一、纖維混凝土的定義及類(lèi)型

      纖維混凝土(FRC, Fiber-reinforced concrete)是一種由水泥或液壓態(tài)水泥、水、粗細(xì)骨料、以及短小不一、均勻分布的不連續(xù)纖維組成的一種復(fù)合材料。纖維可以為鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚合纖維、植物纖維等，長(zhǎng)度通常為3mm~64mm之間變化不等，直徑可以從數(shù)微米到1mm大小不等。纖維的截面形狀可以為圓形、橢圓形、多邊形、三角形、月牙形或正方形，這主要取決于所用的原材料及加工制作過(guò)程。纖維主要分為兩大類(lèi)：粗纖維和細(xì)纖維。細(xì)纖維的直徑或等效直徑通常小于0.3mm，而粗纖維的直徑或等效直徑為≥0.3mm。所謂等效直徑即為與圓形纖維具有相同截面面積折算出的圓形直徑，即(4A/π)0.5。

      用于混凝土中的纖維體積占比通常為0.1%~5%。這個(gè)體積占比的大小主要由混合物攪拌的便易性及工程的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)決定。舉個(gè)例子，因混凝土收縮和溫度變化所引起的二次應(yīng)力通常用低劑量(體積占比為0.1%~0.3%)的纖維進(jìn)行控制解決。當(dāng)纖維劑量超過(guò)0.3%時(shí)，與不含纖維的普通混凝土相比，纖維混凝土的力學(xué)反應(yīng)將發(fā)生顯著的不同，主要表現(xiàn)在于其開(kāi)裂后依然具有的承載能力。纖維混凝土在發(fā)生開(kāi)裂之后依然具有吸收能量的這種能力被稱(chēng)之為“韌性”。當(dāng)向混凝土中添加更高劑量的纖維時(shí)，它除了具有開(kāi)裂后的韌性之外，纖維混凝土還表現(xiàn)出應(yīng)變強(qiáng)化的特性。也就是說(shuō)，這復(fù)合材料可以承受超過(guò)普通混凝土本身所應(yīng)具有的抗拉應(yīng)力。在這些假延性復(fù)合材料里，經(jīng)常可以看到多縫開(kāi)裂且具有相當(dāng)吸能耗能的特性特征。

      合成纖維主要是由石油化工和紡織工業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生的非金屬纖維，包括各種形式的聚合物，下面列舉一些常用于預(yù)制混凝土中的合成纖維：

1)碳纖維：相對(duì)于鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等，碳纖維的優(yōu)勢(shì)在于其自身的特性，高模量、耐熱性、在堿性環(huán)境及其他侵蝕性的化學(xué)環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性;另外，其具有顯著的改善力學(xué)性能的特性。歷史上第一次將碳纖維應(yīng)用于水泥基材料的形式是高模量聚丙烯腈纖維，可以看到其力學(xué)性能得到了顯著的改善。這些碳纖維是通過(guò)高溫加工碳化聚丙烯腈材料然后經(jīng)過(guò)熱拉伸的石墨化工序而制成。起初這種聚丙烯腈基纖維因其高昂的價(jià)格并不應(yīng)用于混凝土中;在上個(gè)世紀(jì)80年代早期，隨著低廉的瀝青基碳纖維的出現(xiàn)，人們開(kāi)始有將碳纖維應(yīng)用于水泥基材料中。

2)尼龍纖維/聚酰胺纖維：這類(lèi)纖維具有很好的抗拉強(qiáng)度、很高的韌性、彈性恢復(fù)力及很好的親水性、而且在水泥基的堿性環(huán)境下相對(duì)的穩(wěn)定性。

