纤维混凝土研究现状与发展前景

王文明，乔恒煊，李向阳，李慧鹏

 

［摘   要］为了进一步增加混凝土的韧性和找寻更加稳定的新型绿色混凝土材料，通过搜集整理国内钢纤维、聚丙烯纤维、亚麻纤维和聚乙烯纤维这四种纤维混凝土的相关研究内容，对其发展现状与发展趋势进行总结。

［关键词］混凝土；纤维；发展现状；前景

0  引言

随着我国基础建设的不断加大，混凝土以其就地取材方便、价格低廉、易于成型、耐火性好和储备量大等优点依旧是应用最广泛的材料，被广泛地应用于桥梁、隧道、工业与民用建筑以及高速公路等建设中。但是由于混凝土自重大、抗拉强度低和韧性差等原因限制了其进一步的发展与应用，纤维混凝土应运而生。纤维混凝土主要是在混凝土的基础上加入非连续短纤维或者连续长纤维作为辅助材料来增加混凝土的韧性。纤维按照种类一般分为以下几类：（1）金属纤维，包括钢纤维等；（2）无机纤维，主要指天然存在的或者人为制造的矿物纤维；（3）有机纤维，指人工合成纤维，主要包括聚丙烯纤维、聚乙烯纤维等；（4）植物纤维，通过植物的根茎加工而成的纤维，主要包括亚麻纤维、龙舌兰等。纤维的加入能够有效抑制混凝土裂纹的产生和发展，从而提高混凝土的抗裂性能和韧性，对抗压性能也有一定的提高作用，纤维的加入在一定程度上弥补了传统混凝土的一些缺点，也在一定程度上提高了传统混凝土的各方面性能，因此纤维混凝土的应用越来越广泛。本文主要分析了几种纤维在混凝土中的应用现状及进一步的发展趋势。

1  纤维混凝土研究现状

1.1  钢纤维

钢纤维是典型的金属纤维，近年来学者对钢纤维混凝土有较多的研究，从小试块到大构件，从强度到耐久性等。霍琳颖^[1] 等对单轴受拉状态下钢纤维混凝土的二次峰值强度进行了研究，在大量钢纤维混凝土拉伸试验应力应变曲线出现了两次峰值现象，并提出了钢纤维混凝土峰值强度的三种可能情况，给出了钢纤维混凝土抗拉强度的计算公式。陈卓^[2] 等就射弹对钢纤维混凝土的侵彻深度进行了研究，通过引入韧度指标，并运用相似理论和量纲分析法等相关方法，结合试验数据拟合出了钢纤维混凝土侵彻深度的预测公式并采用有限元软件进行模拟，当射弹速度在 273～813.5m/s 时公式有较高的吻合度。惠存^[3] 等研究了钢纤维掺量对混凝土的抗压、抗拉强度和粘结滑移的影响，当未掺入钢纤维时拉拔试件发生的都是劈裂破坏，掺入钢纤维时发生的则是劈裂拔出和拔出破坏，钢纤维的加入可以明显改善混凝土的性能。苟鸿翔^[4] 等研究了定向钢纤维对对高性能混凝土的增强作用，通过将细短钢纤维定向分布在水泥浆中来制备高性能混凝土，并且在不同体积掺量下对比分析了定向和乱向钢纤维分布时混凝土的抗压、抗折和弯曲抗拉强度，结果显示，随着钢纤维掺量的增加，乱向分布钢纤维抗压强度先增大后减小；定向分布纤维抗压强度持续在增大，抗折强度不断在增大，并且定向分布钢纤维比乱向分布钢纤维各方面性能都有一定程度的提高。刘瑞琳^[5] 则对水电工程中钢纤维混凝土的抗冲磨性能进行了研究，通过研究不同纤维含量混凝土的抗冲磨特征，分析了冲磨试验中钢纤维混凝土质量损失与冲磨次数和钢纤维含量的关系，从而提出了影响混凝土力学性能的钢纤维含量临界值，得到了抗压强度与钢纤维掺量之间的关系。江晨晖^[6] 等对钢纤维混凝土抗压强度尺寸效应进行了研究，通过制作了 3 种配合比的钢纤维混凝土抗压强度尺寸效应试块，着重分析了尺寸效应对抗压强度的影响，结果表明不同尺寸和形状的试件的抗压强度存在着线性相关性，并且强度修正系数应根据混凝土强度等级分段考虑。谢雨霏^[7] 等研究了钢纤维掺量对混凝土力学性能的影响，表明抗压强度随钢纤维掺量的增加增强效果不明显，而抗拉强度则随钢纤维掺量的增加增强效果较为明显。毕继红^[8] 等对单向受拉状态下钢纤维混凝土的本构关系进行了研究，考虑钢纤维的增强作用提出了一个弥散开裂本构模型，并通过有限元软件数值模拟结果与试验结果对比，验证了本构模型的准确性，并进一步探究了钢纤维混凝土相关参数对抗拉性能的影响。吴全强^[9] 等主要对钢纤维混凝土的收缩性能进行了研究，适量的纤维掺入能够抑制干燥收缩，而过量的纤维掺入则会导致收缩性能下降。

