段。混凝土未硬化前，由于水泥基体在浇注后24h内抗拉强度较低，此时均匀分布于混凝土单位体积内较大数量的纤维，犹如存在于混凝土内的大量微细筋，它们构成均匀乱向支撑体系，不但可承受因塑形收缩引起的拉应力，还可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和硬化初期）离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度。混凝土硬化以后，若基体仍处于约束状态，当因周围环境温度、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，在这种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，而且内部由于原材料、施工、养护和使用等方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷载的作用下，这些缺陷周围应力分布不均匀，成为混凝土破坏的诱导因素。当混凝土中加入适量的纤维后，在混凝土硬化过程中，均匀分布的短纤维可以起到改变混凝土内部结构、减少混凝土内部缺陷的作用。在受力过程中，纤维与基体共同承担荷载、共同发生变形，即使在基体开裂后纤维仍能继续承担荷载，从而使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度和疲劳强度等有一定程度的提高。（3）增韧作用；混凝土凝固后，由于水泥与包裹水泥的纤维丝相粘连而形成乱向分布的网状增强系统，有利于限制裂缝的发展，增强混凝土的韧性。在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可以横跨裂缝而承受一定拉应力，使混凝土具有较高的剩余强度和极限应变。同时在混凝土受载过程中纤维还可吸收大量能量，有效减少应力集中程度，阻碍裂缝的迅速扩展，增强混凝土的抗冲击能力。研究结果表明，将纤维掺入混凝土中，不仅能提高混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度、抗剪强度和抗疲劳强度，而且还能增强混凝土的耐磨性、抗侵蚀性、抗冲击性、抗冻融性和抗渗性等耐久性能，避免构件“脆断”现象的发生。纤维在混凝土中的作用还与纤维品种、性能、纤维与混凝土界面间的豁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，并不是所有的纤维都能同时起到以上三种作用的。3.纤维增强混凝土的机理关于纤维增强混凝土的机理, 从20 世纪60 年代以来, 学术界进行了广泛的研究, 其中最具有影响力是: 基于复合材料力学的混合定律和建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。混合定律把纤维混凝土简化为一种钢纤维为一相, 混凝土基体为另一相的两相复合材料, 复合材料的各项性能为基体性能和纤维性能的加权和。“纤维间距理论”又称“纤维阻裂机理”，是Romualdi，Batson与Mandel 于1963 年针对乱向短纤维增强混凝土提出的。该理论根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为纤维混凝土的增强效果与混凝土基体中纤维的平均间距有关, 并得到了混凝土裂缝尖端应力集中因子与纤维间距的关系。混合定律和纤维间距理论从不同的角度分别描述了纤维增强复合材料的增强机理, 但两者均没有从复合材料性能的主要决定因素界面来分析纤维增强混凝土的性能。我们知道纤维增强混凝土是多种物质组成的混合物。纤维掺入混凝土基体后, 纤维参与了混凝土结构的受力, 其中纤维的受力是通过混凝土基体与纤维之间的界面传递。所以纤维与混凝土基体之间的界面是纤维增强混凝土的关键。近期华东交通大学刘永胜教授的研究根据复合材料剪滞理论, 从界面力学的传递方面分析了纤维增强混凝土的机理, 为纤维增强混凝土的机理提供了更加深入的认识。其相应的纤维混凝土的界面应力分析力学模型图如图2。图二 界面应力分析力学模型图4 纤维增强混凝土国内外的研究概况4.1 国际上的研究状况掺入纤维材料以增强脆性材料的抗裂性能和韧性，已有悠久的历史，其技术可追溯到封建社会的初期。我国劳动人民很早就应用在打垒的土墙中掺入稻草以提高墙体抗拉强度的技术，以及在传统的抹灰墙面工艺中也常掺入草筋或纸筋以改善其阻裂与抗拉性能，都体现了纤维增强复合材料的思想。关于纤维增强混凝土方面的最早报道始于1920年，然而人们对纤维混凝土重新引起兴趣，深入研究这种材料并在研究和应用中取得长足的进步还是近40年的事。1963年美国学者Romualdi提出了“纤维阻裂机理”或（称纤维间距理论)，根据线弹性断裂力学来解释纤维对于裂缝的阻裂效应。