3)聚丙烯：這種纖維彈性模量較低、熔點(diǎn)低，因此不太適宜于高溫蒸壓下的預(yù)制混凝土構(gòu)件產(chǎn)品。但因其熔點(diǎn)低的特性，故可以用于生產(chǎn)耐火材料或具有高耐火性的產(chǎn)品。有兩種類(lèi)型的聚丙烯纖維用于混凝土的增強(qiáng)，單纖維絲和原纖化纖維(拉裂纖維)。這類(lèi)纖維是憎水性的，與水之間的接觸角很大。因此，相對(duì)于親水纖維而言，它們與混凝土之間的粘結(jié)作用很差。另外，也沒(méi)有證據(jù)表明其具有化學(xué)粘結(jié)力。然而通過(guò)分裂纖維或原纖化纖維加工過(guò)程使其發(fā)生幾何變形之后，其與混凝土之間便具有一定的機(jī)械咬合力。

4)聚乙烯醇纖維：這種纖維是用PVA樹(shù)脂經(jīng)過(guò)多道工序的高拉伸形成的，具有很高的剛度和不容水性特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)特殊的表面處理可以改變其在混凝土基中的纖維分布狀態(tài)。遺憾的是，PVA纖維具有不小的熱收縮系數(shù)，200°C下其收縮率高達(dá)4%。它對(duì)堿性環(huán)境和有機(jī)物溶劑具有很好的抵抗性，在長(zhǎng)期紫外線照射下強(qiáng)度損失也很小。

5)玻璃纖維：用于混凝土中的玻璃纖維需含最低16%的二氧化鋯以用于耐堿性;其他類(lèi)的玻璃纖維，諸如無(wú)堿纖維不建議用于混凝土中。玻璃纖維具有很高的模量和很高的強(qiáng)度，并且與混凝土之間具有很好的粘結(jié)作用。玻璃纖維增強(qiáng)型混凝土與其他纖維混凝土(諸如鋼纖維或聚丙烯纖維)的不同之處在于纖維的含量，前者具有的纖維體積占比為4%~6%，而后者或其他的纖維體積占比大概為0.1%~1%。為實(shí)現(xiàn)高含量玻璃纖維，混凝土成分需要高含量的水泥、細(xì)骨料，粗骨料基本沒(méi)有。

二、纖維在混凝土中的作用

1. 準(zhǔn)靜力荷載和沖擊反應(yīng)

      纖維在改善力學(xué)性能方面的功效作用很顯著。用于評(píng)估耐沖擊性的落錘試驗(yàn)研究表明，相對(duì)于普通混凝土而言，體積占比0.1%~0.2%的聚丙烯纖維混凝土具有更高的沖擊強(qiáng)度，無(wú)論是初始開(kāi)裂還是最后斷裂階段。類(lèi)似的試驗(yàn)結(jié)論也可以從摻加了鋼纖維的混凝土試驗(yàn)中得出。目前尚未有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法用于測(cè)定纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度，但有關(guān)研究表明，相對(duì)于普通混凝土，纖維混凝土的軸壓強(qiáng)度增加了85%~100%;進(jìn)一步的研究表明，沖擊荷載作用下纖維混凝土在受壓后期并沒(méi)有顯著的峰后延性，這主要是因?yàn)榛炷了槠](méi)有與纖維粘結(jié)于一起。盡管試驗(yàn)結(jié)果表明鋼纖維混凝土有沖擊系數(shù)3的行為表現(xiàn)，而聚合物纖維混凝土卻與普通混凝土沒(méi)有什么不同，沖擊系數(shù)均為1.5左右。而且，研究結(jié)果表明，三維變形的鋼纖維比二維變形下的鋼纖維具有更顯著的動(dòng)力沖擊系數(shù);但是，在動(dòng)力荷載下的抗拉強(qiáng)度和開(kāi)裂后的殘余抗彎強(qiáng)度卻得到了顯著的改善。纖維增強(qiáng)改善了混凝土的能量吸收的能力，主要是因?yàn)槠涮嵘朔逯岛蟮膽?yīng)力傳遞能力，因此這是一個(gè)提高抗沖擊承載力的有效途徑。纖維的類(lèi)型、長(zhǎng)度、形狀都會(huì)顯著影響這些特性。正如之前所陳述的，纖維的種類(lèi)很多，諸如鋼纖維、合成纖維、玻璃纖維、天然纖維等。短小、離散的聚合物纖維增加混凝土的吸收能量的能力，有時(shí)候甚至?xí)^(guò)鋼纖維混凝土的動(dòng)力沖擊系數(shù)。

