秦松

摘要：纤维混凝土的综合性能比普通混凝土高。纤维可以抑制混凝土裂缝的形成，提高抗拉抗弯等强度和抗渗性能，增强抗老化能力和耐久性，提高混凝土的使用寿命，抗腐蚀性、加工性能也有明显的提高，抗冲击性能的提高为可能承受冲击荷载的混凝土结构提供了有效的幫助，增加混凝土的致密性，提高结构的承载能力。

Abstract： The comprehensive performance of fiber concrete is higher than that of ordinary concrete. Fiber can inhibit the formation of concrete cracks， improve tensile strength and impermeability， tensile strength and durability， improve the service life of concrete， improve corrosion resistance and processing performance， and improve impact resistance. It provides effective help for concrete structures that may withstand impact loads， increases the compactness of concrete， and improves the bearing capacity of structures.

关键词：纤维;混凝土;工程性质

Key words： fiber;concrete;engineering properties

中图分类号：TU528.572                                文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）28-0271-03

0  引言

混凝土具有较高的强度、良好的抗火和抗水性能、优秀的可塑性，取材方便，经济性也十分优越，使其成为工程设施建设使用最广泛的材料，所以它的工程性能与发展状况被人们所关注。从混凝土的发明到现在已经有一百多年的历史了，期间有无数的学者对其进行了各种研究，也相继涌现出大量的新材料，开发出大量的施工工艺，使得混凝土的各项性能均有非常大的提升。随着科技的发展与时代的需要，受到推广新型复合材料和绿色建材的影响，新一代的混凝土材料向着绿色、高性能、智能化、装配式、循环利用等方向发展。

混凝土一般由水泥或石灰、骨料（石子砂子）、水和外加剂反应固结而成，水泥作为胶结材料，起到粘结、填充、润滑等作用，在水化反应后与骨料胶结形成具有较高强度的承载结构。提高混凝土工程性质有多种方法，可以添加外加剂，张建彬、李新宇等研究了不同矿粉及高云母石粉对混凝土性能的影响[1，2]，还可以添加纤维束来获得纤维增强型混凝土。纤维混凝土指的就是一类在混凝土基体中加入了高性能短切纤维后所形成的新型建筑材料[3]。在混凝土中添加纤维作为增强材料，可显著提高混凝土强度[4]，抗剪能力也会有较大的提高，并且纤维与水泥水化物还能起到胶结的作用，提高了混凝土的延展性，使得混凝土在破坏前有较为明显的征兆，不会如素混凝土般脆性断裂，提高了混凝土结构的安全性。

本文论述了各种纤维的特性，并讨论了添入混凝土后对混凝土工程性能的影响。

1  纤维类型及其工程特性

1.1 碳纤维增强混凝土

碳纤维能运用在许多高新技术上，譬如航空航天科技、复合材料等领域，同时碳纤维也是兴起于航天等对材料性能有极高要求的技术。碳纤维具有高强度、重量轻、抗腐蚀、弹性模量高等特性，能够适应大多数工程的需要且能在特殊环境条件下工作。碳纤维由石墨烯晶体组成，石墨烯晶体集聚形成纤维单体，单纤维构成纤维束形成碳纤维结构体。纤维单体直径8～15μm，组成的碳纤维厚度大约0.1～0.2mm，相对密度仅为钢材的25%，而抗拉强度却比钢材强约10倍，作为建筑材料有着混凝土和钢材无法比拟的性能。在混凝土中，碳纤维与混凝土材料间的有效接触面积可达95%以上，能够发挥出自身拥有的绝大部分功效。然而受限于碳纤维的价格，完全采用碳纤维建造建筑物不符合经济性要求。但在混凝土中添加碳纤维同样可以大幅度提高混凝土的性能。

碳纤维混凝土具有较为理想的抗腐蚀性及耐久性，能在盐、碱、酸等恶劣环境中工作，而普通混凝土在海水中或盐碱地会很快被腐蚀掉，添加碳纤维能够提高混凝土的使用寿命。碳纤维的重量比混凝土轻，可以降低混凝土的密度，减小结构承受的荷载。除此外，碳纤维混凝土还具有一定的导电性，能够建造特种建筑，如抗静电面板、电磁屏蔽室等。压缩性和韧性较好，导致塑性变形能力提升，进一步提高碳纤维混凝土的抗拉强度和抗剪强度。碳纤维适用的范围很广，楼房、桥梁、隧道等民用及工业建筑均有使用价值。

1.2 合成纤维混凝土

合成纤维通常为有机化合物通过聚合反应获得，类型主要有聚酰胺纤维、聚丙烯纤维和聚酯纤维等。合成纤维的特性与碳纤维有一些相同点，比如比重较轻、抗拉强度较高、耐久性较强等。此外，合成纤维相对于碳纤维还具有较高的延展性、耐冲击性，对混凝土的弹性形变有较好的提高作用。合成纤维的耐久性、抗腐蚀性、加工性能也是非常优秀的。

