李名義，王亦龍，劉冰峰，馬 凱，劉 玨

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.長(zhǎng)沙麓谷實(shí)業(yè)發(fā)展股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.城市建設(shè)科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

混凝土是是由膠凝材料、水、外加劑、骨料以及礦物摻合料按照一定比例配制而成的一種水硬性膠凝材料，具有來源廣泛、價(jià)格低廉、生產(chǎn)工藝便捷且可模性好、抗壓強(qiáng)度較高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的復(fù)合材料之一。從當(dāng)前的科研進(jìn)展來看，還沒有一種新型材料可以較好的替代它，因此在今后相當(dāng)久的時(shí)間里混凝土仍是土木建筑領(lǐng)域內(nèi)的主力軍。為了克服混凝土自重大、質(zhì)脆易裂且抗拉彎強(qiáng)度低的缺陷，在混凝土添加纖維可以有效地提高混凝土的抗彎抗拉性能，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞的風(fēng)險(xiǎn)[1]。由于纖維的材性、尺寸、形狀以及摻量等變量較多，目前對(duì)混凝土影響規(guī)律的研究仍以試驗(yàn)及定性分析為主，得到的試驗(yàn)結(jié)果也各有差異，很難形成統(tǒng)一的指導(dǎo)纖維設(shè)計(jì)的理論規(guī)范。

1 纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

1.1 不同種類的纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

按照材料成分可將纖維大致分為3類，分別為金屬纖維（如鋼纖維、各類合金纖維）、有機(jī)纖維（如聚乙烯纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯纖維）和無機(jī)纖維（如玄武巖纖維、碳纖維）。每種用于水泥基材料的增強(qiáng)纖維都各有其優(yōu)缺點(diǎn)，不同學(xué)者對(duì)這些纖維進(jìn)行了大量的研究[2-7]。鋼纖維作為一種親水材料，與混凝土材料有很強(qiáng)的連接，這大大提高了混凝土的彎曲強(qiáng)度和耐久性能[2]。但是鋼纖維也存在易結(jié)團(tuán)、自重大且易銹蝕的缺點(diǎn)，成為其大規(guī)模應(yīng)用的阻礙[3]。與金屬纖維相比，聚丙烯纖維等有機(jī)纖維屬于低彈模纖維，在水泥基材料中表現(xiàn)出質(zhì)輕、高延性等特性，但對(duì)混凝土力學(xué)性能（主要是抗壓性能）的影響較小[4-5]。玄武巖纖維具有抗拉強(qiáng)度與彈性模量高的優(yōu)點(diǎn)，但是玄武巖纖維、碳纖維等無機(jī)纖維的造價(jià)都較為昂貴，且不利于混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度發(fā)展[6]。各纖維的加入都會(huì)使水泥基復(fù)合材料造價(jià)有較大幅度的提升，在相同的性能水平下表現(xiàn)下，混合纖維的成本往往還會(huì)低于單纖維混凝土，所以為了降低造價(jià)，混雜纖維的研究就顯得尤為重要[7]。

1.2 纖維尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

除了不同種類的纖維會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生影響，纖維的“長(zhǎng)短粗細(xì)”，即纖維的長(zhǎng)度、直徑、形狀等因素亦會(huì)對(duì)混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。這是因?yàn)槔w維的形態(tài)會(huì)通過影響纖維和混凝土基體間的界面粘結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)混凝土的力學(xué)性能造成影響。