      在沖擊荷載作用下混凝土中纖維的表現(xiàn)性能在很大程度上取決于高裂紋開(kāi)展率的位移作用下纖維與混凝土之間的粘結(jié)方式。研究表明，隨著加載速率的增大，鋼纖維混凝土具有很高的裂縫開(kāi)展抵抗力，相對(duì)于一些采用聚丙烯纖維的混凝土試件，但后者卻能很快趕上前者;推測(cè)起來(lái)主要可能是因?yàn)橄鄬?duì)于鋼纖維來(lái)說(shuō)，聚丙烯纖維自身對(duì)應(yīng)變率敏感性更強(qiáng)。

2. 收縮裂縫的控制

      眾所周知，纖維能顯著影響水泥基復(fù)合材料的自由收縮和其他相關(guān)的早齡期特性。有研究表明采用體積占比1%左右的聚乙烯纖維可以減小混凝土的自由塑性收縮達(dá)30%之多。除了自由收縮之外，采用各種技巧手段來(lái)研究纖維對(duì)混凝土受約束收縮的相關(guān)作用也在進(jìn)行之中。纖維的加入主要是用于改變混凝土受約束環(huán)境下收縮裂縫的寬度和長(zhǎng)度。相關(guān)的研究結(jié)論大概如下：

1)纖維材料和類(lèi)型對(duì)收縮裂縫影響很大。相同體積的纖維含量，玻璃纖維抑制裂縫增長(zhǎng)最為有效，其次為合成纖維。

2)對(duì)于給定的纖維體積占比及纖維類(lèi)型，長(zhǎng)度更長(zhǎng)、直徑更小的纖維要比更短、更粗的纖維要更有效;纖維表面具有更大程度的幾何變形(比如拉裂纖維)要比未變形處理的纖維更有效。

3)至于植物纖維，涂料鍍膜或未涂料鍍膜纖維僅在體積占比為0.3%以上才有效。

3. 防水和耐久性

      由于硫酸侵蝕、循環(huán)融凍、堿硅酸反應(yīng)及鋼筋的銹蝕等作用，預(yù)制混凝土構(gòu)件極易發(fā)生性能退化。在所有的這些情況中，水的滲透(透水性)起到了至關(guān)重要的作用。預(yù)制混凝土產(chǎn)品的耐久性主要取決于水的入侵/滲透速度。結(jié)果表明，透水性又反過(guò)來(lái)取決于混凝土中的裂縫、以及混凝土裂縫寬度的增加，而這又將產(chǎn)生更高的透水性。纖維增強(qiáng)改善了混凝土的開(kāi)裂抵抗力、增加了裂縫的表面粗糙度、并且提升了多裂縫的發(fā)展，從而顯著減小了混凝土的透水性。至于應(yīng)力和因應(yīng)力引起的混凝土開(kāi)裂，結(jié)果已經(jīng)表明普通混凝土中的裂縫顯著增加了其透水性，而纖維混凝土的透水性卻顯著低于普通混凝土的透水性。至于纖維如何改善防水性，有研究表明，因?yàn)槔w維的加入而使得普通混凝土中的微孔隙被改變?yōu)榧{米孔隙。

      預(yù)制混凝土中的鋼筋銹蝕是個(gè)很重要的問(wèn)題。混凝土中的氯離子污染是個(gè)主要的因素，其腐蝕鋼筋的機(jī)理及過(guò)程已經(jīng)很清楚也很好理解。遺憾的是，混凝土中的裂縫使得氯離子及其他腐蝕化學(xué)物更容易進(jìn)入從而促使進(jìn)一步的銹蝕。氯離子主要通過(guò)毛細(xì)水進(jìn)行滲入擴(kuò)散，而氯化物的擴(kuò)散則主要取決于透水性。正如之前所表述的，纖維減小了應(yīng)力混凝土或非應(yīng)力混凝土的透水性，故減緩了氯離子的擴(kuò)散速度。因此混凝土中加入纖維的做法是一種延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)壽命行之有效的方法。