纤维混凝土研究和应用(综述)

纤维混凝土研究和应用综述
（作者：指导教师：）
摘要：本文对纤维混凝土的诞生背景做了简要陈述，介绍了目前国内外研究和应用比较多的纤维混凝土种类和其特点，重点介绍了聚丙烯合成纤维的国内外研究应用状况，对目前有关纤维混凝土阻裂理论进行了简要介绍，最后提出纤维混凝土作为一种新型的复合材料在推广其使用过程中所面临的问题，同时也是纤维混凝土发展中需要解决的问题。

关键词：纤维混凝土，聚丙烯纤维混凝土，阻裂，发展，混杂纤维混凝土，趋势
混凝土是土木建筑工程中最主要的材料，混凝土结构广泛应用于各种房屋，然而，在使用过程中混凝土的耐久性正在受到人们的不断重视。

耐久性问题在很大程度上影响了房屋的安全性能和使用功能，如混凝土屋面的渗水现象、严寒地区混凝土的冻融破坏、CL离子侵蚀对沿海建筑的破坏、混凝土碳化对承载力的损失、钢筋锈蚀造成的混凝土裂缝开展等。

这些问题不仅影响了人们的正常使用，缩短了建筑物的使用寿命，由于要经常进行大量维修加固，给经济造成了很大的损失。

为了提高混凝土的耐久性，人们研制出了抗裂能力强、抗渗性好、抗冻融的高性能混凝土，为了达到以上性能，人们往往的做法是在混凝土伴制过程中加入各种外添加剂，如减水剂、膨胀剂等，在一定程度上改善了混凝土的抗渗性，但是只能在局部阶段并在一定条件下才能发挥作用，而且有些外添加剂会对混凝土性能产生副作用。

一、纤维混凝土的诞生
自1824年水泥问世及随之诞生的混凝土与钢筋混凝土以来，至今已有100多年的历史。

混凝土工程技术总是伴随着工程建设的需要和科学技术的发展而进步。

在开始阶段，人们使用高流动性混凝土，而获得的强度很低。

后来，配制成塑性和流动性混凝土，强度和使用都有所改善。

到20世纪中叶，水泥混凝土技术的进步和设备的进一步改进，使混凝土又向干硬性或半干硬性方向转变，配制的强度更高，施工难度也随之增加。

由于外加剂技术的进步，混凝土拌合物向塑性和流动性方向发展。

混凝土强度和流动度得以兼顾，工程质量和速度同时得到提高。

近10多年来，人们又把耐久性作为混凝土追求的主要目标，并引入超细活性掺合料，作为混凝土的重要组分，从而发展了具有高耐久性、高流动性和体积稳定性，并且有一定强度的混凝土，即高性能混凝土。

高性能混凝土是21世纪混凝土技术发展的重点和方向。

但混凝土的固有弱点是因脆性而容易产生裂缝。

高强混凝土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%（当混凝土的强度等级超过C45时），脆性显著，塑性明显下降，因为脆性破坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增幅太大。

当结构受弯时，荷载等于破坏荷载的15%~20%时就开始产生裂缝（这时钢筋的应力远小于屈服极限），随着裂缝扩展会造成结构物抗渗性能的降低，以致使用寿命缩短；在结构设计时因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越性得不到充分应用。

因此，混凝土性能的提高显得十分重要。

其实，现代混凝土除了要达到高抗压、高抗拉等要求外，还要容易施工，并能长期保持高强、高韧性、高抗渗性等性能，这就导致了高性能混凝土的出现。

纤维混凝土是在对混凝土改性过程中应运而生的，目前常用的几种纤维混凝土有：钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土以及合成纤维混凝土。

事实上，利用纤维增强混凝土并非当代的新设想，早在民间便有了将稻草或毛发混合拌入泥浆中制造土坯或土墙的经验，至于利用人造纤维来改善混凝土的性能，则还是最近十几年才逐渐出现的思路和做法。

总之，纤维混凝土是以水泥净浆、砂浆或混凝土作基材，以非连续的短纤维或连续的
长纤维作增强材所组成的水泥基复合材料的总称，通常简称“纤维混凝土”。

二、纤维增强混凝土的种类和特点
目前研究较多的主要是钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。

