纤维混凝土的分类及应用研究

张哲　牛东旭

摘 要：随着我国建筑行业的快速发展，传统混凝土因某些基础性能不足已无法满足工程多样性的需要，纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）已逐渐成为适应行业发展趋势的新型建筑材料。混凝土中添加适量的纤维，抗裂性、耐久性、抗疲劳性、抗冲击性、拉伸性能等显著提高。FRC在工程上应用的领域范围不断扩大，且获得广大研究人员的一致认可。对纤维增强混凝土的机理进行了分析，总结了几种常见FRC以及混杂纤维混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete，HFRC）的特点，指出了几点不足并对应用前景进行了展望。

关键词：纤维;混凝土;强度;综合性能;展望

中图分类号：TU528     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）4-0082-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.04.018

Analysis on the Classification and Application of Fiber Concrete

ZHANG Zhe    NIU Dongxu

（School of Water Conservancy， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China ）

Abstract： With the development of China's construction industry， the traditional concrete can not meet the needs of Engineering diversity due to the lack of some basic properties. Fiber reinforced concrete （FRC） has gradually become a new building material to adapt to the development trend of the industry. The crack resistance， durability， fatigue resistance， impact resistance， tensile properties and so on are significantly improved by adding proper amount of fiber into concrete. The scope of application of FRC in engineering is expanding， and has been unanimously recognized by the majority of researchers.The mechanism of fiber reinforced concrete is analyzed， and the characteristics of several common FRCS and hybrid fiber reinforced concrete （HFRC） are summarized. Some shortcomings are pointed out and the application prospect is prospected.

Keywords： fibre; concrete; strength; comprehensive performance; expectation

0 引言

混凝土作為一种不可或缺的建筑材料在工程中被长期广泛应用，但逐渐显示出塑性收缩开裂、韧性差、抗拉强度低等自身缺陷。近年来，随着高层建筑和长跨度建筑的快速发展，混凝土应用的领域不断扩大，工作环境日趋复杂。因此，建筑行业对混凝土强度和力学性能的要求逐渐提高[1]。为了应对上述问题，FRC成为重要的替代品，并因其出色的力学性能在建筑行业中获得了广泛的研究和应用。FRC是一种多相非均质复合材料，以纤维材料（钢、碳、聚丙烯、玄武岩、玻璃等）为增强材料，以水泥浆、砂浆或混凝土作为基质[2]。

1 纤维的作用机理

1.1 基本理论

通常采用复合材料理论和纤维间距理论来解释FRC的增强机理[3]。前者基于复合材料的混合规律，后者是纤维和基体之间完美结合的理论。复合材料理论将FRC简化为纤维与混凝土各为一相的复合体系，将纤维的增强效果视为各相材料综合性能的累积。纤维间距理论基于线弹性断裂力学，认为混凝土内部存在大量缺陷（微孔隙、微裂纹），在外力作用下产生应力集中，引发微裂纹的萌生、扩展。混凝土基体中添加纤维后，纤维的约束作用抵抗微裂纹的萌生和扩展，降低了裂纹尖端应力集中的程度，进而达到增强的目的。

1.2 细观机理

桥接效应是纤维增强的主要机制[4]，这种效应发挥作用的前提是纤维均匀分布在混凝土基体中。纤维的添加可以桥接基体中形成的裂纹，当混凝土出现微裂纹时，起填充作用的纤维将连接微裂纹相邻表面之间的间隙，并改善混凝土的内部结构。随着裂纹进一步扩展，纤维将通过与基体的相互作用减小裂纹的宽度和面积。当裂纹最终形成时，乱向分布的纤维将形成三维网格结构，进一步连接裂纹并通过桥接效应传递分散应力。

