王文龙 曹猛 蔡顺
山东科技大学 土木工程与建筑学院 山东青岛 266590
摘要：纤维是当今土木工程中水泥基材料的混合物之一。在纤维增强混凝土中，纤维对基体起着阻裂，增韧的作用。 本文追踪国内外纤维混凝土的最新发展，阐述了纤维材料的增强机理，分类，应用和未来的研究方向。
关键词：纤维；混凝土；增强机理；阻裂；增韧
混凝土是一种准脆性材料，具有较高的抗压强度，但抗拉强度和挠曲强度较弱。 在实际工程应用中，通常将纤维添加到混凝土中以改善其性能。纤维增强混凝土是一种基于混凝土材料，以金属纤维，无机非金属纤维，合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。由于混凝土凝结硬化的特性，使得混凝土成为一种非均匀的宏观堆聚结构，其内部存在着尺寸不同的大量原生微裂缝、空隙和缺陷[1]。这使得混凝土的破坏多是从内部裂纹开始，逐步发展、扩张为宏观裂缝，最终破坏。将纤维掺入到混凝土中，纤维可以阻止裂缝扩展，同时，纤维与浆体握裹、桥接良好，可以起到抗裂作用[2]。在荷载作用下混凝土结构将出现裂缝，而纤维良好的连接作用将抑制裂缝的开展。混凝土抗拉强度较低，荷载作用下极易开裂，一旦混凝土发生开裂，连接裂缝两端的纤维将承担拉应力，从而起到抑制开裂的作用[3]。当纤维的掺加量达到一定限值，纤维增强混凝土结构能够继续在高荷载、大变形条件下工作，一旦纤维达到抗拉极限值或纤维与混凝土之间的粘结遭到破坏，结构将发生破坏。由此可知，纤维增强混凝土抗拉强度高于普通混凝土的抗拉强度，尤其普通混凝土的韧性性能有巨大的提高。本文通过查阅，收集国内外大量文献资料，总结概述了纤维对混凝土性能影响的研究进展。
1 纤维增强混凝土的研究背景
水泥混凝土材料作为建筑领域应用十分广泛的一种建材，其本身存在一些缺陷，如抗拉强度低、抗裂性能差等，由此经常导致建筑物混凝土发生开裂和破坏,使得钢筋暴露在空气中，发生腐蚀而失效，进而导致结构发生突然破坏，造成不可预计的财产和生命损失。最初的解决办法是钢筋混凝土和预应力混凝土，而后学者通过对纤维混凝土的研究，提出了纤维增强混凝土。纤维增强混凝土是以水泥、 砂浆或混凝土为基材，以金属材料、无机纤维或有机纤维为增强材料组成的一种复合材料。由于纤维的加入，提高了混凝土的抗拉强度，抑制了混凝土的早期开裂，是一种提高混凝土韧性的有效途径。
2 纤维增强混凝土的增强机理
2.1 纤维混凝土的增强机理
目前纤维混凝土的增强机理主要有复合力学理论和纤维间距理论两种解释理论。
2.1.1 复合力学理论
复合力学理论建立在复合材料基础上的一种理论。纤维混凝土本身 就是一种由各种分散相和基相组成的复合材料，其力学性能受到分散相、基相及其结合面的影响。当混凝土的应变达到混凝土基体的开裂应 变时，混凝土开始出现微裂缝，当裂缝发展到纤维附近时，由于纤维的阻 裂、增强作用，纤维混凝土并未立即破坏，随着裂缝的继续发展，应力继 续增大，直至裂缝宽度增大到一定程度，纤维逐渐拔出或者纤维被拉断， 纤维混凝土发生裂缝失稳扩展而破坏。
2.1.2 纤维间距理论
