纤维混凝土特性和工作机理

摘 要：自 1824 年英国工匠约瑟夫·阿斯普丁发明波特兰水泥后，水泥混凝土得到迅速发展，经过近 190 多年的研究和应用，混凝土已成为当今主要的一种优良建筑材料。但是，水泥混凝土仍然存在着突出的缺陷，即它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性、抗爆等性能却比较差，纤维混凝土就是人们考虑如何改善混凝土的脆性，提高其抗拉、抗弯、抗冲击和抗爆等力学性能的基础上发展起来的，它具有普通混凝土所没有的许多优良性能。

关键词：混凝土；抗拉；纤维

1.纤维混凝土概述

纤维混凝土就是人们考虑如何改善混凝土的脆性，提高其抗拉、抗弯、抗冲击和抗爆等力学性能的基础上发展起来的，它具有普通混凝土所没有的许多优良性能[1]。纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地掺和在混凝土中，成为一种可浇注或可喷射的材料，从而形成的一种新型增强建筑材料。

2.纤维混凝土的分类及特性

2.1分类

按纤维弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量，其增强、增韧效果有明显差异，故可分：高弹性模量纤维混凝土，如钢纤维混凝土；低弹性模量纤维混凝土，如合成纤维混凝土。按纤维的长度分：非连续纤维增强混凝土是短切、乱向、均匀分布于混凝土基体中；连续纤维增强混凝土的纤维（如单丝、网、布、束等）分布于基体中。

按水泥基体材料分：纤维增强水泥净浆指在不含集料的水泥净浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥净浆基体中掺入纤维。纤维增强水泥砂浆指在含有细集料的水泥砂浆基体中掺入纤维。

2.2特性[2]

（1）降低早期收缩裂缝，并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝。

（2）裂后抗变形性能明显改善，弯曲韧性提高几倍到几十倍，极限应变有所提高。破坏时，基体裂而不碎。

（3）高弹模的纤维对混凝土抗拉、抗折、抗剪强度提高明显，对于低弹模纤维变化幅度不大。

（4）弯曲疲劳和受压疲劳性能显著提高。

（5）具有优良的抗冲击、抗爆炸及抗侵彻性能。

（6）高弹模纤维用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件，可提高抗剪、抗冲切、局部受压和抗扭强度并延缓裂缝出现，降低裂缝宽度，提高构件的裂后刚度、延性。

（7）混凝土的耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度提高。

（8）特殊纤维配制的混凝土，其热学性能、电学性能、耐久性能较普通混凝土也有变化。

（9）使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比设计和拌合工艺上采取相应措施，使纤 维在基体中分散均匀，拌合料具有良好的工作性。

（10）提高混凝土的耐久性。应该说明的是，纤维混凝土的上述特性，并非所有纤维混凝土都同时具有这些特性，纤维混凝土的特性与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的粘结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素有关

3.纤维混凝土的主要力学性能

抗拉强度：纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出二个数量级。

弹性模量：不同品种纤维的弹性模量值相差很大，有些纤维（如钢纤维与碳纤维）弹性模量高于水泥基体，而大多数有机纤维（包括很多合成纤维与天然植物纤维）的弹性模量甚至低于水泥基体。纤维与 水泥基体的弹性模量比值对纤维增强水泥复合材料力学性能有很大影响，如该比值愈大，则在承受拉伸或弯曲荷载时，纤维所分担的应力份额也愈大。

断裂延伸率：纤维的断裂延伸率一般要比水泥基体高出一个数量级，但若纤维的断裂延伸率过大，则往往使纤维与水泥基体过早脱离，因而未能充分发挥纤维的增强作用。

4.纤维混凝土的机理

目前，高彈性模量纤维混凝土和低弹性模量纤维混凝土中比较典型的和应用广泛的分别是钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土，本文的研究就是围绕这两种纤维混凝土展开的[3]。

由两种耗能分析模型可知，钢纤维的耗能阻裂作用主要表现在裂缝扩展的初期，其耗能效果与纤维、基体间粘结强度有很大关系，而聚丙烯纤维混凝土耗能效果则在裂缝扩展一定程度得以体现。从单轴冲击压缩试验试件整体破坏形态可以看出，相同应变率条件下，低含量聚丙烯纤维混凝土和素混凝土试件破坏程度最大，其破坏表现为明显的脆性，钢纤维混凝土试件完整性最好，而中高含量聚丙烯纤维混凝土居中。五种含量的聚丙烯纤维混凝土韧性指标随纤维含量增大而明显增大，当含量增加到1.8kg/m³时韧性指标不再增大反而有所减小，含量0.9～1.5kg/m³的三组混凝土韧性指标较为接近，其中含量1.5kg/m³的聚丙烯纤维混凝土韧性指标最大，因此，从材料冲击韧性角度看工程应用聚丙烯纤维含量取0.9～1.5kg/m³，较为适宜。

从三种材料的韧性指标对比分析看，与素混凝土相比，两种纤维混凝土韧性指标均有所提高，在达到其应力峰值后的变形阶段得以体现，在0～0.020应变范围内钢纤维混凝土、含量1.5kg/m³的聚丙烯纤维混凝土韧性指标比素混凝土分别提高了37.7%和18.9%。

5.结语

社会和工业快速发展，人们对构筑物安全的追求成为第一目标。纤维混凝土实在原有材料混凝土的技术上发展而来的，目的就是保证人民的生活质量与生命、财产安全。纤维混凝土的发展除了受到纤维材料的限制也受到水泥、添加剂和骨料等材料的限制，所以在以后工作和学习中，新型材料的研发是我们大力发展纤维混凝土的首要任务。

参考文献

[1]叶志明.土木工程概论[M].北京：高等教育出版社，2009，01.

[2]刑振贤.土木工程材料[M].郑州：郑州大学出版社，2006，08.

作者简介

吴育建（1991-3-）性别：男，籍贯：河南省濮阳市，学历：硕士研究生，专业：土木工程。

（作者单位：东北石油大学土木建筑工程学院）