纤维混凝土的研究进展
关键词:纤维增强混凝土；钢纤维；合成纤维；复合；高性能混凝土；可持续发展
0.前言
从1824水泥诞生至今不到200年的时间里，混凝土材料本身经历了一个不断发展的过程，从低强度、单一品种到高强、轻质混凝土家族。然而，普通混凝土材料本身存在抗拉强度低、延性差、在拉应力或冲击荷载作用下发生脆性破坏等缺陷，其冻融循环、抗收缩、耐磨等耐久性也较差，极大地影响和阻碍了混凝土的进一步应用。20世纪初，有人开始在混凝土中掺入短切纤维制成纤维混凝土，提高了混凝土的抗拉强度和脆性。因此，纤维混凝土在随后的几十年中得到了广泛的发展和应用。90年代以前，混凝土的发展单纯追求强度，但纤维混凝土的出现表明其向高性能发展，成为21世纪的“绿色”混凝土。资源、能源和环境问题一直是中国面临的问题。纤维混凝土性能优越，但需要更多水泥，消耗大量资源和能源。如何使纤维混凝土走上可持续发展的道路仍有待解决。
1.纤维增强混凝土的发展
水泥基材料是人造建筑材料，已有170多年的发展历史。强度一直是混凝土作为重要结构材料的主要性能指标，混凝土的高强度是多年来混凝土研发的方向。但是混凝土固有的弱点[3]-抗拉强度、抗弯强度、抗冲击性能、抗爆性和韧性差，仍然限制了其优势的发挥，而且随着混凝土强度的不断提高，这种弱点越来越突出。一般认为，混凝土强度越高，韧性越差，脆性越高，延性和抗裂性越小，给结构的抗震性能带来安全隐患。因此，许多学者长期以来一直在探索提高混凝土上述性能的方法。纤维混凝土是近年来研究和应用最广泛的重要方式之一。目前纤维混凝土主要有两种:一种是高弹性模量的短纤维混凝土，其代表纤维是钢纤维；第二种是弹性模量低的短纤维增强混凝土，代表纤维有聚丙烯、尼龙纤维。
纤维混凝土是一种以水泥浆、砂浆和粗骨料为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料的水泥基复合材料。它是将具有高抗拉强度、高极限伸长率和高耐碱性的短而细的纤维均匀分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维混凝土的发展始于二十世纪初，尤其是钢纤维混凝土的研究和应用最早也最广泛。早在1910，美国的H. F. Porter [7]就提出在水泥和混凝土中掺入短钢纤维以提高其抗拉强度，并发表了第一篇关于钢纤维混凝土的论文。1911年，美国格雷厄姆正式将钢纤维掺入混凝土中，初步验证了其优越性。1963中，美国学者Romuldi从理论上阐述了钢纤维的增强作用和机理，为钢纤维混凝土的进一步研究和发展奠定了理论基础，使其从小规模的探索和试验阶段飞跃到大规模发展的新阶段。美国在1990和1991召开了纤维混凝土专题报告，正式拉开了纤维混凝土研究和应用的序幕。65438-0995，韩国召开纤维增强水泥混凝土专题报告会，65438-0996，第三届国际水泥混凝土报告会在中国北京召开，表明纤维增强混凝土的研究和应用已经国际化。在国外，纤维增强水泥混凝土复合材料已经广泛应用于非承重构件。国内研究起步较晚。最初上海合成纤维研究所研究了尼龙短纤维对水泥混凝土的增强作用，安徽万伟公司用维尼纶增强混凝土。
目前，许多发展中国家已经开始研究制造以植物纤维为增强体的低成本纤维水泥制品[8]，一系列高性能纤维增强水泥基复合材料相继问世，并已初步应用于试点工程[9]。中国工程院院士吴忠伟[1]指出，复合是材料发展的主要方式之一，复合的技术思想是超叠加效应，即1+2 >: 3。纤维增强在复合中起着重要的作用。21世纪，纤维混凝土应向环保、经济、高性能方向发展，使纤维混凝土的优异性能给人类带来更大的社会效益和经济效益。