纤维间距理论又称纤维阻裂机理，是Romualdi和Batson于1963年针对乱向短纤维增强混凝土提出的。纤维间距理论建立于线弹性断裂力 学基础之上，它认为混凝土的破坏是由于其内部存在微裂纹、微孔洞等 缺陷，而混凝土在受到外力作用时，这些缺陷处会产生应力集中现象，导 致结构受力大于允许值而破坏。纤维的增强效果与纤维间距有关。当纤 维均匀分布在混凝土基体中时，混凝土中的微裂纹被包围在纤维间距之间，在拉应力作用下，微裂纹尖端会形成裂纹尖端扩展应力场，促进裂纹 发展。而在靠近裂纹的纤维界面将产生与裂纹尖端扩展应力反向的应力 场，降低裂纹尖端的应力集中程度，限制裂纹的发展，从而对混凝土起到增强效果。
3 纤维增强混凝土的分类
纤维混凝土中的纤维包括钢纤维、碳纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等。按照掺杂纤维是否是单一种类分为：单杂纤维混凝土和混杂纤维混凝土；按照纤维弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量分为：高弹性模量纤维混凝 土和低弹性模量纤维混凝土；按照纤维在混凝土中的分布方式可分为：非连续纤维混凝土和连续纤维混凝土。
4 纤维增强混凝土的工程应用
4.1 纤维增强混凝土在水利工程中的应用
水利工程中要求混凝土具有优良的抗渗性能、防裂性能、耐磨性能、抗冲击性能、耐久性能二传统的混凝土显然已不能满足这些要求，在混凝土中掺加纤维可显著改善混凝土的上述性能。因此，纤维混凝土在水利工程中会有愈来愈广泛的应用，在我国的一些沿海省份，绝大部分的电厂工程都建在海边。一般而言，电厂工程的设备基础多，结构尺寸大，这些靠海而建的电厂基础混凝土易受海水渗透浸蚀、结构混凝土也易受海风吹袭浸蚀，这些原因就会使电厂工程的使用寿命大大降低二为解决这一问题，近年来，在修建电厂工程时，施工人员在混凝土中掺加聚丙烯纤维，以期望能提高混凝土的耐欠比，减少和控制混凝土的开裂，从而延长电厂工程的使用。
4.2 纤维增强混凝土在道路工程中的应用
在道路工程中纤维混凝土可用于公路水泥路面、飞机场跑道路面、停机场、机库、地下传输管道和一些桥梁工程中二在道路工程混凝土中掺加的纤维一般是钢纤维，由于钢纤维的弹性模量高，在混凝土中掺加钢纤维能大大改善混凝土的一些性能，比如可提高混凝土的抗折强度，同时对混凝土的抗磨损性能、抗渗性能、抗冲击性能以及减少断板、龟裂等也都有一定的改善作用。
4.3 纤维增强混凝土在地坪中的应用
工业地坪最适合用钢纤维混凝土，近年推广于商场、电子工厂、航空货运等工程。一般会与聚丙烯纤维共同使用。钢纤维的形状、长度及添加量因设计者的考量及喜好而有所不同，主要是贝卡尔特的弓形及扁波纹形。
5结语
目前，我国的研究多是针对于单杂纤维混凝土展开的，而对于性能更加优良的混杂纤维混凝土研究较少。就未来发展趋势而言，混杂纤维混凝土凭借自身的性 能优势会有更加广阔的应用前景，而针对于混杂纤维混凝土的混杂方式、混杂种类、混杂比例以及如何在实际中应用的研究必将成为热点。
参考文献
[1]何静,殷红梅,刘国强.玻璃纤维增强浇筑式沥青混凝土性能试验研究[J].公路交通技术,2012(5):3740.
[2]程云虹,王宏伟,王元.纤维增强混凝土抗冻性试验研究[J].公路,2012( 3) : 179-182.
[3]程庆国,徐蕴贤,卢祖文.钢纤维砼本构理论的研究,工程应用及发展[J].混凝土与水泥制品,2000( s1) : 5-9．
[4] 李为民,许金余.玄武岩纤维对混凝土的增强和增韧效应[J].硅酸盐学报,2008,36( 4) : 476-481．