1、纖維增強混凝土的研究進展(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)摘要：隨著現代混凝土技術的發展，對水泥混凝土提出了更高的要求, 它正朝著高強度、高韌性、高阻裂、高耐久性、高體積穩定性和優良的工 作性的方向發展。研究表明，在水泥基體中隨機分布一些纖維是提高混凝 土的韌性、耐沖擊性、抗滲性及耐收縮斷裂性的有效途徑。大量實驗乂證 明，在混凝土中加入少量的纖維，混凝土的抗壓強度變化不大，而混凝土 的抗彎強度、塑性收縮性能、抗滲性、抗凍性、抗沖擊性、抗腐蝕性有明 顯提高。本文在整理相關文獻基礎上，介紹了纖維增強混凝土的機理、常 用的增強纖維特別是聚丙烯纖維以及國內外的研究狀況，分析了纖維增強 混凝土

2、目前研究存在的問題和以后的發展前景。關鍵詞：纖維，增強混 凝土，裂紋，斷裂，基體，界血中國分類號文獻標識碼research progress of the fiber-reinforced concretechen qian(harbin institute of technology, harbin 150001)abstract: with the development of modern concrete technology, cement con crete n eeds higher requirements, it is moving in the di recti on of

3、 developme nt of high st re ngth, high tough ness, high resista nee b 訐 ida, high durability, high volume stability and excellent work studies have shown that the random distribution of some of the fibers in the cement matrix is toresista nee to shrink an effective way of breaki ng. a large nu mber

4、of experiments also proved that the addition of a small amount of fiber in con crete, compressive st re ngth of con crete little cha nge, the flexural strength of concrete, plastic shri nkage properties, impermeability, frost resista nee, impact resista nee, corrosion resistance improved, on the bas

5、is of compilation of re leva nt literature , the paper prese nts the mecha nism of fiber reinforced con crete, commonly used rein forcing fibers, polypropyle ne fiber, as well as domestic and foreign, and to an a lyze the fiber rein forced con crete problems to be solved and future development prosp

6、ectskeywords: fiber, rein forced concrete, cracks, fracture, matrix, interface 引言混凝土是一種多相復合材料，由于各組成材料性質的差異和施工養護 的影響，混凝土內部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影 響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強度，這也是混凝土呈脆性 破壞的主要原因。通過加入摻合料和化學外加劑實現混凝土的密實性和強 度的提高，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，混凝土的抗拉強度與 抗壓強度之比僅為6%作用，仍存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點。 隨著抗壓強度的提高，混凝土脆性表現得愈明顯。而

7、纖維具有抑制混凝土 收縮、提高混凝土抗拉強度、增加混凝土韌性的作用，能夠解決高強高性 能混凝土中出現的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題，也能適應現有施工 水平和設備條件。因此，纖維混凝土是當今混凝土技術發展的重要趨勢。1分類1.1鋼纖維混凝土普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的混凝土，稱為鋼纖維混凝土 或鋼纖維增強混凝土。與普通混凝土相比，其抗拉強度、抗彎強度、耐磨、 耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。早期混凝土 工程中采用的鋼纖維主要甜種有：用細鋼絲切斷牛產的圓直型鋼纖維，用 熔抽法生產的鋼纖維，用薄鋼板剪切生產的平直型或扭曲型鋼纖維。隨著 混凝土應用技術的發展，人們對鋼纖

8、維性能的認識不斷深入。根據試驗研 究和工程應用實際情況，鋼絲切斷圓直型纖維與基體的粘結性能差，碳鋼熔抽型纖維 在高溫冷卻過程中表面往往會形成氧化皮，從而嚴重降低了纖維與基體的 粘結性能。因而這幾種類型的鋼纖維在工程中被逐漸淘汰。相應的高強鋼 絲切斷端鉤型纖維、鋼錠銃削端鉤型纖維、剪切異型纖維、低合金鋼熔抽 型纖維，因其增強了與混凝上基體的粘結力，對混凝土的阻裂、增強、增 韌的效果顯著，在工程中逐漸得以廣泛應用。1.2碳纖維混凝土碳纖維混凝土是將碳纖維均勻地分散在水泥基體中，用以增加混凝土 的物理力學性能的一種復合材料。碳纖維混凝土的主要特征具有普通增強 型混凝土所不具備的優良機械性能、防水滲透

