纤维混凝土研究进展

文章编号：1009-6825（2012）04-0136-03

纤维混凝土研究进展

收稿日期：2011-10-09作者简介：邓红芬（1979-），

女，硕士，工程师，正德职业技术学院，江苏南京211106

邓红芬

摘

要：分析了单掺钢纤维、聚丙烯纤维及玄武岩纤维分别对混凝土性能的改善作用，论述了国内外单掺纤维混凝土研究的理论成果以及这种增强材料的不足，指出了混杂纤维增强混凝土性能的优越性和研究的必要性，并介绍了混杂纤维增强材料的定义、分类及增强机理，列举了混杂纤维增强材料的国内外研究概况，最后对混杂纤维混凝土的研究前景进行了展望。

关键词：混凝土，单掺纤维，混杂纤维，进展中图分类号：TU528．572

文献标识码：A

0引言

纤维增强混凝土（FRC ：Fiber Reinforced Concrete ）是以水泥

浆、砂浆或混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作

增强材所组成的水泥基复合材料的总称，通常简称为“纤维混凝

土”［1］。研究表明

［2-9］

，在混凝土中掺入纤维能够提高混凝土的抗拉强度，

抑制混凝土的早期塑性开裂，有效控制裂缝的扩展，对混凝土的抗渗，防水及抗冻等耐久性也有很好的促进作用。同时，纤维的掺入也是改善混凝土中的薄弱相，降低其脆性，提高混凝

土韧性的有效途径［10］

。

1单掺纤维混凝土的研究现状

钢纤维混凝土具有优越的物理和力学性质，主要表现为：较

高的弹性模量和抗拉、抗压及抗弯极限强度；抗裂和抗疲劳性能优异；卓越的抗冲击性能；能明显改善变形性能。

聚丙烯纤维增强混凝土是目前研究最多，应用最广泛的纤维增强水泥基材料。聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber 缩写PP fiber 或者PPF ）俗称丙纶纤维，白色，半透明，呈束状单丝结构或网状，其原材料从单体C 3H 6而得，是一种高分子碳氢化合物。它具有

化学稳定性好，

和大多数化学物质不发生作用，表面疏水性，不会被水泥浆浸湿而且原材料丰富、合成工艺简单、价格适中等优点，

国外学者研究发现，聚丙烯纤维加入混凝土中，钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力场更加连续和均匀，提高了早期混凝土的抗拉强度

［11，12］

，所以聚丙烯纤维被广泛应用于现代工

程中并取得了令人满意的效果。玄武岩纤维（Basalt Fiber 简称BF ）是从20世纪60年代开始，前苏联对它投入了大量的研究，并于1985年在乌克兰建成第一个工业化生产炉，产品主要应用于军工行业，如今已达到700t /年的规模［13］

。近年来，美国、日本、中国和韩国相继展开了这方面的

研究工作，其中美国已经达到了1000t /年 1500t /年的规

模

［14］

。在我国玄武岩分布范围广，取材方便，近年来已经逐步形成批量生产玄武岩纤维的能力，并将

“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863计划和国家级火炬计划、国家科技型中小企业创新基金［15］