钢纤维：有研究表明，钢纤维混凝土易受氯盐腐蚀，因此应用受到一些限制。

外露的钢纤维在养护阶段就容易发生锈蚀，影响耐久性和美观。

使用过程中，由于混凝土磨耗导致锋利的钢纤维外露，影响使用的安全。

钢纤维相对密度7.8左右，不利于减少结构自重。

玻璃纤维：普通玻璃纤维耐久性低，与水泥基的相容性差。

并且玻璃纤维质脆易断，在搅拌过程易受到损坏。

碳纤维：碳纤维质轻、高强、弹性模量很高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好，但由于生产成本较高，所以应用受到一定的限制。

合成纤维：部分合成纤维具有较高的抗拉强度、极限延伸率，较好的抗碱性，价格经济。

但是较易老化，且合成纤维通常会使混凝土抗压强度下降。

以聚丙烯为例，在极低的体积掺量（体积率小于0.1%）下，能显著改善混凝土早期塑性收缩开裂。

然而，在热、氧、紫外线等外界因素作用下易发生化学变化，丧失使用性能。

植物纤维：植物纤维来源广，成本低是一种可再生的资源，但是植物纤维吸水率大、耐碱性能差、柔软性较差，成纱不均匀，限制了产品的进一步开发与应用。

三、聚丙烯纤维混凝土在国外的发展状况
随着石油工业的发展，合成纤维的品种越来越多，产量不断增加，成本不断降低，合成纤维用于增强混凝土的发展前景十分看好。

在美国，高层建筑中已经大量采用纤维增强混凝土预制楼板、阳台、波纹板和空心楼板，铺设了大量公路路面和桥面，纤维增强复合材料产品1984年比1979年增长28.36%，平均每年增长近5.5%，近年的增长率更是高达10%。

国外对聚丙烯纤维混凝土的研究始于20世纪60年代，20世纪60年代中期Goldfein研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能性时，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。

此后，不同实验者对不同的水泥砂浆、混凝土组成、聚丙烯纤维类型及实验条件进行了研究，结果不尽相同，甚至出现相反的结果。

A..M.Achozaimy等人研究了聚丙烯纤维对普通混凝土和加入掺合料的混凝土的一些性能，结果表明，对于普通混凝土，纤维的加入只对抗冲击性有所提高，而对抗压强度、抗折强度没有影响；对于加入掺合料的混凝土尤其是加入硅灰的混凝土，抗压强度明显提高，同时抗冲击性提高幅度也较大。

Zollo 等人于1984年进行了普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度及抗折强度的对比实验（纤维体积率为0~0.3%），结果表明，随着纤维体积率的逐步增加，混凝土抗压强度降低而劈拉强度和抗折强度有所提高，随后几年内其他研究者所得实验结果基本上与上述结果类似。

20世纪70年代初，美英等国已经开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制品与工程中，所用纤维的直径与钢纤维相近(22mm~0.25mm)纤维的体积率为0.5%左右。

70年代中期美国成功开发一种聚丙烯膜裂纤维（Fibrillated Polypropylene Fiber），其直径为2mm以上，成束状，在与混凝土拌合过程中分裂成若干纤维束，且束内纤维展开成为相互牵连的网络，其中单丝直径为48um~62um，使用该纤维不但有助于降低单丝的直径，还可以使纤维体积率降低至0.1%~0.2%。

80年代初，美国很多公司通过表面处理技术成功开发了可均匀分布于混凝土中的聚丙烯、尼龙等单丝纤维，其直径为23um~62um，在体积率为0.05%~0.2%时即有明显的抗裂与增韧效果。

目前美国所用混凝土中合成纤维混凝土约占7%，已大大超过了最早使用的钢纤维混凝土（约占3%左右）。

四、聚丙烯纤维混凝土在国内的发展状况
我国研究和应用纤维混凝土始于20世纪70年代。

如今，纤维混凝土的应用范围日益广泛，除建筑结构构件（如波纹瓦，屋面板，内墙装饰墙板、楼板等）外，已成功地推广于公路路面、机场跑道、桥面铺装、薄壁水管、水工大坝防渗面板装头等工程均取得了显著的技术经济效果。

，中国土木工程学会纤维水泥与纤维混凝土委员会在1986年在大连召开了第一届全国纤维混凝土学术会议。

此后又分别在哈尔滨（1988）、武汉（1990）、南京（1992）、南海（1994）、重庆（1996）、井冈山（1998）、济南（2000）召开了历届纤维水泥混凝土学术会议，并于1997年召开了国际纤维混凝土学术会议，对我国纤维混凝土的研究与开发起到了促进作用。