9、性能、耐自然溫差性能，在 強堿環境下具有穩定的化學性能、持久的機械強度和尺寸的穩定性。用 碳纖維収代鋼筋，可消除鋼筋混凝土的鹽水降解和劣化作用，使建筑構件 重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動阻尼特性, 可吸收震動波，使防震能力和抗彎強度提高十幾倍。碳纖維混凝土具有很 高的抗拉性、抗彎性、抗斷裂性、抗蝕性等特點。由于碳纖維的較小的膨 脹系數，碳纖維混凝土的耐熱性較好，溫度變形也較小。碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是：阻止混凝土內部微裂縫的擴展并 阻止宏觀裂縫的發生及發展。因此對于其抗拉強度和主耍由主拉應力控的 抗剪、抗彎、抗扭強度等均有明顯改善；同時具有高基體的抗變形能力, 從

10、而改善其抗拉、抗彎和沖擊韌性。碳纖維體積分數為1.18%時，試件劈拉強度提高1.2%,按復合規則，碳纖維的增強作應 隨水泥中纖維含量的增大而增加，在碳纖維的重量百分含量小于5%時， 這個關系幾乎是線性的，含量再增加時，碳纖維難以在基體中分散均勻, 不能起到增強效果，甚至使碳纖維混凝土抗拉強度降低。此外，碳纖維混 凝土還具有良好的耐腐蝕性、抗滲透性、耐磨性、耐干縮性及耐久性。1.3玻璃纖維混凝土玻璃纖維混凝上(grc)是將彈性模量較大的抗堿玻璃纖維，均勻地分布 于水泥砂漿、普通混凝土基材中而制得的一種復合材料。近20年來，玻 璃纖維混凝土在英國、美國、日本等40多個國家己開始大量應用。它將 輕質

11、、高強和高韌性優點集于一體，在建筑領域中占有獨特地位。特別自 20世紀90年代以來，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現，把玻璃 纖維混凝土技術引向新的發展階段。由于玻璃纖維的直徑僅為520 u m, 幾乎與水泥的顆粒相接近，使用玻璃纖維時，所用的結合材料為水泥漿, 或者在其中摻入細砂來使用，幾乎不使用粒徑較大的粗骨料。所以，用這 種素材制作而成的復合材料，乂稱為增強補強水泥。采用玻璃纖維混凝土 是建筑工程今后發展方向，它不僅可以彌補普通混凝土制品自重大、抗拉 強度低、耐沖擊性能差等不足，而且還具有普通混凝土所不具有的特性。 玻璃纖維混凝土制品較薄，質量較輕。由于采用抗拉強度極高的玻璃纖維 作

12、增強材料，因而其抗拉強度很高。玻璃纖維均勻分布于混凝土中，可以 防止混凝土制品的表面龜裂，由于在破壞時能大量吸收能量，因而耐沖擊 性能優良、抗彎強度較高。此外，玻璃纖維混凝土制品脫模性好、加工 方便，易做成各種形狀的異型制品。1.4聚丙烯纖維混凝土聚丙烯纖維混凝土（圖一）是將切成一定長度的聚丙烯纖維，均勻地 分布在水泥砂漿或普通混凝土的基材屮，用以增強基材的物理力學性能的 一種復合材料。這種纖維混凝土具有輕質、抗拉強度高、抗沖擊和抗裂性 能等優點，也可以以聚丙烯纖維代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，從而 增加結構的抗震能力。聚丙烯纖維混凝土是研究與應用最多的合成纖維混 凝譏。隨結晶度不同，聚丙烯

13、纖維的密度范i韋i為0.87-0.95 g/cm3,熔融溫 度10714rco根據纖維形狀和構造不同，聚丙烯纖維可分為單絲纖維、 并行的原纖化纖維束和薄膜纖維。單絲纖維有較高的長徑比，并行的原纖 化纖維束能方便地在水泥基體中分散，雖化學鍵連接有限，但機械粘結好，可使纖維受力時不被拔出。聚丙烯纖維的抗拉 強度雖然比普通混凝土高，但其彈性模量卻比較低，在較高應力情況下, 混凝土易達到極限變形。但在摻加適量聚丙烯纖維時，這種復合材料的抗 沖擊性能比普通混凝土要大得多，這為荷載不高但要求耐沖擊、高韌性構 件的制作，找到了一條很有發展前途的路子。此外，聚丙烯纖維不銹蝕， 其耐酸、耐堿性能也好。圖1聚丙烯