2.纤维增强混凝土的力学性能
纤维在水泥基体中的作用主要体现在三个方面:增强、防裂和增韧。
2.1增强
混凝土的抗拉能力仅为抗压能力的十分之一左右，在外荷载作用下往往呈现脆性破坏。从混凝土劈裂试验中可以明显看出，普通混凝土试块在达到极限荷载时突然断裂成两截，属于脆性破坏(图1)。纤维的加入能有效提高混凝土的抗拉强度。当基体混凝土出现裂缝时，部分荷载转移到纤维上，从而提高混凝土的抗拉能力。掺纤维混凝土试块劈裂抗拉强度试验的破坏过程表现出良好的伪延性。当达到极限抗拉强度时，并不是突然断成两半，而是许多微裂纹沿着中心线附近的主裂纹扩展，但整个块体始终被纤维所束缚(图2)。
2.2抗裂效果
当水泥基体处于塑性状态时，容易产生微裂缝，而在硬化过程中，收缩裂缝会因失水而扩大，产生新的裂缝。在水泥基体中加入纤维可以阻止原有裂缝的扩展，延缓裂缝的产生，使复合材料的抗渗性和抗冻性较基体有显著提高。普通水泥基层材料硬化后，当荷载达到基层材料的开裂荷载时，基层材料迅速开裂，并沿主裂缝迅速扩展，导致贯穿梁截面的脆性断裂。但由于大量短切纤维的存在，纤维混凝土在基体开裂后仍能承受荷载，使纤维混凝土表现出较高的延性，并在破坏前具有一定的征兆。
张一伦和邓宗才分别对聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的早期抗裂性能进行了试验研究。试验结果表明，纤维对混凝土和砂浆的抗裂效果显著，且在一定范围内随着纤维含量的增加效果更加显著。由于水灰比较低，高性能混凝土的自收缩主要发生在早期，会导致混凝土表面产生大量微裂缝。巴恒经[12]通过试验发现，1天的自收缩占28天自收缩的50%-60%，是高性能混凝土早期开裂的主要原因。在高性能混凝土中掺入一定量的纤维是解决早期开裂的理想方法。清华大学庞新峰[14]用平板试验[13]的方法研究了改性聚丙烯腈纤维对高性能混凝土早期抗裂性的影响，发现改性聚丙烯腈纤维与砂浆能很好的粘结在一起，掺入0.12%的纤维能明显抑制混凝土早期开裂。
2.3改善混凝土的变形能力(增韧作用)
纤维增强混凝土在受拉(弯曲)时，即使基体中已出现大量裂纹，仍能承受一定的载荷，具有伪延性，从而明显提高复合材料的韧性和抗冲击性能。纤维混凝土的这种伪延性使其变形能力远高于普通混凝土。韩荣等人[15]用对比试验的方法研究了钢纤维混凝土的拉应变。试验结果表明，钢纤维混凝土的应力-应变曲线具有明显的下降段和良好的伪延性。
混凝土材料的韧性，即混凝土材料的变形性能和吸能能力，对混凝土结构至关重要，特别是提高结构的抗震能力，意义重大。研究表明[16]，纤维的加入可以显著提高混凝土的弯曲韧性，并且随着纤维含量的增加，混凝土的弯曲韧性指数和剩余强度指数都在增加。在中国汶川地震中，许多房屋出现脆性破坏，没有给人们留下足够的逃生时间。纤维混凝土的应用将是提高结构抗震能力的重要手段。
3.纤维混凝土的应用
纤维混凝土自出现以来的100年间发展迅速，并广泛应用于工程领域。主要是钢纤维混凝土、碳纤维混凝土和合成纤维混凝土的应用研究。
3.1钢纤维混凝土
