纖維混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀與前景(之一)

纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料，是當(dāng)代混凝土改性研究的一個(gè)重要領(lǐng)域，近年來(lái)，以鋼纖維、合成纖維、碳纖維及玻璃纖維為代表的纖維，在混凝土中應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，纖維混凝土是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土之后的又一次重大突破。由于纖維和混凝土的共同作用，使混凝土具有一系列優(yōu)越的性能，因而受到國(guó)內(nèi)外工程界的極大關(guān)注和青睞，并廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。

一、纖維在混凝土中的作用在混凝土中摻入短而細(xì)且均勻分布的纖維后，明顯具有阻裂、增強(qiáng)和增韌的效果。纖維與水泥基材料復(fù)合的主要目的在于克服后者的弱點(diǎn)，以延長(zhǎng)其使用壽命，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。纖維在混凝土中主要起著以下三方面的作用：

1.阻裂作用纖維可阻礙混凝土中微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。水泥基體在澆注后的24小時(shí)內(nèi)抗拉強(qiáng)度低，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含水分急劇蒸發(fā)時(shí)，極易生成大量裂縫，此時(shí)，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成。混凝土硬化后，若仍處于約束狀態(tài)，因周?chē)h(huán)境溫度與濕度的變化，而使干縮引起的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。

2.增強(qiáng)作用混凝土不僅抗拉強(qiáng)度低，而且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證。當(dāng)混凝土中加入適當(dāng)?shù)睦w維后，可使混凝土的抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度等有一定的提高。

3.增韌作用纖維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開(kāi)裂，纖維還可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力，并可使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標(biāo)，一般用混凝土的荷載——撓度曲線或拉應(yīng)力——應(yīng)變曲線下的面積來(lái)表示。另外，還可提高和改善混凝土的抗凍性、抗?jié)B性以及耐久性等性能。

應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是纖維混凝土中纖維的作用，并非所有纖維都能同時(shí)起到以上三方面的作用，有時(shí)只起到其中兩方面或單一方面的作用，這與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的黏結(jié)狀況以及基體混凝土的類(lèi)別和強(qiáng)度等級(jí)等因素密切相關(guān)。

二、纖維的分類(lèi)和性能

1.纖維的分類(lèi)

纖維可以按照不同的原則進(jìn)行分類(lèi)。從工程實(shí)用觀點(diǎn)考慮，可按纖維的材質(zhì)、彈性模量以及長(zhǎng)度分類(lèi)，見(jiàn)表1.

表1　纖維分類(lèi)表

分類(lèi)原則	類(lèi)別
按纖維的材質(zhì)	金屬纖維——碳鋼纖維、不銹鋼纖維、鋼棉等。無(wú)機(jī)纖維——玻璃纖維、碳纖維、石棉、礦棉、陶瓷纖維、玄武巖纖維等。有機(jī)纖維天然纖維——纖維素纖維、麻纖維、草纖維等；合成纖維——聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維、聚乙烯醇纖維等。
按纖維的彈性模量	高彈性模量纖維——彈性模量高于水泥基體的纖維，如鋼纖維、石棉、礦棉、玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。低彈性模量纖維——彈性模量低于水泥基體的纖維，如聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。
按纖維的長(zhǎng)度	非連續(xù)的短纖維——如鋼纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維、玄武巖纖維等。連續(xù)的長(zhǎng)纖維——如連續(xù)的玻璃纖維、玄武巖纖維等。

2.纖維的主要力學(xué)性能

由于纖維品種的不同，它們的力學(xué)性能不盡相同，甚至其中某些性能指標(biāo)有較大差異。一般來(lái)說(shuō)，纖維抗拉強(qiáng)度均比水泥基體的抗拉強(qiáng)度要高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但不同品種纖維的彈性模量值相差很大，有些纖維的彈性模量高于水泥基體，而大多數(shù)有機(jī)纖維的彈性模量甚至低于水泥基體。纖維與水泥基體的彈性模量的比值對(duì)纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能有很大影響，如該比值愈大，則在承受拉伸或彎曲荷載時(shí)，纖維所分擔(dān)的應(yīng)力份額也愈大。纖維的斷裂延伸率一般要比水泥基體高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，但若纖維的斷裂延伸率過(guò)大，則往往使纖維與水泥基體過(guò)早脫離，因而未能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。表2列出增強(qiáng)水泥基材料用纖維的主要力學(xué)性能。