随着纤维混凝土在中国的推广使用，国内的研究者开始关注并研究相关的理论问题。

我国于1992年开始，进行改性聚丙烯纤维的研制，近几年将生产技术推广到一些企业，在道路、城市广场等建设中应用。

东华大学对改性聚丙烯纤维的研究比较深入，已研究出异性截面纤维、表面活性纤维，目前正在研究第四代纤维，即纳米技术改性纤维。

在聚丙烯纤维混凝土的理论研究方面，专家研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出了低掺率合成纤维在混凝土具有阻裂和增韧作用。

聚丙烯纤维比石棉纤维更能吸收能量，当掺量小于1%（体积分数）时，虽不能提高混凝土强度，却能大幅度提高其抗弯性能及抗拉性；当掺量较高时，不仅能减小混凝土的脆性，而且能增强水泥基体的极限强度。

华渊等人发现聚丙烯纤维的加入能有效提高混凝土的抗裂性能，当体积率在0.7%~0.9%之间而其他条件基本相同时，聚丙烯纤维混凝土配筋梁的断裂抗拉性、初裂荷载、裂缝平均间距分别是基准混凝土配筋梁的18~24倍、1.32~1.37倍和56%~6 %。

戴建国等人研究了低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度，指出聚丙烯纤维在工程中不但可以作为非结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构延性，同时还给出了可用于计算低弹性模量纤维混凝土构件抗弯承载力的指标和计算方法。

廖宪廷等的实验结果表明改性聚丙烯纤维与水泥基体之间粘结力较强，纤维加入增加了材料的耐磨性。

在中国工程界应用合成纤维混凝土的局面正在形成。

1993年，上海建筑研究院开始研究合成纤维在混凝土中的应用。

1994年该院对聚丙烯纤维的性能进行了深入的研究，确定了聚丙烯纤维可以大大改善混凝土的抗裂性和抗渗性。

1996年上海瑞安广场地下工程采用聚丙烯纤维混凝土，效果良好，没有发现因干缩而引起的微裂缝和渗漏现象。

2000年10月，复旦大学体育中心游泳馆露天游泳池采用聚丙烯纤维混凝土，成功解决了超长无遮盖架空式混凝土结构的技术难题。

2000年12月，宁波白溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土浇注面板坝获得成功，不仅为提高白溪水库面板坝的质量和耐久性起到了重要作用，也是我国水利工程混凝土技术的一项具有创新意义的突破。

五、玻璃纤维混凝土发展状况
玻璃纤维混凝土方面，在50年代末，中国和苏、美、波等国开始研究玻璃纤维增强混凝土，当时采用的是中碱和无碱玻璃纤维。

它在短期内具有很好的特性，但使用后发现，一年内它的强度大幅度下降，玻璃纤维甚至粉化，为此玻璃纤维增强混凝土的研究终止了一段时间。

1968年，英国的A.J.Majumdar发明了含锆的耐碱玻璃纤维(Cem Fll)，并由Pilkington 公司生产，后在许多国家和地区推广使用。

英国建筑研究中心对这种玻璃纤维与波特兰水泥匹配生产的玻璃纤维增强混凝土(简称GRC)的耐久性进行了大量的研究，发现该种玻璃纤维增强水泥在英国加斯敦地区大气中五年的强度比28天强度下降很多，抗折强度保留率只有40%~60%，十年时为38%~42.8%。

后来，英国又研究开发了经被覆盖处理的耐碱玻璃纤维。

这种玻璃纤维中加入了一种化学抑制剂，在水泥浆体中它能缓慢的释放到玻璃纤维周围的碱性环境中抑制玻璃纤维与水泥之间的相互作用。

当前一致的认识是当含锆的玻璃纤维置于碱性介质中时，Zr-O键仅受到OH-的轻微腐蚀（与Si-O键相比）。

玻璃纤维表面锆离子浓度的增加可以起到逐渐减少可被侵蚀表面的作用，使侵蚀过程最终停止，整个表面被锆离子或含
锆的产物覆盖。

这意味着耐碱玻璃纤维自体对水泥浆体的碱性环境能形成一定的免疫力。

近年来，高效减水剂在国内外的推广应用，使混凝土的水胶比可以大幅度下降，使得大掺量粉煤灰成为可能，这就使混凝土体的渗透性大大降低，对各种侵蚀作用的抵抗力就能明显的提高（因为混凝土多孔材料的特性，不同形式水分的存在与迁移，是其出现耐久性症结的所在）。