王鈞等[8]研究了玄武巖纖維尺寸變化對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)相較于短纖維，長(zhǎng)纖維對(duì)混凝土抗壓和抗拉強(qiáng)度影響更大，尺寸效應(yīng)更好。這是因?yàn)槎糖欣w維與基體錨固區(qū)段也較短，當(dāng)試件發(fā)生受力變形后，其變形量不足以耗散這一部分的能量，為尋求新的力學(xué)平衡狀態(tài)，纖維發(fā)生斷裂；梁寧慧[9]通過研究不同尺寸的聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗拉性能的影響，發(fā)現(xiàn)在混凝土抗拉伸性能方面，相較于細(xì)的聚丙烯纖維，粗的聚丙烯纖維的增長(zhǎng)幅度更高。但是也不是說纖維越粗越長(zhǎng)越好，因?yàn)槔w維越是粗大，其與基體的缺陷也就越多，同時(shí)也會(huì)大大增加使用成本，影響大規(guī)模工程應(yīng)用；冉金玲等[10]研究了波形鋼纖維與普通鋼纖維的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)相較于普通直纖維和與鉤狀纖維，波紋狀鋼纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能具有更好的增強(qiáng)作用，其中抗拉伸性能比抗壓縮性能變現(xiàn)更為突出。一般來說纖維較多的形狀變化，意味著與混凝土基體的接觸面積也就越多，與基體結(jié)合也就越緊密，因此在增加韌性抵抗拉伸方面表現(xiàn)較為優(yōu)異。

1.3 纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

纖維在水泥基體中主要呈亂向分布，會(huì)對(duì)混凝土的流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響而降低其工作性能。合理的纖維摻量不僅能得到更優(yōu)良的力學(xué)性能，且對(duì)工作性能的影響也不會(huì)太大。因?yàn)檫^多的纖維加入會(huì)出現(xiàn)“結(jié)團(tuán)效應(yīng)”，反而不利于混凝土的力學(xué)性能，因此混凝土的力學(xué)性能幾乎都是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，找到其中最優(yōu)纖維摻量成為科研人員的主要任務(wù)之一。李福濤等[11]研究了玄武巖纖維高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的最佳摻量為體積分?jǐn)?shù)的0.3%，增大玄武巖纖維摻量時(shí)，抗壓與抗劈裂性能出現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。代旭東等[12]將有害物質(zhì)磷渣加入混凝土中，發(fā)現(xiàn)不同磷渣纖維的加入對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度總體呈下降的趨勢(shì)，但下降幅度并不大；抗?jié)B性能總體比素混凝土的對(duì)照組要好，在纖維摻量為0.6%時(shí)能承受的水壓力值達(dá)到峰值。吳偉[13]對(duì)碳纖維混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明隨著碳纖維摻量的增加，碳纖維混凝土縱波波速和抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之增加，且相對(duì)于其靜態(tài)強(qiáng)度，在動(dòng)載下其承載能力明顯增強(qiáng)，當(dāng)碳纖維摻量為0.4%時(shí)，在相同應(yīng)變率下其靜、動(dòng)載作用下試件強(qiáng)度增幅最大，性價(jià)比最高。

1.4 多纖維摻雜對(duì)混凝土的力學(xué)性能影響

在單纖維混凝土研究較為深入的基礎(chǔ)上，近幾年關(guān)于混雜纖維的概念越來越熱，即將兩種或兩種以上的纖維添加到混凝土中，尋找混雜纖維在混凝土環(huán)境中的正協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)混合纖維在阻止宏觀、微觀裂縫方面往往比單纖維類型更有效，因此混凝土中的纖維雜化是邁向未來的重要一步。

目前對(duì)復(fù)摻纖維的研究中，關(guān)于鋼纖維與聚丙烯纖維或聚丙烯醇纖維復(fù)摻的試驗(yàn)是最多的。羅素蓉等[14]通過在水泥基材料中單摻、復(fù)摻適量的聚丙烯醇纖維或鋼纖維，結(jié)果表明不管是單摻鋼纖維還是復(fù)摻鋼-PVA纖維都可以較大地提高基體的抗壓強(qiáng)度。但PVA纖維是作為次要加強(qiáng)筋起增韌作用，對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度并沒有很大正面貢獻(xiàn)，其摻量在0.15%時(shí)，鋼-PVA混雜纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度提升明顯。牛海成[15]等則是研究了單摻玻璃纖維、聚丙烯纖維以及兩者復(fù)摻對(duì)再生混凝土力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，單摻鋼纖維和復(fù)摻鋼-聚丙烯纖維都能極大地提高再生混凝土的抗彎曲性能，且最佳復(fù)摻比為0.05%的聚丙烯纖維加0.45%的玻璃纖維。邊亞東[16]研究了單摻聚丙烯纖維、玄武巖纖維以及兩者復(fù)摻對(duì)透水混凝土的透水與力學(xué)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著纖維的摻加會(huì)降低混凝土的透水系數(shù)，但對(duì)抗折強(qiáng)度和抗劈裂強(qiáng)度的提升也會(huì)更大；且當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.18%，玄武巖纖維纖維摻量為0.36%時(shí)，其抗彎強(qiáng)度和劈裂抗張拉強(qiáng)度達(dá)到峰值。合理的混雜纖維加入到混凝土可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)從而表現(xiàn)出各自的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以保持乃至增強(qiáng)其力學(xué)性能，而且可以通過較為廉價(jià)的纖維摻雜將成本降低，是未來大規(guī)模工程應(yīng)用的可行方向。但是混雜纖維混凝土的參數(shù)變量極多極廣，還需要進(jìn)行更加深入的研究探索。