。现在上海、黑龙江、成都相继投入玄武

岩纤维的生产，其技术水平在某些方面已经达到了国际先进水

平

［16］

。

玄武岩纤维是一种新型无机纤维材料，是用火山爆发形成的

一种玻璃态的玄武岩矿石，经高温熔融后快速拉制而成的纤维

［17］

，自从玄武岩纤维问世以来，国外不少学者对其进行了研究，

如Jonesung SIM ［18］

在他的研究中表明玄武岩纤维混凝土与普通混凝土相比，其受拉强度高0．5倍 1倍，延伸率高3倍 5倍，其破坏形态及特征、

承载力都有所改善。Dylmar Penteado Dias 等［19］

人研究了玄武岩纤维掺量对玄武岩纤维增强无机聚合物水泥混

凝土断裂韧度的影响，并将其与玄武岩纤维增强硅酸盐水泥混凝土的试验结果进行对比，结果表明，玄武岩纤维增强无机聚合物

水泥混凝土具有更加优越的断裂性能。Zielinski 等［20］

测试了玄武岩纤维增强水泥砂浆28d 的物理、力学性能，并给出了纤维的最佳掺量。与有机聚丙烯纤维相比，玄武岩纤维的化学稳定性、

热稳定性、弹性模量和抗拉强度都具有明显的优点［21］。玄武岩纤维不仅具有优越的性能，而且原材料来源广泛，具有价格竞争优

势，在土木工程中拥有广阔的应用前景。

2混杂纤维混凝土

近几十年来，纤维水泥基材料在实际工程中得到了广泛的应

用，理论研究也趋于成熟。大量的试验表明，单一纤维掺入水泥基材料中能够改善基体的韧性，但是由于每种纤维性能不同，在基体中，纤维也只是在一定程度上体现它的某些特性。如在混凝土这种多相、多层次的复合材料中，有微米级的CSH 凝胶，毫米级的砂子，厘米级的碎石，如果只是掺入单一纤维，对混凝土的改善也仅仅是在某个层次上，这样的改善是有限的，如果能在不同层次上对基体都能进行优化，改善基体的整体性能，那么就必须要求纤维具有不同层次的特性，基于这种思想，大批研究学者开始了对混杂纤维的试验研究。

2．1增强机理

目前混杂纤维混凝土的机理，主要存在两种解释模型：复合材料力学理论和纤维间距理论。

复合材料理论是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看成一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的叠加

值［22］

。纤维混凝土从本质上说就是一种复合材料，

是由基相与分散相以及结合面组成的三相复合材料，其力学性能受基相和分散

相以及结合面的力学性能的制约和影响。该理论应用复合材料混合定律，推论纤维混凝土的应力，并结合纤维混凝土的特殊性，将其力学性能与纤维的掺入量、纤维取向、长径比及纤维与基体粘结力之间的关系结合起来加以考虑。

“纤维间距理论”又称“纤维阻裂机理”，是Romualdi ，Batson 与Mandel 于1963年针对乱向短纤维增强混凝土提出的

［23］

。该

理论根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约

束作用。纤维间距理论认为在水泥基体内部存在不同尺度层次

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的微裂缝、孔隙和缺陷，这些都会造成不同程度的应力集中，为了提高水泥基材的强度就必须尽可能的减少这种缺陷，缓和应力集中程度，提高抑制裂缝继续发展能力，增强材料韧性。

2．2研究现状

20世纪70年代中期Walton与Majumdar最先进行了两种不同性质的纤维制造混杂纤维增强水泥基复合材料的试验研究，从该试验中可看出两种纤维共同作用提高了基体的抗拉性能和抗冲击性能［24］。1982年Kobayashi K等人研究了钢纤维和聚乙烯纤维混杂对混凝土弯曲性能的影响，研究表明，混杂纤维对混凝土有更好的增韧效果［25］。目前，国内外一些学者对混杂纤维混凝土的混杂效应及其这种复合材料的力学性能、抗缩、防裂、抗渗机理进行了大量的试验研究，认为混杂纤维能够有效提高混凝土的抗裂、抗渗能力，同时增韧效果也非常显著。如国外Parviz，Sorou-hian等人对混杂纤维混凝土的断裂性能进行了研究［26-28］，探讨了混杂纤维混凝土的增强机理和破坏机理；Sorelli L．G［29］等人指出纤维的几何尺寸对混凝土的韧性影响较大；不同长度纤维混杂时，短纤维可以提高混凝土的初裂强度和小挠度范围内的承载能力，挠度较大时长纤维桥接宏观裂缝和增韧作用比较明显，而且短纤维增强基体的同时增加了基体与长纤维之间的粘结，提高了长纤维的增韧作用［30］。在我国姚武根据高性能混凝土材料的多层次特性，以碳纤维和钢纤维混杂，在体积分数为0．5%的低掺率情况下，研究得出该两种纤维混杂显著提高了混凝土的强度和韧性［31］。东南大学孙伟教授等选用不同尺度不同弹性模量的纤维品种混杂，研究其限缩与抗渗性能并提出了相应的机理。实验发现混杂纤维提高了混凝土的限缩能力和阻裂能力，在改善混凝土的抗渗性能方面具有正混杂效应。

但是，目前对混杂纤维增强混凝土的研究都集中于其力学性能的改善，而对纤维增强混凝土材料的制备工艺研究较少，尤其是现有的纤维增强理论都是假设纤维均匀分散在混凝土中的，而纤维在混凝土中的分散性能受到哪些因素的影响，其分散效果对纤维增强混凝土的力学性能影响有多大等方面研究还较少。