大掺量粉煤灰混凝土，既经济又有利于生态环境，有利于延长混凝土的使用寿命。

六、纤维混凝土的阻裂机理
（1）纤维间距理论
纤维间距理论是1963年由Romualdi.J.P和Batson.J.B提出的。

该理论建立在线弹性断裂力学的基础上，认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，在施加外力时，孔、缝部位产生大的应力集中引起裂缝的扩散，最终导致结构破坏。

因此，提高像混凝土一类脆性材料的抗拉强度，减少与缩小其裂缝源的尺度和数量，缓和裂缝尖端应力集中程度，提高抑制裂缝引伸与发展的能力是至关重要的。

（2）混合原理
将这一理论用于分析纤维增强或其他复合材料时大多是将复合材料视为多相体；对纤维混凝土的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料，复合材料的性能为各相性能的加和值。

（3）顺向不连续纤维复合材料的理论模式
该理论假定在不连续纤维的复合材料中，纤维长度一定，在基体中有规律地沿受力方向分布，荷载由基体通过基体和纤维的界面传递给纤维，由于纤维和基体在应变上的差异将在纤维周围沿着纤维轴向产生分布不均匀的剪应力，剪应力是沿纤维两端最大，当中位零；拉应力则相反。

其间的粘结使得（剪应力）基体中传给纤维的力经过一定的传递长度后，才使纤维中的拉应力达到恒定值。

复合材料的破坏形态是纤维被拉断。

（4）乱向不连续纤维复合材料理论
这是当今最常用的配纤方式，它与定向连续纤维复合材料相比最大的不同点是纤维的乱向分布和短尺度，因此，在分析乱向短纤维复合材料时，必须同时考虑纤维的取向、长度及其与基体的界面粘结性状。

该理论需要同时考虑以下几个参数，方向有效系数，界面粘结系数，长度有效系数以及极限强度和临界体积率。

七、混杂纤维混凝土研究现状
纤维增强混凝土是一种新型复合材料。

研究者和工程技术人员往往只是关注单一纤维增韧混凝土的性能，对混杂纤维混凝土各种性能的研究甚少。

众所周知，混凝土是多相、多层次的复合材料，小到微米级的C-S-H凝胶，粗到毫米级的砂子，大到厘米级的碎石，如果只是掺入单一纤维，势必仅仅改善了混凝土某一层次的性能。

为了从整体上提高混凝土的性能，所加入的纤维理应也是多层次的，即混杂纤维。

需指出的是，这里的混杂概念包括两种含义：一是不同品种纤维相同几何形态的混杂；二是同种品种不同几何形态的纤维混杂。

在国内，华渊等研究了碳纤维——聚丙烯纤维，钢纤维——聚丙烯纤维及耐碱玻璃纤维——聚乙烯混杂纤维混凝土的抗压、抗弯、抗拉强度随两种纤维体积率变化的规律，发现存在正负两种混杂效果。

认为正效应是高弹性模量纤维在宏观层次上增强——承受拉应力能力增强，高延性纤维纤维在微观层次上增韧——延缓或阻止裂纹的扩展，从而产生协同作用的结果；而负效应则是由于两种纤维在基体中的平均间距小到一定距离后，纤维间相互搭接、交叉、缠绕、重叠，从而与水泥浆体的接触面积减少，与基体的粘接削弱，以致增韧效果减小。

而这种混杂效应直接与混杂纤维的体积率有关。

孙伟等认为纤维的混杂效应与孔结构密切联系，以合适的混杂比进行纤维混杂对孔结构有很好的改善，且明显提高了混凝土的抗渗性能。

八、纤维混凝土发展趋势
依据不同不同纤维的特性制定相应技术标准，合理选择满足技术指标要求、经济耐久并且有利于可持续发展要求的纤维或纤维组合是纤维应用的基本原则，也是纤维增强混凝土发展的趋势。

成本和性能是制约纤维混凝土应用的最主要原因。

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