纤维混凝土复合材料

纤维复合材料理论与应用综述

一论述纤维复合材料中，结构复合材料和功能复合材料的应用与发展趋势。

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。通过加人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%，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口。因此，纤维混凝土是当今混凝土技术发展的重要趋势。

1钢纤维混凝土

在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。

2碳纤维混凝土

碳纤维混凝土是将碳纤维均勾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。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。

3玻璃纤维混凝土

玻璃纤维混凝土是将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维，均勾地分布于水泥砂浆、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多个国家巳开始大量应用。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 5 ~ 20μm，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。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。

4聚丙烯纤维混凝土

聚丙烯纤维混凝土是将切成一定长度的聚丙烯纤维，均勾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混凝土。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。

目前纤维混凝土的发展主要有以下三个方向：①通过化学或物理的方法改性纤维，通过物理或化学的方法对纤维进行改性，改善纤维与水泥基之间的界面粘结，增加纤维与水泥基的粘结力，可以提高纤维的作用效果。

②不同类型纤维的混杂，混凝土具有多相、多组分，在多尺度层次上复合的

非均质结构特征。不同尺度和不同性质的纤维混合增强，可在水泥基中充分发挥各种纤维的尺度和性能效应，并在不同的尺度和性能层次上相互补充、取长补短。③纤维新品种的研究开发和研究，新型玄武岩纤维和水镁石纤维混凝土是新近研究开发很有发展前景的新型混凝土，具有优异的综合性能和性价比。

二选择钢纤维或聚丙烯纤维混凝土中的一种，论述混凝土中掺加乱向三维分布的纤维后，混凝土综合性能得到改善的机理。

下面以钢纤维为例介绍纤维混凝土性能增强机理。

目前，对于钢纤维混凝土的增强机理，存在着两种不同的解释。一种是美国Rmualdi提出的纤维间距机理；一种是英国Swamy、Mangat等人提出的复合材料机理。下面我们主要用纤维间距机理进行分析。

纤维间距机理是基于线弹性断裂力学的基础上来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用的。该机理认为，在混凝土内部原来就存在缺陷，欲提高这种材料的强度，就必须尽可能地减小缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。

该模型假定纤维在混凝土拉应力方向呈棋盘状分布（间隔S），裂缝（半径为a）存在于4根钢纤维所围住的中心，此时，由于拉伸应力所引起的粘结应力分布（τ）产生于和纤维相邻近的裂缝端部附近，起着约束裂缝开展的作用。如果

设拉伸应力引起的内部裂缝端部应力集中系数为，而与裂缝端部相邻近的粘

结应力分布τ产生的具有相反意义的、起约束作用的应力集中系数为，则总的应力系数就将减小，即：

所以初裂强度得以提高。可见，单位面积内的纤维数（n）越多，纤维间距愈小，强度提高的效果就越好；且纤维的弹性模量越大，抗裂效果越好。抗裂效果好了，其抗弯强度、抗冲击强度、抗疲劳强度、延展性韧性等力学性能也相应的提高。