2 纖維混凝土的耐久性及工程應(yīng)用

纖維混凝土的應(yīng)用研究目前也有了較為深入的進(jìn)展，目前已有將纖維混凝土應(yīng)用于墻梁板、框架結(jié)構(gòu)以及各類工程中的應(yīng)用實(shí)例。除此之外，纖維混凝土也比普通混凝土更適用于抵抗實(shí)際生活中存在的各類災(zāi)害，因此對(duì)結(jié)構(gòu)試件進(jìn)行了環(huán)境模擬研究對(duì)于人類在建筑工程中的安全具有重要意義。

魏久淇等[17]為了模擬在地震和爆炸情況下混凝土的性能表現(xiàn)，開展了多種強(qiáng)度的超高性能混凝土（UHPC）接觸爆炸試驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同沖擊強(qiáng)度下，強(qiáng)度更高的UHPC板其正面破壞程度也較輕；皇名等[18]則是對(duì)玄武巖纖維混凝土在彎曲荷載下的抗疲勞性能展開研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)力水平相同時(shí)，玄武巖纖維混凝土的彎曲疲勞壽命是遠(yuǎn)大于素混凝土的，而且隨著玄武巖纖維摻量增加基體的抗彎疲勞壽命也得到提升。

3 結(jié)語

纖維混凝土是新時(shí)代下提出的可以替代鋼筋混凝土的主要方案之一，得到世界各國(guó)科研人員的熱捧。但是纖維混凝土本身的參數(shù)變量極多且繁雜，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范與總結(jié)?；趪?guó)內(nèi)外已有的研究成果，從纖維自身的材性、尺寸、形狀以及摻量等變量出發(fā)，綜述其對(duì)增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能及耐久性影響規(guī)律，并對(duì)纖維混凝土的未來發(fā)展提出了以下5點(diǎn)建議。

（1）纖維種類方面。開發(fā)新型且適用的纖維是以前研發(fā)的重點(diǎn)，特點(diǎn)是對(duì)于廢棄資源的再利用方面，目前我國(guó)這方面的研究開發(fā)還較少，企業(yè)參與的數(shù)量也較少，在碳中和與碳達(dá)峰的政策下，還有很大的市場(chǎng)空間。

（2）纖維尺寸效應(yīng)方面。纖維的尺寸效應(yīng)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響并不大，但是纖維的形狀變化可以使與混凝土的界面間的粘結(jié)界面更緊密從而對(duì)混凝土力學(xué)性能起到正面影響。

（3）纖維摻量方面。目前對(duì)于纖維摻量的研究已經(jīng)較為完善，隨著纖維摻量的增多，混凝土的性能往往是先提高后降低，所以最合適的添加比例就在其峰值處。

（4）混雜摻量方面。目前對(duì)于混雜纖維的研究主要集中于鋼纖維與聚丙烯醇纖維或聚丙烯纖維，關(guān)于其他纖維復(fù)摻方面的研究較少，通過大量試驗(yàn)歸納總結(jié)出混雜纖維的正協(xié)同效應(yīng)是極為關(guān)鍵的一點(diǎn)。

（5）工程應(yīng)用方面。研究纖維混凝土在各種災(zāi)害后的性能變化規(guī)律對(duì)抵抗不利環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測(cè)具有重要意義。