钢纤维混凝土最早出现于20世纪初，俄罗斯从65438年到0907年开始使用金属纤维混凝土。1910年美国H.F.Porter发表了短钢纤维混凝土的研究报告，19110年美国Grhama在普通混凝土中掺入了钢纤维。经过几十年的发展，钢纤维混凝土理论[17]已经基本成熟。大量的试验研究表明，钢纤维混凝土具有普通和更优异的力学性能，在工程中得到广泛应用。目前钢纤维混凝土广泛应用于几个领域:(1)建筑工程[19-20]:主要用于屋面防水；框架结构与高层建筑框架柱的连接提高了结构的抗震能力；哈尔滨工业大学润邵逸夫体育馆屋盖采用钢纤维混凝土。(2)路桥[21]:1997完成的南昆铁路夹竹箐隧道，由于选用钢纤维混凝土结构，顺利通过大断裂大变形地段。(3)水利工程:大渡河支流南崖河石棉二级电站已应用钢纤维，钢纤维混凝土的抗冲击性和耐磨性得到了很好的体现。
但当钢纤维的体积比超过一定范围时，容易结块，而且钢纤维的价格相对昂贵，增加了施工成本，限制了钢纤维混凝土的应用。
3.2碳纤维增强混凝土
碳纤维发展于20世纪60年代，具有较高的弹性模量和抗拉能力，一般用于结构加固[22][23]。碳纤维在刚性和强度方面比钢有更好的性能。与基准水泥基复合材料相比，碳纤维体积含量为3%的水泥基复合材料的弹性模量是基准水泥基复合材料的2倍，抗拉强度是基准水泥基复合材料的5倍[24]。然而，由于碳纤维价格昂贵，短切纤维在混凝土中的应用受到了限制，它以片材的形式广泛用于桥梁和房屋的加固。
3.3合成纤维混凝土
合成纤维有很多种，包括聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和聚乙烯醇纤维。由于其价格低廉、化学性能稳定、拉伸性能优异，自80年代以来在国外得到了广泛的研究和应用，尤其是聚丙烯纤维。20世纪90年代，广州至佛山高速公路工程、武汉长江大桥桥面工程和宁波柏溪水库混凝土面板堆石坝工程中使用了聚丙烯纤维。国内外对合成纤维混凝土力学性能的相关研究很多[26][27][28]，为合成纤维混凝土的应用完善了很多数据。合成纤维性价比高，所以在中国发展很快。主要用于建筑施工、桥梁铺装、游泳池等工程，效果很好。
3.4混杂纤维混凝土
混杂纤维混凝土是将两种或两种以上的纤维合理地结合到水泥基体中，产生一种既能充分发挥不同纤维的优势，又能体现其协同效应的新型复合材料。早在20世纪70年代，国外的Walton[29]和Majumdar就开始研究混杂纤维土，随后更多的研究者开展了这项研究。
我国对混杂纤维的研究相对较晚，直到20世纪70年代才有一些相关报道。目前，混杂纤维混凝土是一个研究热点，并取得了相关成果。仅用一种纤维来提高混凝土的强度和延性是不够的，因为纤维的体积比越大，其分散性越差，但不会起到增强增韧的作用。在混凝土中掺入不同性能的纤维，可以充分发挥各种纤维的性能，在不同的受力阶段和不同的结构层次上增强增韧，体现了两者的混杂效应。混杂纤维混凝土是一种多相复合材料，具有许多界面，其设计理论尚不完善。近年来，str oven[32]和Nandakumar[33]应用断裂力学研究了加筋理论，但还需要进一步研究。混杂纤维混凝土的工程应用不多，这与目前的研究进展有很大关系。随着研究的深入，混杂纤维混凝土的应用前景非常好。
3.5纤维混凝土局部加强构件的研究
在普通混凝土中加入纤维可以明显改善混凝土的力学性能，但同时也增加了混凝土的成本。为了提高混凝土的力学性能，最大限度地降低工程造价，提出了局部增强的概念，即在构件的受力部位使用纤维增强混凝土来改善构件的工作性能。基于“好钢用在刀刃上”的理念，纤维混凝土构件正在进一步研究，并取得了一些初步的研究成果。研究表明，利用纤维对弯曲距离较大的特殊部位进行局部加固，可以提高构件的承载力，降低过密钢筋的压力，增加构件的跨度，降低工程造价，无疑具有重要的工程意义。
