浅谈纤维增强水泥基复合材料

聚丙烯单丝
0． 91 400 ～ 650 0． 5 ～ 0． 7 18． 0
聚丙烯膜裂纤维 0． 91 400 ～ 650 0． 8 ～ 1． 0
8． 0 0． 29 ～ 0． 46
尼龙纤维
1． 16 900 ～ 960 0． 5 ～ 0． 6 18． 0 ～ 20． 0
聚乙烯单丝
0． 96 200 ～ 260 0． 22 ～ 0． 25 10． 0
当使用连续的长纤维时，纤维增强水泥基复合
材料的抗拉极限强度公式为
第5 期
王 冰： 浅谈纤维增强水泥基复合材料
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Rufc = Ruf Vf
（ 2）
式中，Rufc 为纤维增强水泥基复合材料的抗拉极
限强度，R
u f
为纤维的抗拉极限强度，Vf
为纤维的体
积。
当使用短纤维时，纤维增强水泥基复合材料的
抗拉极限强度公式为
维（ PRD － 49） 都是高弹模纤维，抗拉强度也较高，聚
乙烯纤维、尼 龙 纤 维、聚 丙 烯 纤 维 等 都 是 低 弹 模 纤
维，但这几种纤维的极限伸长率较大，使用时应根据
不同需求选择纤维种类。
表 2 几种主要纤维的物理力学性能［3 － 5］
纤维名称
相对 密度
抗拉强度 （ MPa）
弹性模量 极限伸长率
验计算韧性指数 I5 、I10 、I30 ：
I5
=
A1 + A2 A1
I10
=
A1
+
A2 A1
+ A3
I30
=
A1
+
A2 + A3 A1
+ A4
式中，A1 是初裂挠度为 δ 时荷载—挠度曲线下
的面积，A2 是挠度为 δ 和 3δ 之间的荷载—挠度曲
线下的面积，A3 是挠度为 3δ 和 5． 5δ 之间的荷载—
控制基体的韧性和初始缺陷尺寸，使用细砂 需控制化学粘结能 Gd 和粘结应力 τ0 应变 － 硬化 ＞ 3% ，可达到 8%
裂缝宽度 无限值
一般为几 百 个 μm，当 拉 应 变 ε ＞ 1． 5% 时，裂缝宽度无限值
在应变 － 硬化阶段，裂缝宽度一般 ＜ 100μm
工艺 可实现自密实可挤压成型
由于纤维体 积 掺 量 高，不 易 实 现 自 密 实， 经常需要高频振动，可实现挤压成型
龙、聚丙烯、聚乙烯、有机纤维等，高弹模纤维有钢纤
维、玻璃纤维、碳纤维等。低弹模纤维只能改善水泥
基复合材料的韧性，而高弹模纤维不仅能提高水泥
基复合材料的韧性，还能大幅度增强其抗拉强度和
刚性。
纤维的不同特性使纤维增强水泥基复合材料具
备不同的性能。表 2 是几种主要纤维的物理力学性 能［3，4］，可以看 出 钢 纤 维、碳 纤 维、芳 族 聚 酰 亚 胺 纤
表 4 UHTCC 与 FRC 和 HPFRC 的比较［5，7］
普通纤维混凝土
一般高性能纤维 增强水泥基复合材料
UHTCC
设计方法 普通设计方法
纤维体积掺量高
微观力学，考虑成本和施工，纤维体积掺量低
纤维
任何类型纤 维，一 般 情 况，纤 维 体 积掺量 Vf ＜ 2% ，钢纤维直径 df ～ 500μm
等。
其中弯曲韧性是反映纤维增强水泥基复合材料
内在品质的重要指标，是评价纤维增强水泥基复合
材料韧性和开发设计控制其种类、配比的重要指标。 弯曲韧性主要有四种代表性方法［2，11］：
3． 1 美国 ASTM － C1018 韧度指数法 美国 ASTM － C1018 韧度指数法［12］的试件尺寸
采用 100mm × 100mm × 350mm，通过三分点加载试
挠度曲线下的面积，A4 是挠度为 5． 5δ 和 15． 5δ 之
间的荷载—挠度曲线下的面积。
我国《钢纤维混凝土试验方法》CECS13： 89 中
的弯曲韧性基本上采用这种试验方法，并且明确了
钢纤维初裂强度测定方法，初裂强度按下式计算：
关键词： 纤维增强水泥基复合材料; 阻裂机理; 评价方法; 工程应用 中图分类号： U414． 01 文献标识码： B 文章编号： 1673 － 6052（ 2013） 05 － 0005 － 04
纤维增强水泥基复合材料以水泥净浆、砂浆或
混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维
作增强材料所组成水泥基复合材料的总称。纤维增
Rufc = 2η1 η0
l d
τVf
（ 3）