1.2  聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是一种人工合成的有机纤维，其在混凝土中的应用十分广泛，众多学者也对其进行了不同的相关内容和程度的研究。黄小芬^[10] 通过干缩试验和温缩试验研究了聚丙烯纤维对水泥稳定建筑垃圾抗裂性能进行了研究，随着纤维的掺入水泥稳定建筑垃圾的抗裂性能均有了不同程度的提高，干缩系数和平均温缩系数均有所降低。金佳旭^[11] 等对聚丙烯纤维加筋铁尾矿的宏观和微观特性进行了研究与分析，通过抗压、抗剪试验以及 SEM 等方法对其进行了研究，表明纤维是影响抗压和抗剪强度的重要因素，纤维主要是对裂缝进行桥接作用，从而达到提高强度的作用。姚艳芳^[12] 就聚丙烯纤维对再生混凝土力学性能和干缩率的影响进行了研究，纤维的加入在降低混凝土的可加工性的同时还能有效提高抗压强度，聚丙烯纤维的拔出性能可以有效增强聚丙烯纤维的断裂韧性、降低动弹性模量、提高静弹性模量，并且能够有效抑制干缩应变。李永彪^[13] 研究了聚丙烯纤维对高强泡沫混凝土抗冻性能的影响，随着纤维的加入，泡沫混凝土的强度最高可提高四倍，并且随着纤维长度的增加混凝土的抗压强度在不断提高。牛荻涛^[14] 等研究了聚丙烯纤维掺量对再生砖混凝土的力学性能影响，通过制备 8 种不同纤维掺量的再生砖混凝土进行单因素试验测定其力学性能，并建立应力—应变全曲线方程，随着纤维掺量的增加，抗压强度、劈裂强度都呈现先增大后减小的趋势。郝贠洪^[15] 等对聚丙烯纤维增强水泥复合材料在风沙环境中的抗冲蚀性能进行了研究，冲蚀率随着冲蚀角度的增大而增大，在 90 度时出现了不同的峰值，结合冲蚀后的微观形貌可以表明，适量的聚丙烯纤维掺入可以增加密实程度、增加韧性、提高抗冲蚀性能。刘晓仙^[16] 等研究下了在高温下聚丙烯纤维对混凝土性能的影响，主要研究对高温后劈拉强度的影响，采用红外热像仪来检测试件断面的红外温升，结果表明适当聚丙烯纤维的加入可以有效抑制爆裂的发生。李福海^[17] 等对聚丙烯纤维混凝土梁变形性能进行了研究，推导出了适用于短期荷载作用下梁的最大变形公式，并基于有效惯性矩法推导出变形修正模型。沈文峰^[18] 等对水泥砂浆在冲击荷载作用下动态力学特性进行了研究，试验结果表明，纤维体积掺量在 1.25% 时，水泥砂浆的动态抗压强度、极限韧性最高，具有较好的抗冲击性能。张广泰^[19] 等对聚丙烯纤维混凝土梁受剪承载力进行了研究，结果表明，混凝土裂缝间的纤维可延缓裂缝发展，减小斜裂缝倾斜角度，提高构件受剪性能，且聚丙烯纤维混凝土梁较普通混凝土梁具有更好的承载能力、刚度和剪切延性。