3总结展望

将不同性能的纤维混杂，相互取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥“混杂效应”来增强混凝土的性能，得到强度高、韧性好的高性能混凝土，这是单掺纤维混凝土无法比拟的优越性。现阶段，单掺纤维增强混凝土的理论成果成熟，实际应用范围受到一定的限制，对混杂纤维增强混凝土的研究，在混杂纤维的混杂方式、混杂比例多种多样情况下，如何针对不同的工程实际应用，寻找最佳的混杂方式和最优混杂比例，深入研究混杂时的增强增韧机理必将成为一个热点。

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第38卷第4期

2012年2月邓红芬：纤维混凝土研究进展

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新旧混凝土粘结断裂韧度的研究

收稿日期：2011-09-29作者简介：徐

亮（1977-），男，工程师，鞍山市福瑞达建筑工程有限公司，辽宁鞍山114000

孙恩禹（1975-），男，硕士，讲师，辽宁科技大学高等职业技术学院，辽宁鞍山114000李振东（1976-），男，工程师，鞍钢质量监督站，辽宁鞍山114000

徐

亮孙恩禹李振东

摘

要：通过新旧混凝土粘结面不同的界面处理方式、不同的界面粘结材料试件进行断裂韧度测试，探索了新旧混凝土粘结的断裂特征。研究结果表明，新旧混凝土粘结面的处理方式，界面粘结材料及粘结面处理方式和界面材料的交互作用对断裂韧度的影响是非常显著的。关键词：新旧混凝土粘结，断裂韧度，因素分析中图分类号：TU528

文献标识码：A

0引言

混凝土材料是当今世界用途最广、用量最大的材料之一。然而，

许多工程实例表明，混凝土结构工程并非都是安全耐久的，使用年限远低于设计寿命，结构损坏或破坏的事例已屡见不鲜。因此，混凝土结构的加固修补已成为建筑工程的重要组成部分，对新旧混凝土粘结性能的研究受到了工程界的广泛关注，也是国际研究的热点，具有深远的理论和现实意义。本文应用断裂力学理论对新旧混凝土试件进行断裂韧度测

试，

对混凝土试件进行评价分析，对界面材料对断裂韧度的影响因素进行分析，考虑粘结面的处理方式，以界面材料为变化因素，

采用交互作用的两个因素的试验进行分析［1］

，从而对不同因素对断裂韧度的影响进行评价。

1混凝土断裂韧度的测定1．1

试验装置

试验采用300kN 的万能试验机进行，加荷速度为0．2kN /s 。

1．2试验原材料

水泥采用本溪工源32．5级矿渣硅酸盐水泥；粘结用混凝土

为普通硅酸盐水泥混凝土。

旧混凝土取自2008年4月浇筑的一批混凝土，其设计强度为C40，水泥采用32．5级矿渣硅酸盐水泥。砂子采用普通中河砂，细度模数为2．9，粗骨料最大粒径为25mm 。

混凝土试件尺寸为100mm ?100mm ?400mm ，断口深度40mm ，断口角度30?。试件断裂韧度试验示意图见图1。

L /2L /2

▲

P σ

图1试件断裂韧度试验示意图（单位：mm ）

2界面材料对断裂韧度的影响试验结果与分析

旧混凝土粘结面处理方式有4种：界面材料分别为普通硅酸盐水泥混凝土、同混凝土配比的水泥砂浆、聚乙烯水泥浆、櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅

聚乙烯

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DENG Hong-fen

Abstract ：Improving effect of the doping on the concrete performance of single type of steel fiber ，polypropylene fiber or basalt fiber is analyzed respectively．Theoretical results of domestic and international research on single-doped fiber concrete and the deficiency of it is discussed．Per-formance advantages and necessities of the research on hybrid Fiber Reinforced Concrete are pointed out．The definition ，types and strengthening mechanism of hybrid fiber are introduced．General situation of domestic and international research on hybrid Fiber Reinforced Concrete is listed．At last ，the research prospect of hybrid Fiber Reinforced Concrete is given．Key words ：concrete ，single-doped fiber ，hybrid fiber ，progress

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