式中，η1 为纤维有效长度系数，dl 为纤维的长
度与直径的比值（ 长径比） ，τ 为纤维与水泥基材的
平均粘结强度，η0 为纤维在纤维增强水泥基复合材 料中的取向系数，Vf 为纤维的体积。 2． 3 抗冻融机理［11］
水泥基复合材料中掺入纤维能增加复合材料中
第5 期
北方交通
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浅谈纤维增强水泥基复合材料
王 冰1，2
（ 1． 辽宁省交通科学研究院，沈阳 110015； 2． 浙江大学，杭州 310000）
摘 要： 纤维增强水泥基复合材料作为新型工程材料已在土木工程多领域中得到广泛地应用。对纤维增强水 泥基复合材料的类型、阻裂机理、评价方法和工程应用等各方面加以介绍，探讨纤维增强水泥基制品工业今后的发 展方向，为不同类型的纤维增强水泥基复合材料产品在实际工程中的设计和应用提供参考。
对比项
纤维增强水泥
纤维增强混凝土
水泥基体
水泥净浆或砂浆
混凝土
纤维长度
短纤维、长纤维、纤维织物或短纤维 与长纤维（ 或纤维织物） 并用
短纤维
纤维体积率
1% ～ 20%
0． 05% ～ 2%
复合材料的制备 采用专门的工艺与装备
一般采用普通混凝土的 工艺与装备
复 合 材 料 的 物 有显著的改进或提高，尤其是力学 某些性能无影响，某些性
Rumualdi 等提出了纤维增强水泥基复合材料 中纤维呈三维乱向排列时的纤维平均间距计算公式
槡 S = 13． 8d 1 Vf
（ 1）
式中，S为纤维的平均间距，d 为纤维直径，Vf 为
纤维体积率。
2． 2 复合材料理论［1］
复合材料理论是考虑纤维在基体中的连续性、
分散均匀性和分布方向对水泥基复合材料增强效果
芳族聚酰亚胺纤维 （ PRD － 49）
1． 45
2900
13． 3
2． 1
芳族聚酰亚胺纤维 （ PRD － 29）
1． 45
2900
6． 9
4． 0
碳纤维（ 高强度） 1． 74 2450 ～ 3150 24． 5 ～ 31． 5 1． 0
表 3 介绍了几种主要纤维混凝土的耐久性情况，
可看出相对于普通钢筋混凝土，玻璃纤维混凝土、芳
力学性能试验方法包括立方体抗压强度试验、
轴心抗压强度试验、静力受压弹性模量试验、劈裂抗
拉强度试验、直接拉拔强度试验、抗剪强度试验、抗
折强度试验、抗折弹性模量试验、弯曲韧性试验、抗
冲击性试验等。耐久性试验方法包括抗冻性能试
验、抗水渗透性能试验、收缩试验、碳化性能试验等。
断裂试验方法包括楔入劈拉试验、三点弯曲梁试验
间距小，增加了冻融损伤过程中的能量耗损，有效阻
止了裂缝的扩展，降低水泥和混凝土的冻胀开裂，提
高水泥基复合材料的抗冻能力。
3 纤维增强水泥基复合材料的评价方法
为全面反映纤维增强水泥基复合材料的内在品
质，需要评价纤维增强水泥基复合材料的性能，评价
方法主要有力学性能试验方法、耐久性试验方法和
断裂试验方法。
改性聚乙烯醇纤维 1． 30 800 ～ 850 1． 2 ～ 1． 4 11． 0 ～ 12． 0
高模量聚乙烯醇纤维 1． 30 1200 ～ 1500 3． 0 ～ 3． 5 5． 0 ～ 7． 0
改性聚丙烯腈纤维 1． 18 830 ～ 940 1． 6 ～ 1． 9 9． 0 ～ 11． 0
能够实现自密实，能实现挤压成型
2 纤维增强水泥基复合材料的阻裂机理 2． 1 纤维间距理论［1，11］
纤维间距理论是根据断裂力学解释纤维对混凝 土中裂缝的阻裂作用，这一机理认为： 水泥和混凝土 内部本身存在尺度不同的微裂缝、空隙和缺陷，欲提 高这种材料的强度，必须尽可能减小缺陷的程度，提 高这种材料的韧性，降低内部裂缝端部的应力集中 系数，降低裂缝的数量和尺度。而纤维的加入有效 地提高了基体阻止裂缝发生和扩展的能力，达到纤 维对混凝土的增强目的。当纤维的间距小于某一值 后复合材料的抗拉强度会提高。Rumualdi 等人认 为，当纤维的平均中心间距小于 7． 6mm 时，纤维增 强水泥基复合材料的抗拉或抗弯初裂强度得以显著 提高。
理、力学性能
性能
能有适度改进或提高பைடு நூலகம்
应用范围
主要用于制作薄壁（ 厚度 3 ～ 20mm） 主要用于现场浇筑的构
的预制品
件或构筑物
根据纤维弹性模量的高低可将纤维增强水泥基