表２　增強(qiáng)水泥基材料用纖維的主要力學(xué)性能

纖維品種	密度	抗拉強(qiáng)度	彈性模量	斷裂延伸率
碳鋼纖維	7.80	500~2000	200~210	3.5~4.0
不銹鋼纖維	7.80	2000	150~170	3.0
抗堿玻璃纖維	2.70	1400~2500	70~75	2.0~3.5
溫石棉	2.60	500~1800	150~170	2.0~3.0
聚丙烯單絲纖維	0.91	500~600	3.5~4.8	15~18
聚丙烯膜裂纖維	0.91	500~700	5.0~6.0	15~20
高模量聚乙烯醇纖維	1.30	1200~1500	30~35	5~7
改性聚丙烯腈纖維	1.18	800~950	16~20	9~11
尼龍纖維	1.15	900~960	5.0~6.0	18~20
高密度聚乙烯纖維	0.97	2500	117	3.5
芳綸纖維	1.45	2800~2900	62~70	3.6~4.4
芳綸纖維	1.39	3000~3100	71~77	4.2~4.4
玄武巖纖維	2.8	4100~4840	93.1~110	3.1

三、纖維混凝土的分類(lèi)和特性

1.纖維混凝土的分類(lèi)

以水泥為主要組分的水泥基體材料可分為水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料以其基體的集料含量和粒徑不同，可分為：

纖維增強(qiáng)水泥凈漿：指在不含集料的水泥凈漿或摻有細(xì)粉活性材料或填料的水泥凈漿基體中摻入纖維。多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纖維水泥墻板等。

纖維增強(qiáng)水泥砂漿：指在含有細(xì)集料的水泥砂漿基體中摻入纖維。多用于防裂、抗?jié)B結(jié)構(gòu)。如聚丙烯纖維抹面砂漿、鋼纖維防水砂漿等。

通常將纖維增強(qiáng)水泥凈漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿統(tǒng)稱為纖維增強(qiáng)水泥。纖維增強(qiáng)水泥中的纖維，主要起著增強(qiáng)材料的作用，可明顯提高基體材料的抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊、抗疲勞等力學(xué)性能，不同程度地增進(jìn)復(fù)合材料的延性與韌性，主要用以制作薄壁的水泥制品。

纖維增強(qiáng)混凝土：指在含有粗、細(xì)集料的混凝土基體中摻入纖維，簡(jiǎn)稱為纖維混凝土。依混凝土基體的特征不同，可分為纖維普通混凝土、纖維高強(qiáng)混凝土、纖維膨脹混凝土、纖維耐火混凝土等。有時(shí)為了獲得需要的纖維混凝土特性和降低成本，將兩種或兩種以上纖維混合使用，或按纖維功能不同組合使用，分別稱為混合纖維混凝土或組合纖維混凝土。

按照纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量，其增強(qiáng)、增韌效果有明顯差異，故可分為兩類(lèi)：高彈性模量纖維混凝土和低彈性模量纖維混凝土。

通常，纖維是短切、亂向、均勻分布于混凝土基體中。但是有時(shí)采用連續(xù)的纖維分布于基體中，稱為連續(xù)纖維增強(qiáng)混凝土。

目前在不少國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料中，對(duì)纖維增強(qiáng)水泥和纖維增強(qiáng)混凝土往往不作明確區(qū)分，常把纖維增強(qiáng)水泥也稱纖維增強(qiáng)混凝土，這樣易引起混淆，誤以為在纖維增強(qiáng)混凝土中纖維也可起著主要增強(qiáng)材料的作用，試圖在某些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中減少作為主要增強(qiáng)材料的鋼筋的用量。再如，當(dāng)前國(guó)際上正在大力開(kāi)發(fā)的“活性粉末混凝土”，在有些國(guó)家又稱之為“超高性能混凝土”，實(shí)際上按其纖維摻量、水泥基體的組成以及復(fù)合材料的力學(xué)性能等，理應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)水泥，而不應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)混凝土，在該復(fù)合材料中纖維起著主要增強(qiáng)材料的作用，有助于大幅度提高抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊與抗疲勞等力學(xué)性能。