国内外对纤维混凝土局部增强构件的研究不多，研究对象为钢纤维。国外早在80年代就有这方面的研究，并取得了一些成果[39][40]，主要是梁和柱。在梁柱节点中使用钢纤维混凝土，不仅节省了抗剪钢筋，而且提高了节点的抗剪和抗弯能力，改善了节点的抗疲劳性能，并在破坏时呈现出良好的延性。此后，Naaman[38]等人对预应力混凝土结构的抗震缝进行了研究。结果表明，这种钢纤维局部增强节点的延性和吸能能力明显高于混凝土节点，在地震时能起到良好的塑性铰作用。Swamy[18]做过梁的纤维混凝土局部加固试验，在受压区、受拉区、受拉区的混凝土表面进行了钢纤维混凝土的局部加固。试验结果表明，钢纤维混凝土的局部增强效果非常明显，其初始开裂荷载提高了10%，裂缝宽度减小，数量增加，挠度也大大减小，说明钢纤维的局部增强大大提高了梁的刚度。但是，他的研究是有限的，他的结论需要进一步完善和补充。我国学者高丹盈和赵军[35-37]在这方面继续研究，得到了钢纤维混凝土部分加固梁的规律:在构件0.3h内加入钢纤维可以提高构件的开裂弯矩，加固效果与全截面加入钢纤维一致。对于配有钢筋和钢纤维的局部钢筋混凝土梁，当钢纤维混凝土的层厚大于或等于hf ≥0.3 h时，钢筋可以完全切断。
采用平面钢纤维混凝土梁的计算方法计算抗裂弯矩Mfcr。这种纤维混凝土梁的加固效果与纤维加固相同，但纤维用量大大减少，成本也大大降低。
在我国，钢纤维混凝土局部加强构件已经在工程中得到应用，一般应用于框架的节点、桩尖、轨枕的关键部位等。，并取得了一定的经济效益。
4.存在的问题
纤维混凝土虽然能很大程度上提高混凝土的力学性能，但由于纤维的比表面积大，会降低混凝土中混凝土的流动性，需要更多的水泥浆包裹纤维，会增加单个混凝土的水泥用量。中国是一个发展中国家。据吴忠伟估计，2010年中国需要8亿吨水泥，接近当时世界产量的1/2。如此庞大的水泥工业，无论从能耗、物耗，尤其是环境负担来看，都是无法承受的。另外，生产这么大量的水泥，会给环境带来很大的压力。纤维与高性能混凝土的结合将是未来混凝土的发展趋势:一方面可以解决高性能混凝土的早期开裂问题，另一方面由于各种细矿物掺合料的存在，可以改善纤维混凝土的工作性能。为了使我国混凝土的发展走上可持续发展的道路，混凝土的发展应从以下几个方面进行:
(1)积极发展高性能混凝土，改善纤维混凝土的工作性能，减少水泥用量，合理利用工业废渣替代部分水泥，减少环境污染。
(2)积极探索新材料，复合是改善混凝土性能的重要手段，从复合的理论研究上提高混凝土的科学水平，探索水泥、廉价纤维和矿物掺合料的复合，充分发挥叠加效应和技术经济效益。
(3)加强研究方法，实验与理论分析相结合。对新材料力学性能的研究往往是通过实验来进行的，这就导致了材料力学分析与结构力学分析的分离。因此，应在结构模型中应用新材料，并进行软件模拟分析，验证试验结果的准确性，正确推导理论计算公式，更好地指导工程应用。
(4)加强纤维混凝土结构应用的理论研究。纤维混凝土已在工程中得到应用。赵军等人在这方面做了一些研究，但仅限于钢纤维混凝土的研究。作者目前正在研究混杂纤维混凝土的局部增强。局部纤维混凝土构件可以大大减少纤维用量，降低工程造价，改善混凝土性能，具有很大的经济效益。
我国科研人员在提高纤维混凝土工作性能和力学性能的同时，应考虑资源、能源和环境的关系，使纤维混凝土的发展走上可持续发展的道路。