添加合成纤维的混凝土能够有效提高强度，纤维三维随机且均匀分布在混凝土中，利用自身的强度及与水泥水化物胶结，使得在混凝土内部即受到约束，从而提高了抗压强度，但提高的效果并不是很大，将其作为添加剂来提高混凝土抗压强度并不是较好的选择。纤维束与水泥水化物结合后增大了接触面积，使得摩擦力提高，再利用纤维自身较高的抗拉性能，提高了混凝土内部可承受的抗拉应力提高。众所周知，素混凝土较脆，当受到冲击时容易断裂或局部掉落，影响构件的使用安全，而添加纤维可以提高耐冲击能力，冲击力可被纤维吸收，减小混凝土承受的瞬间荷载。合成纤维的热稳定性较差，部分类型的合成纤维在高温条件下其性质还会发生改变，所以合成纤维混凝土不宜作为承受高温的结构构件。根据聚合原材料的不同，合成纤维的抗腐蚀性能也有所不同，但总的来说，合成纤维的抗腐蚀性能均较低，在酸碱环境下并不能提高混凝土的使用寿命。再者，合成纤维在空气中会被氧化，混凝土中也有微量的氧气存在，时间长之后免不了会被氧化，即使是微量的氧化都可能会影响混凝土构件的使用。

1.3 钢纤维混凝土

目前增强混凝土的纤维材料中钢纤维运用最为普遍。刚才具有许多优良的工程性质，比如抗拉能力强、延展性好、抗冲击等，使其成为使用量非常大的建筑材料。钢纤维根据其加工方法及形状分为不同的型号，有熔抽型、冷拉丝型等，又分为波浪型、直型、端勾型等，根据使用的钢材不同，又分为普通和特种钢纤维。

添加钢纤维的混凝土抗拉、抗压、抗剪性能均有提高，提高抗拉强度的原理与碳纤维类似，都是通过自身的抗力来提高混凝土的抗拉强度。垂直剪应力分布的钢纤维能够提高混凝土的抗剪强度。钢纤维添加使得混凝土的密实度增加，增强了构件的抗压强度。在相同的抗压强度下可以有效减少混凝土构件的截面积，构件体积减少，可减少混凝土的使用量30%～40%，既增加了空间的使用效率，又使得混凝土造价降低。同时，添加了钢纤维的混凝土，早期强度有所提高，缩短施工工序间隔时间，有效地减少施工周期。钢纤维还能提高混凝土的断裂韧性，在混凝土发生断裂时，减轻脆性断裂，使混凝土破坏前有明显的预兆增加应急时间。最大应变、抗疲劳、抗冲击、耐久性都有不同程度的提高。但使用钢材的缺点也是比较明显的，易腐蚀的特性使其不适合在腐蚀环境下工作，空气中锈蚀也会降低其使用性。在大多数条件下，混凝土添加钢纤维都能够有效发挥其作为外加剂的作用。

钢纤维增强混凝土适用于早期强度要求高、大体积或面积连续浇注的混凝土结构，比如桥梁的箱梁、隧道、机场等，但在普通的建筑物中，使用钢纤维增强混凝土会引起造价高、混凝土比重大、纤维在混凝土中分散不均匀（纤维下沉导致混凝土底层含量较多）等问题。

1.4 玻璃纤维混凝土

玻璃纤维也分为多种，较为常见的是石英玻璃纤维、高硅氧玻璃纤维和高强度玻璃纤维。高强度玻璃纤维具有较高的强度，强度/重量值较大。高硅氧和石英玻璃纤维的耐火性较好，属于耐高温材料，适用于在高温条件下工作。玻璃纤维的特性为强度与重量的比值比钢材还要大，抗拉性能好，具有碱溶性，并且性质与形状稳定，拥有较高的使用寿命。玻璃纤维的延展性较低，虽然抗形变能力高，但破坏时多为脆性破坏，与素混凝土一样没有明显的征兆，难以及时观测。

混凝土中添加玻璃纤维可以提高强度，耐火性能也会大大提高，与混凝土材料有良好的相容性。玻璃纤维混凝土耐久性和耐摩擦性能较好，同时耐腐蚀性能也比素混凝土强。

1.5 玄武岩纤维混凝土

玄武岩纤维是一种无机纤维，原材料为火山喷出岩，通过高温熔融后拉抽制成，连续性较好。玄武岩纤维的综合性能较好，成本较低，适用于作为添加剂增强混凝土。火山岩具有很高的热稳定性和化学稳定性，制成的纤维同样具有这些性质。耐腐蚀性能良好，能适应高温或低温的工作环境，同时抗拉强度和延展性要比碳纤维强，抗老化性、抗压缩性、抗剪强度较高。价格与合成纤维差异不大，比钢纤维和碳纤维的价格要低。玄武岩的主要成分为二氧化硅，制成的纤维为硅酸盐型纤维，密度与混凝土材料相近，在水泥砂浆中容易均匀分散。玄武岩分布较广，在我国各地区均有分布，取材便利，降低了造价及运输成本。