2 几种常用的纤维

目前，工程上最常使用的纤维主要有钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等。

2.1 钢纤维

钢纤维与混凝土的结合已被证实可以改善各种力学性能，由于其在拉伸、能量耗散和抗裂性方面的优越性能，已获得越来越多的认可。钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）的增强效应主要与纤维形状、尺寸、长径比、体积分数密切相关。常用的钢纤维有弯钩形、大头形、集束形等几何形状。钢纤维被制造成各种形状，目的是抑制纤维从混凝土基体中拔出，从而提高混凝土的韧性。纤维的长度通常在6～80 mm之间变化，横截面积在0.1～1.5 mm2的范围内，一般建议纤维的长度为最大骨料尺寸的2～5倍。通常，增强效应随着纤维长径比的增加而增加，最常使用的纤维长径比在20～100之间。过大的长径比将导致纤维分散不均匀，混凝土拌合物的和易性变差。体积分数在配合比设计中具有重要的意义，纤维含量过低对混凝土性能的提高几乎没有任何作用，含量过高将增加搅拌的难度，对和易性产生不利影响。研究表明，体积分数的最佳范围为0.5%～2.5%。钢纤维作为使用最广泛的混凝土增强材料，优点主要表现在三个方面。第一，钢纤维具有较高的弹性模量和刚度，可以提高胶凝材料的延展性、韧性、抗折强度和抗剪强度;第二，当向钢纤维混凝土施加外部荷载时，钢纤维能够吸收能量、桥接裂纹、传递荷载并抑制裂纹扩展;第三，减少混凝土的收缩、徐变和渗透性。SFRC在抗冲击性、抗爆炸性能、抗疲劳性方面有了很大的提高，因此被广泛应用于军事和安全防护工程中。但在长期的使用过程中也暴露出易结团、施工和易性差、易锈蚀的缺点，致使在腐蚀环境下结构耐久性变差。

2.2 碳纤维

碳纤维是一种轻质复合材料，沥青、人造丝、聚丙烯腈、树脂等是制作碳纤维的原材料。沥青是炼焦和石化工业的副产品，因此，沥青是制备碳纤维的廉价原材料。聚丙烯腈基和沥青基两种类型的碳纤维可用于混凝土中，聚丙烯腈基碳纤维具有非常高的弹性模量和抗拉强度，主要应用于航空航天领域和生产体育设备。尽管聚丙烯腈基纤维是第一种应用于混凝土的离散短切碳纤维，但由于其生产成本高，目前很少用于土木工程中。沥青基碳纤维因成本较低，通常用于土木工程中。即使沥青基碳纤维的弹性模量低于聚丙烯腈基纤维，但由于其重量轻、耐磨性好、耐热性高等优点而被广泛应用于许多工业领域。碳纤维相比于其他纤维的突出优点是它的导电性、温度敏感性、压敏性较强。碳纤维混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concrete，CFRC）不仅具有更高的抗压强度、抗弯强度和断裂韧性，而且是一种智能混凝土，用于混凝土结构的健康监测与智能诊断。但由于碳纤维的直径小，一般在8 μm左右，导致其在混凝土中分散性较差。因此，应采用添加合适的分散剂或超声波振动的方法来达到其在混凝土中均匀分散的效果。利用分散剂分散碳纤维的步骤为：

①称量所需水、分散剂、消泡剂、碳纤维。

②将称好的分散剂缓慢地倒入到水中，一边倒一边用捣棒不停地搅拌，直到水变为凝胶状态为止。

③均匀地拨撒碳纤维到分散液中，继续搅拌，直到碳纤维在分散液中分散均匀。

④此时的分散液表面分布有很多微小气泡，加入消泡剂搅拌至分散液表面气泡消失，获得的碳纤维分散液可用于混凝土拌合物的搅拌，利用此种方法制作的CFRC具有优良的力学性能。

2.3 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是一种含100%聚丙烯基的人造材料，生产工艺流程简单，易于应用，被认为是混凝土的次要增强筋，聚丙烯纤维混凝土（Polypropylene Fiber Reinforced Concrete，PFRC）已在世界上许多基础设施建设和防护工程中广泛使用。聚丙烯纤维因其价格低廉、重量轻、可显著改善混凝土性能而备受工程的青睐。在混凝土搅拌过程中，聚丙烯纤维因表面疏水不会被水泥浆润湿，有助于防止切碎的纤维成球结团，减少了混凝土的沉降和泌水。加入适量的聚丙烯纤维，不仅能明显抑制混凝土的塑性收缩和裂纹扩展，而且能提高混凝土的渗透性、抗冲击性、耐久性。在提高渗透性方面，在高温环境下，PFRC内部的聚丙烯纤维熔化，形成的孔隙和微裂纹的连通增加了气体渗透性，从而防止剥落;在抵抗冲击性方面，聚丙烯纤维可以改善混凝土的动态力学性能。在动态荷载作用下，PFRC具有明显的应变率敏感性，强度和弹性模量随着应变率的增大而增加，峰值应变没有明确的变化规律;在耐久性方面，聚丙烯纤维耐酸碱，化学性质稳定，可与任何类型的水泥一同使用，不会在混凝土中发生腐蚀，能够抵御硫酸盐等其他化学物质的侵蚀。