這樣的分類(lèi)主要是考慮到因基體的不同，而使纖維與基體的相互制約以及復(fù)合材料的制備工藝等有很大差異，從而影響到復(fù)合材料的一系列性能及其應(yīng)用范圍等。表3對(duì)纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土的主要不同點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。根據(jù)此表不難看出將纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分為兩大類(lèi)是合理的。

表３纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土的對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)目	纖維增強(qiáng)水泥	纖維增強(qiáng)混凝土
水泥基體材料	水泥凈漿或水泥砂漿	混凝土
纖維長(zhǎng)度	短纖維、長(zhǎng)纖維、纖維織物或短纖維與長(zhǎng)纖維并用	短纖維
纖維體積率	3%~20%	0.05%~2%
復(fù)合材料的制備	采用專(zhuān)門(mén)的工藝與裝備	一般采用普通混凝土的工藝與裝備
復(fù)合材料的物理力學(xué)性能	有顯著的改進(jìn)或提高，尤其是力學(xué)性能	某些性能無(wú)影響，某些性能有適度改進(jìn)或提高警
應(yīng)用范圍	主要用于制作薄壁的預(yù)制品	主要用于現(xiàn)澆注的構(gòu)件或構(gòu)筑物

應(yīng)該指出，迄今為止，國(guó)際上對(duì)纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的分類(lèi)是不明確的。不少國(guó)家將纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料等同于纖維增強(qiáng)混凝土。如國(guó)際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)的19-FRC委員會(huì)將纖維混凝土定義為“水硬性水泥不摻集料或摻有各種尺寸的集料，并摻有分散性的纖維增強(qiáng)體所組成”。按此定義顯然是包括了水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土三種基體。

再如，在中國(guó)與英國(guó)命名為玻璃纖維增強(qiáng)水泥的纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料，在美、法、德等國(guó)則命名為玻璃纖維增強(qiáng)混凝土。

國(guó)際上對(duì)纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分類(lèi)與命名的不一致，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)于有關(guān)的文獻(xiàn)中，應(yīng)注意區(qū)分所用水泥基體，以免將纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土混淆。

2.纖維混凝土的特性

在混凝土中摻入纖維，使混凝土性能發(fā)生明顯改善，與普通混凝土相比，纖維混凝土具有以下特性：

纖維在混凝土基體中可明顯降低早期收縮裂縫，并可降低溫度裂縫和長(zhǎng)期收縮裂縫。

纖維混凝土開(kāi)裂后，抵抗變形性能明顯改善，彎曲韌性提高幾倍到幾十倍，壓縮韌性也有一定程度的提高，極限應(yīng)變有所提高。受壓破壞時(shí)，基體裂而不碎。

高彈模的纖維混凝土對(duì)抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度提高明顯，對(duì)于低彈模的纖維混凝土變化幅度不大。

纖維混凝土的彎曲疲勞和受壓疲勞性能顯著提高。

具有優(yōu)良的抗沖擊、抗爆炸等性能。

高彈模纖維增強(qiáng)混凝土用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，可顯著提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度、抗沖切強(qiáng)度、局部受壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度，并延緩裂縫出現(xiàn)，降低裂縫寬度，提高構(gòu)件的裂后剛度，提高構(gòu)件的延性。

由于纖維可減少混凝土的微裂縫和阻礙宏觀裂縫擴(kuò)展，使混凝土的耐磨性、耐空蝕性、耐沖刷性、抗凍融性和抗?jié)B性有不同程度的提高。

某些特殊纖維配制的混凝土，其熱學(xué)性能、電學(xué)性能、耐久性能較普通混凝土也有變化。如碳纖維混凝土導(dǎo)電性能顯著提高，并具有一定“壓阻效應(yīng)”；低熔點(diǎn)合成纖維配制的纖維混凝土在火災(zāi)過(guò)程中，細(xì)微纖維熔化可降低混凝土的爆裂。

基體混凝土中摻入纖維后，會(huì)使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比設(shè)計(jì)和拌合工藝上采取相應(yīng)措施，使纖維在基體中分散均勻，拌合料具有良好的工作性。

提高混凝土的耐久性。

應(yīng)該說(shuō)明的是，纖維混凝土的上述特性，并非所有纖維混凝土都同時(shí)具有這些特性，纖維混凝土的特性與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的黏結(jié)狀況以及基體混凝土的類(lèi)別和強(qiáng)度等級(jí)等因素有關(guān)。

　　作者：王璋水