14、纖維和鋼纖維2纖維的作用纖維混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以金屬纖維、無機非 金屬纖維、合成纖維或天然纖維為增強材料組成的復合材料。由于纖維并 不改變混凝土中各種材料本身的化學性能，因而不會破壞混凝土的耐久性。 纖維在增強水泥基材纖維的抗拉強度、彈性模量和提高極限延伸率等方面 都遠較素混凝土大，將這些纖維摻入混凝土中，不但可有效地限制水泥基 體屮微裂縫的擴展，還可提高混凝土強度，彌補普通混凝土的自身缺陷， 延長其使用壽 命，擴大其應用領域。纖維加入水泥基體中，主要有以下 三方面的作用：（1）阻裂作用；混凝土內部缺陷是混凝土破壞的誘導因素，纖維加入后可阻止基體中 原有缺陷（微裂縫）的擴展

15、并有效延緩新裂紋的出現。這種阻裂作用既存在于硬化前的塑 性階段，也存在于硬化階段。混凝土未硬化前，由于水泥基體在澆注后24h 內抗拉強度較低，此時均勻分布于混凝土單位體積內較大數量的纖維，猶 如存在于混凝土內的大量微細筋，它們構成均勻亂向支撐體系，不但可承 受因塑形收縮引起的拉應力，還可有效地限制混凝土由于早期（塑性期和 硬化初期）離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發生和發展，減 小原生裂隙的數量和尺度。混凝土硬化以后，若基體仍處于約束狀態，當 因周圍環境溫度、濕度的變化而使干縮引起的拉應力超過其抗拉強度吋, 也極易生成大量裂縫，在這種情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。（2）增強作用；混

16、凝土不僅抗拉強度低，而且內部由于原材料、施工、養護和使用等 方面的原因不可避免地存在很多初始缺陷。在外荷載的作用下，這些缺陷 周圍應力分布不均勻，成為混凝土破壞的誘導因素。當混凝土中加入適量 的纖維后，在混凝土硬化過程中，均勻分布的短纖維可以起到改變混凝土 內部結構、減少混凝土內部缺陷的作用。在受力過程中，纖維與基休共同 承擔荷載、共同發生變形，即使在基體開裂后纖維仍能繼續承擔荷載，從 而使混凝土的抗拉強度、彎拉強度、抗剪強度和疲勞強度等有一定程度的 提咼。（3）增韌作用；混凝土凝固后，由于水泥與包裹水泥的纖維絲相粘連而形成亂向分布 的網狀增強系統，有利于限制裂縫的發展，增強混凝土的韌性。在荷

17、載作 用下，即使混凝土發生開裂，纖維還可以橫跨裂縫而承受一定拉應力，使 混凝土具有較高的剩余強度和極限應變。同時在混凝土受載過程中纖維還 可吸收大量能量，有效減少應力集中程度，阻礙裂縫的迅速擴展，增強混 凝土的抗沖擊能力。研究結果表明，將纖維摻入混凝土中，不僅能提高混 凝土的抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、抗剪強度和抗疲勞強度，而且還 能增強混凝土的耐磨性、抗侵蝕性、抗沖擊性、抗凍融性和抗滲性等耐久 性能，避免構件“脆斷”現象的發生。纖維在混凝土中的作用還與纖維品 種、性能、纖維與混凝土界面間的豁結狀況以及基休混凝土的類別和強度 等級等因素密切相關，并不是所有的纖維都能同時起到以上三種作用的。3

18、 纖維增強混凝土的機理關于纖維增強混凝土的機理，從20世紀60年代以來，學術界進行了 廣泛的研究，其屮最具有影響力是：基于復合材料力學的混合定律和建立 在斷裂力學基礎上的纖維間距理論。混合定律把纖維混凝土簡化為一種鋼 纖維為一相，混凝土基體為另一相的兩相復合材料，復合材料的各項性能 為基體性能和纖維性能的加權和。“纖維間距理論”又稱“纖維阻裂機理”， 是romualdi, batson與mandel于1963年針對亂向短纖維增強混凝土提 出的。該理論根據線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫發生和發展的約束 作用。纖維間距理論認為纖維混凝土的增強效果與混凝土基體中纖維的平 均間距有關，并得到了混凝土

19、裂縫尖端應力集中因子與纖維間距的關系。混合定律和纖維間距理論從不同的角度分別描述了纖維增強復合材 料的增強機理，但兩者均沒冇從復合材料性能的主要決定因素一一界面來 分析纖維增強混凝土的性能。我們知道纖維增強混凝土是多種物質組成 的混合物。纖維摻入混凝土基體后，纖維參與了混凝土結構的受力，其中 纖維的受力是通過混凝土基體與纖維之間的界面傳遞。所以纖維與混凝土 基體之i'可的界血是纖維增強混凝土的關鍵。近期華東交通大學劉永勝教授 的研究根據復合材料剪滯理論，從界面力學的傳遞方面分析了纖維增強混 凝土的機理，為纖維增強混凝土的機理提供了更加深入的認識。其相應的 纖維混凝土的界面應力分析力學模