※基金项目： 浙江省科研项目择优资助（ Bsh1201023）
复合材料分为低弹模纤维增强水泥基复合材料和高
弹模纤维增强水泥基复合材料。低弹模纤维有尼
表中： － 表示低； o 表示平均水平； + 表示良好； ++表示优秀，密 普通纤维混凝土、一般高性能纤维增强水泥基复合
度以小为优
近年一 种 超 高 韧 性 纤 维 增 强 水 泥 材 料 （ Ultra High Toughness Cementitious Composites ，简 称
材料仅通过调整纤维掺量来实现特性的方法具有更 显著的区别和优势。
104（ MPa）
（ %）
泊松比
低碳钢纤维
0． 78 400 ～ 1500 20． 0 ～ 21． 0 3． 5 ～ 4． 0 0． 30 ～ 0． 33
不锈钢纤维
7． 80 2100 15． 4 ～ 16． 8 3． 0
抗碱玻璃纤维
2． 70 1400 ～ 2500 7． 0 ～ 8． 0 2． 0 ～ 3． 5 0． 22
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北方交通
2013
族聚酰亚胺纤维混凝土、碳纤维混凝土在酸性环境、 UHTCC） 逐渐兴起，并迅速在土木工程中得到广泛
碳化潮湿环境和海水中都显示出优越的耐久性。
表 3 几种纤维材料耐久性的对比［5］
特性
拉伸强度 长期强度 疲劳限值 碱性环境 酸性环境 碳化潮湿环境
海水中
玻璃纤维 芳族聚酰亚胺 碳纤维 普通钢筋
裂机理、评价方法和工程应用等方面加以介绍，为不
同类型的纤维增强水泥基复合材料产品在实际工程
中的设计和应用提供参考。
1 纤维增强水泥基复合材料类型
因基体组成不同，可将纤维增强水泥基复合材
料分为“纤维增强水泥”和“纤维增强混凝土”，两种 类型的对比如表 1［2］。
表 1 纤维增强水泥与纤维增强混凝土的对比［2］
大多采用钢纤维，一般情况，纤维体积掺 量 Vf ＞ 5% ，纤维直径 df ～ 150μm
经过特殊处理的纤维，主要为聚合物纤维，一 般情况，纤维体积掺量 Vf ＜ 2% ，纤维直径 df ＜ 50μm
基体 使用粗骨料 界面 无控制 抗拉性能 应变 － 软化 拉应变 ＜ 0． 10%
使用精细骨料 无控制 应变 － 硬化 ＜ 1． 5%
的含气量，当孔隙内水冻结时，这些微小封闭气泡被
压缩，可有效减轻冰冻给孔隙带来的胀压力，提高水
泥和混凝土的抗冻能力； 一些纤维的弹性模量随温
度的降低而提高，低温条件下对纤维水泥基复合材
料的抗冻能力起着正面增强效应； 纤维的桥接作用
能够改善水泥基复合材料的内部缺陷，增强复合材
料自身抵抗冻融的能力； 纤维直径小、数量大、纤维
的影响，将纤维增强水泥基复合材料看作是一种纤
维强化体系。复合材料理论将复合材料视为多相系
统，在弹性范围内，复合材料的弹性模量和强度性能
可视为复合体内各相性能的叠加，通过应用混合原
理推定纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度，建立
纤维增强水泥基复合材料的抗拉强度与纤维的掺入
量、方向、长径比及粘结力之间的关系。
强水泥基复合材料具有抗裂、大延性、高韧性、抗冲
击、抗渗、抗剪、耐高温、耐腐蚀、良好的化学稳定性
和优越的能量吸收能力，在减小混凝土裂缝、提高混
凝土耐久性、改善混凝土脆性破坏、电学性能等方面
都起了重要作用。随着人们对工程质量的要求日益
提高，对纤维增强水泥基复合材料的需求也不断发
展变化，本文对纤维增强水泥基复合材料的类型、阻
混凝土 +
纤维混凝土 混凝土 混凝土
+
++
+
o
o
+
+
－
++
+
+
－
+
+
++
+
++
++
－
+
++
++
－
+
++
++
－
重视。UHTCC 材料采用 PVA 纤维增强水泥，其极 限拉伸强度为 5 ～ 10MPa［6］，宏观极限拉应变可达到 3% ～ 7%［7 － 9］，这一抗裂指标可达普通混凝土极限 拉应变的 150 ～ 300 倍，其他普通纤维混凝土极限拉 应变的 30 ～ 300 倍［10］，极限荷载时裂缝宽度可控制 在 100μm 以内。表 4 为 UHTCC 材料与普通纤维混 凝土和一般高性能纤维增强水泥基复合材料的对 比。从表 4 中看出 UHTCC 在抗拉性能、拉应变、裂 缝宽度、工艺等众多方面都显示出自身的优越性，比