后来英国Swamy，Mangat 提出了“复合材料机理”，从复合材料的混合原理出发，将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系，并用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。这两种理论得到了人们的广泛重视，也极大地促进了纤维混凝土的发展。为了解释脆性材料的实际断裂强度与理论断裂强度的巨大差异,Griffith(1920)提出了裂纹理论。他假定在实际材料中存在着裂纹，当名义应力还很低时，裂纹尖端的局部应力已达到很高的数值，并导致脆性断裂。考虑到固体中受应力作用的一条孤立的裂纹，他根据经典力学和热力学的基本能量理论，提出了裂纹扩展的准则：构件中存在裂纹时，如假想裂纹扩展一微量，构件将释放出一定量的应变能，而裂纹扩展时为了克服阻力(所需表面能)要做一定量的功。Evans和McMeeking(1986)研究表明：增强晶须在裂纹表面施加一个桥联应力，可降低应力强度因子。研究表明晶须应具有高强度，以便发挥最大可能的应力；晶须的尺寸要大，以桥联更大的裂纹开口位移。Becher(1988)认为为了得到大的增强效果，晶须强度要高，半径要大，而界面结合强度要小。Sigl和Evans(1989)的研究结论是：对于高韧性脆性基质复合材料，裂纹扩展阻力和基质裂纹应力除依赖于残余应力、弹性性质、脱黏后纤维与基质的摩擦系数和纤维强度外，还依赖于界面的脱黏。Liao 和Reifsnider(2000)研究了单向连续纤维增强脆性基质复合材料，建立了拉伸断裂强度模型。对应力进行了详尽地分析，用纤维断裂Weibull统计分布确定在复合材料中纤维的断裂机率和断裂位置。结果表明纤维的Weibull模量和纤维基质界面剪切应力显著影响复合材料的强度和韧性。高Weibull模量的纤维导致复合材料的强度较低；高纤维基质界面剪切应力导致复合材料的高强度、低韧性；中等的基质强度和纤维基质界面剪切强度对复合材料强度无显著的影响。4.2 国内的研究状况我国对纤维增强混凝土的研究起步较晚，在1970年代末开始研制钢纤维，1980年代以来已在许多土木工程中使用，产生了良好的社会、经济效果。中国工程建设标准化协会于1993 年5月批准实施纤维混凝土结构设计与施工规范，规范的颁布极大地推动了钢纤维在公路路面、机场跑道、桥面、水工、建筑、铁路、市政、军事工程以及各种建筑制品等领域的推广应用。目前已召开过8 届全国性的学术会议，关于纤维混凝土理论与技术的研究较为系统和深入，并逐渐被广大工程技术人员所接受，已在三峡等一批重大工程中应用。我国目前已有少量用于混凝土（砂浆）的聚丙烯、尼龙等纤维的生产，其性能不亚于国外同类产品，已在上海等地成功地用于刚性防水、大面积的基础底板防裂等工程，并取得了很好的效果。同济大学马一平等研究了改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的抗塑性开裂性能和基本力学性能。实验结果表明：聚丙烯纤维的几何形态对水泥砂浆的抗塑性开裂性能有明显影响，分散程度好的纤维最好，分散程度较好的纤维次之，分散程度较差的纤维最差。纤维掺量对抗塑性开裂性能也有较大影响，当拉丝聚丙烯纤维的体积掺量大于010时，可有效阻止水泥砂浆的开裂。他们的实验结果还验证了聚丙烯纤维增强混凝土抗弯韧性改善的结论。还有其他一些学者对聚丙烯纤维增强混凝土作了许多较深层次的研究，并取得了不错的研究成果，已经建立了以普通混凝土立方体抗压强度为基础的力学公式，并提出PFRC的强度标准值和设计值。还有学者利用激光散斑法对普通混凝土和聚丙烯纤维增强混凝土切口梁进行研究后发现，掺入聚丙烯纤维后的混凝土试件在断裂过程区呈不规则的狭长带状形，而且由于微裂纹区的扩展受到限制，使主裂纹的亚临界扩展长度和临界裂纹尖端张开位移增加，从而对材料起到增韧作用。武铁明等人的研究表明，当纤维掺入到混凝土中并充分拌匀后，初期，均匀分布的纤维在新拌混凝土内构成一种网状承托体系承托骨料，从而有效减少混凝土的内分层，减少空腔的产生；硬化过程中由于纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，微裂缝在发展的过程中必然遭到纤维的阻挡，消耗了能量，使其难以继续进一步地发展，从而阻断裂缝扩展达到抗裂的作用。从宏观上看，当基体材料受到应力作用产生微裂缝后，纤维能够承担因基体开裂转移给它的应力，故而能有效地提高温凝土材料初裂强度，延迟裂缝的产生。其次，纤维能作为第二增强材料来控制裂缝还有一重要的原因，就是当混凝土在受到应力作用而开裂后，纤维的掺入有效地分散裂缝，产生大量的微裂缝体系，从而有效地避免微裂缝发展成为有害裂缝。