20、型圖如圖2o圖二界面應力分析力學模型圖4纖維增強混凝土國內外的研究概況4.1國際上的研究狀況摻入纖維材料以增強脆性材料的抗裂性能和韌性，已有悠久的歷史， 其技術可追溯到封建社會的初期。我國勞動人民很早就應用在打壘的土墻 屮摻入稻草以提高墻體抗拉強度的技術，以及在傳統的抹灰墻面工藝中也 常摻入草筋或紙筋以改善其阻裂與抗拉性能，都體現了纖維增強復合材料 的思想。關于纖維增強混凝土方面的最早報道始于1920年，然而人們對 纖維混凝土重新引起興趣，深入研究這種材料并在研究和應用中取得長足 的進步還是近40年的事。1963年美國學者romualdi提出了 “纖維阻裂機 理”或(稱纖維間距理論)，根據線彈

21、性斷裂力學來解釋纖維對于裂縫的阻 裂效應。后來英國swamy, mangat提出了 “復合材料機理”，從復合材料 的混合原理出發，將纖維增強混凝土看作纖維的強化體系，并用混合原理 來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度。這兩種理論得到了人們的廣泛重視, 也極大地促進了纖維混凝土的發展。為了解釋脆性材料的實際斷裂強度與理論斷裂強度的巨大差 昆griffith(1920)提出了裂紋理論。他假定在實際材料中存在著裂紋，當名 義應力還很低時，裂紋尖端的局部應力已達到很高的數值，并導致脆性斷 裂。考慮到固體中受應力作用的一條孤立的裂紋，他根據經典力學和熱力 學的基本能量理論，提出了裂紋擴展的準則：構件中存在裂

22、紋時，如假想裂紋擴展一微量，構件將釋放出一定量的應變能，而裂紋擴展時為 了克服阻力(所需表面能)要做一定量的功。evans和mcmeeking(1986)研究 表明：增強晶須在裂紋表面施加一個橋聯應力，可降低應力強度因子。研 究表明晶須應具有高強度，以便發揮最大可能的應力；晶須的尺寸要大, 以橋聯更大的裂紋開口位移。becher(1988)認為為了得到大的增強效果， 晶須強度要高，半徑要大，而界血結合強度要小。sigi和evans(1989)的研 究結論是：對于高韌性脆性基質復合材料，裂紋擴展阻力和基質裂紋應力 除依賴于殘余應力、彈性性質、脫黏后纖維與基質的摩擦系數和纖維強度外，還依賴于界面的

23、脫黏。liao 和reifsnider(2000)研究了單向連續纖維增強脆性基質復合材料，建立了拉 伸斷裂強度模型。對應力進行了詳盡地分析，用纖維斷裂weibull統計分 布確定在復合材料屮纖維的斷裂機率和斷裂位置。結果表明纖維的weibull 模量和纖維基質界面剪切應力顯著影響復合材料的強度和韌性。高weibull模量的纖維導致復合材料的強度較低；高纖維基質界面剪切應 力導致復合材料的高強度、低韌性；中等的基質強度和纖維基質界面剪切 強度對復合材料強度無顯著的影響。4.2國內的研究狀況我國對纖維增強混凝土的研究起步較晚，在1970年代末開始研制鋼 纖維，1980年代以來已在許多土木工程中使用

24、，產生了良好的社會、經濟 效果。中國工程建設標準化協會于1993年5月批準實施纖維混凝土結 構設計與施工規范，規范的頒布極大地推動了鋼纖維在公路路面、機場 跑道、橋面、水工、建筑、鐵路、市政、軍事工程以及各種建筑制品等領 域的推廣應用。目前已召開過8屆全國性的學術會議，關于纖維混凝土理 論與技術的研究較為系統和深入，并逐漸被廣大工程技術人員所接受，已 在三峽等一批重大工程中應用。我國目前已有少量用于混凝土（砂漿）的 聚丙烯、尼龍等纖維的生產，其性能不亞于國外同類產品，己在上海等地 成功地用于剛性防水、大面積的基礎底板防裂等工程，并取得了很好的效 果。同濟大學馬一平等研究了改性聚丙烯纖維水泥基復