2.4 玄武岩纤维

玄武岩纤维是由天然火山岩经熔化和拉伸而成，生产工艺环保，不产生任何有害物质，是一种新型、绿色、经济、高性能的无机纤维。玄武岩纤维具有明显不同于其他纤维的特性，强度远高于天然纤维和合成纤维，弹性模量与碳纤维在一个数量级，高于其他纤维。两种纤维的综合性能相当，但玄武岩纤维的生产成本仅是碳纤维的1/10。玄武岩纤维具有优异的物理和力学性能：耐酸碱性、良好的高温稳定性和润湿性，由于玄武岩纤维具有三维分子维数，与一维线性聚合物纤维相比，它具有更高的抗拉强度、剪切强度、抗压强度;在惡劣的环境中也能具有优异的适用性和耐老化性;能够改善混凝土的脆性，对于提高混凝土的延性效果明显。玄武岩纤维能够在提高混凝土韧性和防止混凝土裂纹扩展方面发挥重要作用，主要与三个方面有关。第一，玄武岩纤维从细观层面增强混凝土的性能，以其高弹性模量和抗拉强度在裂纹处充当桥梁，抑制裂纹扩展，提高了混凝土的吸能能力和韧性。第二，玄武岩纤维易于分散在混凝土中，呈单丝分布的纤维与基体形成密闭的空间网状结构来承担和分散应力。第三，玄武岩纤维作为一种无机材料，能够促进水泥的水化反应，与混凝土基体结合紧密并具有较高的界面结合强度;水化产物填充了混凝土内部微小孔洞，增加了密实度，进而提高了增强效果。

2.5 玻璃纤维

玻璃纤维是一种无机非金属材料，通过熔融玻璃直接制成。玻璃纤维价格便宜、重量轻、抗拉强度高，是一种良好的增强材料。混凝土中添加玻璃纤维后，抗压强度、抗拉强度和韧性显著提升。由于混凝土基体中各向分布的玻璃纤维能够降低混凝土的塑性流动且能有效地控制收缩裂纹，进而提高了抗压强度。玻璃纤维的长度与直径非常小，能够填补混凝土内部空隙，增加密实度，限制了混凝土的横向变形，导致抗拉强度提高。有玻璃纤维混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GFRC）最初是一种良好的韧性材料，但经长期风化作用后有变脆的趋势[10]。老化现象严重影响玻璃纤维混凝土的力学性能。随着时间的推移，由于风化作用或环境的影响加剧了玻璃纤维的损坏，从而对混凝土的力学性能产生不利影响。玻璃纤维的损坏归因于两种机制：一是混凝土碱性环境对玻璃纤维产生化学侵蚀，致使其强度降低;二是水泥的水化产物氢氧化钙沉积于玻璃纤维的表面使其出现缺陷。当GFRC受到外力作用时，玻璃纤维松动，没有调整的余地，从而失去韧性。为防止这些不利因素对混凝土耐久性的影响，在混凝土中使用耐碱玻璃纤维或外加剂是一种理想的选择。耐碱玻璃纤维是一种轻质、无腐蚀、环保、经济的新型材料，耐碱玻璃纤维混凝土具有防腐蚀性能，有助于提高混凝土的耐久性。在混凝土外加剂中，火山灰材料由于与水化过程产生的氢氧化钙发生化学反应，可防止水化产物在纤维周围堆积，并改善混凝土的力学性能。