玄武岩纤维添加进混凝土中，可以提高混凝土的抗渗能力、耐高温性能、耐腐蚀性能。与钢纤维等相比，由于性质比较接近，玄武岩纤维与水泥水化物结合更好，使得混凝土更加致密，进而导致抗压强度提高，同时抗腐蚀性能更强。玄武岩纤维混凝土同样具有抗冲击的性能。根据纤维尺寸的不同，对混凝土性能的提高程度也不相同，可以通过试验来测试纤维添加量对混凝土各项工程性能的影响。

2  运用领域

2.1 桥梁与隧道

桥梁与隧道工程对材料的要求较高。混凝土添加纤维可以抑制裂缝的形成，提高强度和抗渗性能，这对桥梁和隧道有着极为重要的作用，桥梁的桥墩有的会处于水中，隧道的衬砌更是大部分都被裂隙水围绕，抗渗性能的提高将能有效保护混凝土内部的钢筋，减少锈蚀，强度的提高能够增加构件应力极限，隧道和桥梁施工过程中在很长的一段周期内会存在徐变或沉降变形，徐变量和沉降量过大就会导致裂缝的产生，进而引发结构安全问题与隧道漏水，纤维抑制裂缝能够减轻这些问题。添加纤维能增强混凝土的抗腐蚀能力，有利于桥梁和隧道在复杂环境下的使用寿命，增强结构的安全性。延展性与抗冲击能力的提高有利于增强桥面与衬砌的抗破碎能力，减小冲击荷载对结构安全的影响。强度/重量值的提高能够有效减少混凝土的用量，对减轻混凝土自重荷载有较好的效果，有利于降低桥梁沉降量。

2.2 部分工业与民用建筑

在对混凝土性能要求较高的结构中，比如高层建筑、大跨度结构、预制构件等，添加纤维后能改善混凝土的抗裂能力、抗震性能和承载能力。纤维增强混凝土的抗老化能力和耐久性，提高了使用寿命。抗裂、抗震性能则在预制构件的运输与使用中发挥效用。提高的延展性在遇到地质灾害或其他导致混凝土破坏的因素时，构件会有明显的破坏征兆，增加了应急处理时间。

2.3 公路路面

在车辆荷载大、车流量多的道路中，较脆的普通混凝土路面经常出现损坏，修复较为困难，对道路承载能力的要求也越来越高。纤维混凝土特别是钢纤维混凝土用于路面施工，可以充分发挥其良好的工程特性。抗弯抗拉性能适用于经常承受重复荷载，耐磨、抗冲击、耐疲劳为路面的使用寿命提供保障。

2.4 海滨工程

在滨海的建筑物对混凝土抗腐蚀性能有特殊的要求。纤维混凝土由于抗渗性能、抗腐蚀性、致密性的优点，可以有效阻挡海水对混凝土的渗透腐蚀，抗冲击性能则有利于抵抗波浪的冲刷。

3  结语

碳纤维具有高强度、重量轻、抗腐蚀、弹性模量高等特性，添加碳纤维的混凝土具有较为抗腐蚀性、耐久性、抗压缩性等良好的工程性能，还具有一定的导电性。合成纤维主要有聚酰胺纤维、聚丙烯纤维和聚酯纤维，具有比重较轻、抗拉强度较高、耐久性较强等优点，相对于碳纤维还具有较高的延展性、耐冲击性，对混凝土的弹性形变有较好的提高作用。添加钢纤维的混凝土抗拉、抗压、抗剪性能均有提高，在相同的抗压强度下可以有效减少构件体积。玻璃纤维的耐火性较好，属于耐高温材料，适用于在高温条件下工作，强度与重量的比值比钢材还要大，抗拉性能好，具有堿溶性。玄武岩纤维是一种无机纤维，原材料为火山，综合性能较好，成本较低，具有很高的热稳定性和化学稳定性，耐腐蚀性能良好，能适应高温或低温的工作环境，抗拉强度和延展性要比碳纤维强，抗老化性、抗压缩性、抗剪强度较高。纤维混凝土的使用范围较广，结构工程、岩土工程、水利工程等都可以应用。

参考文献：

[1]张建彬，王军，吴开云，等.不同矿物掺合料对混凝土性能的影响[J].商品混凝土，2014，3：64-65.

[2]李新宇，任金明，陈永红.高云母含量石粉混凝土性能试验研究[J].水力发电学报，2012，31（4）：211-215.

[3]彭开均.纤维混凝土应用研究现状初探[J].科技创新与应用，2013，21：179.

[4]于泽东.纤维素纤维对混凝土性能影响研究[J].建筑工人，2017，9：4-7.