范溶、薛元德在“用蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程”中，通过采用改进的剪滞模型，假定界面不发生破坏，求得不同基体纤维刚度比，不同基体韧性情况下断裂纤维附近的应力集中系数，然后通过蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程，比较若干情况下复合材料的拉伸强度，找出提高纤维增强混凝土拉伸强度的方法。5 纤维增强混凝土存在的问题和发展前景5.1 纤维增强混凝土研究中存在的问题纤维用在增强混凝土中使其强度和韧性得到提高的主要机理已基本清楚，但在根据纤维增强混凝土性能的具体应用中的特殊要求，如抗渗性、耐久性、稳定性等，还要考虑到它在生产过程中的流动性、可操作性、生产方法及持久性，来设计和制造出合适的产品上，还有大量的工作要做。毕竟纤维增强混凝土是一个新领域，有许多问题有待深入研究例如：纤维在水泥材料中的耐久性；纤维在复合材料中承受负载时的状态；碱性水泥对玻璃纤维、碳纤维、某些聚酯纤维的腐蚀问题；在长期负载下，纤维与织物的形态变化；周围环境、空气、水中的化学物质对复合材料性能的影响等。纤维增强混凝土的最终性能与纤维的特点及制备工艺之间的矛盾还远没有得到解决。如，纤维的长径比和纤维含量对复合材料的增强效果与制备过程中混合物的均匀混合及操作的难易之间的矛盾，以及像碳纤维这样的各方面性能都比较优异的纤维材料，由于高比表面积和易受损而给均匀混合及操作造成困难等，都还没有找到圆满的解决方法。在国内，对短纤维增强混凝土的研究，大多数仅仅局限于某些宏观力学性能的研究，而对深层次的微观机理，如纤维增强材料的疲劳行为、疲劳裂纹的增长机理等的研究，很少有报道。同时由于各种各样的原因，国内外的研究重点都放在短纤维增强水泥复合材料上，而长纤维及其由它织成的织物增强混凝土的研究的相关报道较少。目前对混杂纤维增强混凝土的研究都集中于其力学性能的改善，而对纤维增强混凝土材料的制备工艺研究较少，尤其是现有的纤维增强理论都是假设纤维均匀分散在混凝土中的，而纤维在混凝土中的分散性能受到哪些因素的影响，其分散效果对纤维增强混凝土的力学性能影响有多大等方面研究还较少。5.2 纤维增强混凝土的应用前景与发展趋势纤维增强混凝土的基础理论研究工作已取得了较大的成就。今后的研究重点将放在该材料的微观机理，如纤维增强材料的疲劳行为、疲劳裂纹的增长机理等的研究以及材料性能的稳定性上的机理；从单一尺度和单一品种的纤维增强研究为主向多尺度和不同性质的纤维混杂增强转变；从定性研究向定量研究深入；从基础理论研究为主向基础理论研究和生产工艺、开发与应用研究并重转变；还有一个非常重要的方向就是研究开发天然植物纤维增强混凝土。纤维增强混凝土的发展前景可概括为以下方面。5.2.1 对增强纤维的开发与改性及不同形式增强效果的研究目前对纤维增强混凝土领域的研究，在纤维材料的选择，纤维表面涂层处理，水泥改性以降低碱性，开发新型水泥等方面的研究已取得了较大的进展。从目前的应用情况看，轻质、高强、抗拉、抗弯、耐腐蚀、耐久性好的纤维增强混凝土是重点发展方向。这就对增强纤维有更高的要求，并且纤维要用不同的形式来增强混凝土。主要包括以下几个方面：（1）加强聚丙烯纤维在混凝土中分散性的研究，对聚丙烯纤维的改性研究，加强对聚丙烯纤维的表面极性处理研究等。（2）研发高性能的纤维增强复合材料棒材、片材或板材，如聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、碳纤维片材或板材，开发与纤维相适宜的基体和粘接材料。（3） 开发适合高强度混凝土性能的高强度异形钢纤维，研究开发纤维网复合式混凝土结构，研究合成纤维与钢纤维、碳纤维混杂或复合使用的效果，并研究不同品种、不同长度纤维混杂使用的机理及效果。参考文献: 1 沈荣熹, 王璋水, 崔玉忠. 纤维增强水泥纤维与纤维增强混凝土M. 北京: 化学工业出版社, 2006.2 寇小健, 齐承涛. 浅谈钢纤维混凝土J. 山西建筑, 2005, 35(1): 195-196.3 沈文忠, 张雄. 碳纤维功能混凝土研究现状及应用前景J. 新型建筑材料, 2004, (8): 30-32.4 沈荣熹, 崔琪, 李青海. 新型纤维增强水泥基复合材料M. 北京: 中国建材工业出版社, 2004.5 COX H L.The elasticity and strength of paper and other fibrous materialsJ.British Journal of Applied Physics, 1952, 3( 3) : 72- 79.6 刘永胜. 纤维混凝土增强机理的界面力学分析J. 混凝土, 2000, 21( 3) : 34- 35.纤维增强混凝土的研究进展 院系：土木工程学院专业：建筑与土木工程学号：12S133004 姓名：陈前