3 混杂纤维混凝土

混凝土的变形破坏是一个渐进的多尺度过程，发生在微观和宏观两个层面。当仅使用一种类型和尺寸的纤维作为增强材料时，纤维的作用能力有限，因为它们明显限制了自身尺度下的裂纹扩展，并且对其他尺度下的断裂过程几乎没有影响。因此，采用不同尺寸、不同力学性能的纤维组合来使混凝土达到最佳性能，是一种合理的做法。HFRC因其优越的力学性能，被广泛应用于机场跑道、桥梁、道路、水利工程等重大工程中，是一种具有广阔发展前景的建筑材料。HFRC是指以合适的方式将两种或两种以上具有不同特性的纤维混合在一起，从而充分发挥每种纤维的优势，达到弥补混凝土自身缺陷的目的。在设计良好的混杂复合体系中，纤维之间存在正相互作用，由此产生的混杂性能超过了单个纤维性能的总和，这种现象被称为“混杂效应”。多种纤维组合可产生混杂效应。

混杂纤维的体积分数和混杂效应是影响HFRC物理力学性能的重要因素，体积分数和纤维的长径比有关，可以通过适当选择纤维的几何形状来调整长径比。混杂效应可以描述纤维混杂对混凝土力学行为的影响，通过引进“混杂效应系数”来评价。定义[β]为FRC较基准混凝土的纤维增强系数：

β=σ/σ（1）

式（1）中：σ为FRC的抗压强度，σ为基准混凝土的抗压强度。

将M纤维与N纤维以及混杂两种纤维FRC的纤维增强系数分别记为β、β、β，N，定义M、N两种纤维的混杂效应系数α，N为：

α=β/β⋅β （2）

HFRC中存在正、负两种混杂效应，当α>1时为正混杂效应，α<1时为负混杂效应。何晓雁等[5]开展了混杂纤维（玄武岩与聚丙烯）活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）的抗压试验，利用混杂效应系数（α）分析了上述两种纤维在RPC中的混杂效应，如表1所示。结果表明：当玄武岩纤维掺量为4 kg /m，聚丙烯纤维掺量为0.6 kg/m时，混杂效应系数达最大值。当玄武岩纤维掺量超过4 kg /m时，混杂效应系数略有下降，且纤维增强系数不随聚丙烯纤维掺量的增加而增加，说明聚丙烯纤维对RPC的增强作用效果较小，玄武岩纤维起主要增强作用。因此合理搭配纤维，选择适当掺量，能够发挥不同纤维的优势，获得正混杂效应。出现负混杂效应主要和纤维掺量过多有关，纤维无法在混凝土中分散均匀、结团严重，导致其对混凝土的增强作用失效。

4 结语

FRC是一种新型的工程材料，是混凝土改性的最新研究领域，是继钢筋混凝土之后的又一次重大进展。混凝土中掺入纤维后，各项性能提高明显，钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纖维以及混杂纤维在改善混凝土性能方面效果突出，并在实际工程应用中获得了检验。目前，我国关于FRC的研究已取得丰硕的成果，但仍存在三点不足。第一，没有找到十分简单均匀分散纤维的方法;第二，FRC的配合比设计基于普通混凝土，忽略了纤维的作用;第三，我国现有的FRC的规范都是根据钢纤维制定的，很少涉及其他纤维。伴随着建筑行业的发展，这些问题也会随着理论的逐渐成熟和技术水平的不断提高而被解决。根据实际工程需要，合理选用、科学搭配纤维制备具有优良性能的新型混凝土，必然是未来混凝土领域发展的方向和研究热点。

参考文献：

[1] 白卫峰，沈鋆鑫，管俊峰，等.基于统计损伤理论的混凝土应力：应变行为[J].建筑材料学报，2021，24（3）：551-561.

[2] 杨永生，王军.纤维再生混凝土基本力学性能试验[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2013，32（12）：1669-1672.

[3] ZHOU H， JIA B， HUANG H， et al. Experimental study on basic mechanical properties of basalt fiber reinforced concrete[J]. Materials， 2020， 13（6）： 1362.

[4] XIE J， KOU S， MA H， et al. Advances on properties of fiber reinforced recycled aggregate concrete： Experiments and models[J]. Construction and Building Materials， 2021：277.