1.3  亚麻纤维

亚麻纤维是一种稀有的天然纤维，仅占天然纤维总量的 1.5% 左右，主要用于航空用品和布制类产品，因此在混凝土中的应用与研究还较为稀少。何伟坚^[20] 等简述了亚麻纤维的特点及各种改性技术的应用对其性能的影响，并对亚麻纤维在各领域的应用情况进行了简要地分析和总结，探讨了亚麻纤维的应用前景和发展趋势。张波^[21] 简述了剑麻纤维、苎麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维等植物纤维在混凝土中的主要利用途径及研究进展以及对混凝土各种力学、耐久性能的影响。马伟男^[22] 等简述了亚麻纤维的性能与不足，并介绍了亚麻纤维在纤维增强混凝土及混凝土构件外贴纤维复合材两方面的应用情况。夏媛媛^[23] 等对亚麻纤维复合材料约束混凝土圆柱的轴压性能进行了研究，并得到了约束后混凝土的应力—应变曲线，利用已有的模型进行计算，得到亚麻纤维在结构约束方面的特点，结果表明双向 FFRP 约束混凝土圆柱的破坏形式不同于单向纤维复合材料，应力—应变曲线表明 FFRP 约束混凝土结构也具有不同的二阶段特性。许颀^[24] 对亚麻纤维对混凝土梁受弯性能进行了研究，表明掺亚麻纤维的梁荷载极限承载力与普通混凝土梁相比有不同程度的提高。李岩^[25] 等从植物纤维的微观结构、化学组成以及力学性能入手，针对植物纤维增强复合材料的界面性能，综述了国内外采用植物纤维表面处理方法来提升复合材料力学性能的研究进展，通过揭示植物纤维增强复合材料多层次、多尺度的界面力学损伤破坏机制，实现了植物纤维增强复合材料的界面调控和力学高性能化。

1.4  聚乙烯纤维

聚乙烯纤维是另一种人工合成的有机纤维，目前主要用于安全防护、航空、航海、体育用品等领域，因此在混凝土中的应用并没有聚丙烯纤维那样广泛，但也有部分学者对其在混凝土中的应用进行了相关研究。习海平^[26] 等对聚乙烯纤维对超高性能混凝土性能的影响进行了研究，研究了长径比和纤维掺量对混凝土性能的影响，得到了最佳的纤维掺量和不同养护方式对混凝土抗压强度的影响。王义超^[27] 等研究了聚乙烯纤维作为增强材料来制备水泥基复合材料，通过直接拉伸、单轴抗压及三点弯曲梁试验研究了水泥基复合材料的基本力学性能，具有优异的应变硬化和多重裂缝开裂性能以及裂缝桥接性能。陈维灯^[28] 等研究了聚乙烯纤维对砂浆抗弯性能的影响，结果表明纤维的掺入可以大幅度提高聚合物改性砂浆的初裂应变和强度应变。黄政宇^[29] 等对聚乙烯纤维长径比和体积掺量对高性能混凝土的性能影响进行了研究，聚乙烯纤维能显著地提高混凝土的抗折与抗压强度以及韧性，并且能够改变混凝土脆性破坏的形态，表现为多缝开裂，荷载－挠度全曲线表现为位移硬化。晏麓晖^[30] 等对聚乙烯纤维混凝土基本力学性能进行了研究，通过立方体抗压和抗拉试验以及四点弯曲抗折试验来对基本力学性能进行研究，聚乙烯纤维能较大程度提高混凝土的抗拉强度和抗折强度，且对混凝土有很好的阻裂和增韧效果。边策^[31] 等对聚乙烯纤维混凝土的工作性能和耐久性进行了研究，掺入聚乙烯纤维后，混凝土流动性降低，但均匀性、抗渗性和抗冲磨性能提高较大，其中短纤维对性能改善最明显。邓宗才^[32] 等进行了聚乙烯纤维布约束混凝土短柱轴压性能的试验，主要分析了短柱的破坏形态、承载力、应力—应变曲线和变形性能等，聚乙烯纤维布可显著改善混凝土柱的变形性能。

2  纤维混凝土研究趋势

单一纤维在混凝土中的研究已较为普遍与成熟，混杂纤维在混凝土中的研究还有待更多的研究，每种纤维都有自身的优缺点，单一纤维的掺入目前虽然能够起到增强混凝土性能的作用，但随着社会的不断进步与发展，对混凝土材料的性能要求会更高，单一纤维的掺入可能无法满足人们对更高性能混凝土的要求。将两种及以上的纤维混掺来进行研究，以期得到性能更优的混凝土材料或许将成为未来的一种研究趋势，目前已有学者对纤维混掺进行了部分研究，研究结果也达到了期望要求，在今后的时间里，对纤维混掺混凝土的相关性能研究会越来越多、越来越广泛。

3  结论

从天然纤维亚麻纤维到人工合成的金属纤维钢纤维和有机纤维聚丙烯纤维等，纤维在混凝土中的研究应用已十分广泛，从试块的基本力学性能（抗压强度、抗拉强度、抗折强度）到工作性能和耐久性方面的研究，再到构件梁柱方面的研究，纤维的研究几乎遍布混凝土方方面面。纤维的加入主要是起到增加混凝土韧性的作用，增加混凝土的延性，提高混凝土的性能，增强混凝土的承载力以及改变构件的破坏状态。尤其是纤维在高性能混凝土中的应用，能有效提高高性能混凝土的性能，提高纤维混凝土的应用广度，逐步实现资源化利用，纤维混凝土具有很好的应用前景。

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知识点：纤维混凝土