25、合材料的抗塑性 開裂性能和基本力學性能。實驗結果表明：聚丙烯纖維的幾何形態對水泥 砂漿的抗塑性開裂性能有明顯影響，分散程度好的纖維最好，分散程度較 好的纖維次之，分散程度較差的纖維最差。纖維摻量對抗塑性開裂性能也 有較大影響，當拉絲聚丙烯纖維的體積摻量大于010%時，可有效阻止 水泥砂漿的開裂。他們的實驗結果還驗證了聚丙烯纖維增強混凝土抗彎韌 性改善的結論。還有其他一些學者對聚丙烯纖維增強混凝土作了許多較深 層次的研究，并取得了不錯的研究成果，已經建立了以普通混凝土立方體 抗壓強度為基礎的力學公式，并提出pfrc的強度標準值和設計值。還有 學者利用激光散斑法對普通混凝丄和聚丙烯纖維增強混凝土切

26、口梁進行 研究后發現，摻入聚丙烯纖維后的混凝土試件在斷裂過程區呈不規則的狹 長帶狀形，而且由于微裂紋區的擴展受到限制，使主裂紋的亞臨界擴展長 度和臨界裂紋尖端張開位移增加，從而對材料起到增韌作用。武鐵明等人的研究表明，當纖維摻入到混凝土中并充分拌勻后，初期, 均勻分布的纖維在新拌混凝土內構成一種網狀承托體系一一承托骨料，從 而有效減少混凝土的內分層，減少空腔的產生；硬化過程中由于纖維以單 位體積內較大的數量均勻分布于混凝土內部，微裂縫在發展的過程中必然 遭到纖維的阻擋，消耗了能量，使其難以繼續進一步地發展，從而阻斷裂 縫擴展達到抗裂的作用。從宏觀上看，當基休材料受到應力作用產生微裂 縫后，纖維

27、能夠承擔因基體開裂轉移給它的應力，故而能有效地提高溫凝 土材料初裂強度，延遲裂縫的產生。其次，纖維能作為第二增強材料來控 制裂縫還有一重要的原因，就是當混凝土在受到應力作用而開裂后，纖維 的摻入有效地分散裂縫，產生大量的微裂縫體系，從而有效地避免微裂縫 發展成為有害裂縫。范溶、薛元德在“用蒙特卡羅方法模擬單向復合材料 的拉伸斷裂過程”中，通過采用改進的剪滯模型，假定界面不發生破壞， 求得不同基體纖維剛度比，不同基體韌性情況下斷裂纖維附近的應力集中 系數，然后通過蒙特卡羅方法模擬單向復合材料的拉伸斷裂過程，比較若 干情況下復合材料的拉伸強度，找出提高纖維增強混凝土拉伸強度的方法。 5纖維增強混凝

28、土存在的問題和發展前景5.1纖維增強混凝土研究中存在的問題纖維用在增強混凝土中使英強度和韌性得到提高的主要機理己基本 清楚，但在根據纖維增強混凝止性能的具體應用中的特殊要求，如抗滲性、 耐久性、穩定性等，還要考慮到它在生產過程中的流動性、可操作性、生 產方法及持久性，來設計和制造出合適的產品上，還有大量的工作要做。 畢竟纖維增強混凝土是一個新領域，有許多問題有待深入研究.例如：纖 維在水泥材料中的耐久性；纖維在復合材料中承受負載時的狀態；堿 性水泥對玻璃纖維、碳纖維、某些聚酯纖維的腐蝕問題；在長期負載下， 纖維與織物的形態變化；周圍環境、空氣、水中的化學物質對復合材料性 能的影響等。纖維增強混

29、凝土的最終性能與纖維的特點及制備工藝之間的 矛盾還遠沒有得到解決。女口，纖維的長徑比和纖維含量對復合材料的增強 效果與制備過程中混合物的均勻混合及操作的難易之間的矛盾，以及像碳 纖維這樣的各方面性能都比較優異的纖維材料，由于高比表面積和易受損 而給均勻混合及操作造成困難等，都還沒有找到圓滿的解決方法。在國內， 對短纖維增強混凝土的研究，大多數僅僅局限于某些宏觀力學性能的研究, 而對深層次的微觀機理，如纖維增強材料的疲勞行為、疲勞裂紋的增長機 理等的研究，很少有報道。同時由于各種各樣的原因，國內外的研究重點 都放在短纖維增強水泥復合材料上，而長纖維及其由它織成的織物增強混 凝土的研究的相關報道較少。目前對混雜纖維增強混凝土的研究都集中于其力學性能的改善，而對 纖維增強混凝土材料的制備工藝研究較少，尤其是現有的纖維增強理論都 是假設纖維均勻分散在混凝土中的，而纖維在混凝土中的分散性能受到哪 些因素的影響，其分散效果對纖維增強混凝土的力學性能影響有多大等方 血研究還較少。5.2纖維增強混凝止的應用前景