纤维增强混凝土力学性能及耐久性研究进展
纤维增强混凝土力学性能及耐久性研究进展 解春燕 1 (1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特010051) 摘要： 随着我......
纤维增强混凝土力学性能及耐久性研究进展
解春燕1
(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特010051)
摘要：随着我国城镇化的快速发展，越来越多的新型建筑材料被大家所认知。其中纤维作为一种新型高分子建筑材料，主要具有强度高、比重轻等优点，在混凝土中主要起防裂、抗渗等作用。近些年来，国内外学者对纤维增强混凝土的力学性能和耐久性进行了大量的试验研究和理论分析，主要研究分析了纤维增强混凝土的破坏形态与作用机理。通过综述近些年国内外纤维增强混凝土的研究现状，分析了不同种类、不同长度、不同体积掺量的纤维混凝土的力学性能及耐久性，并提出了纤维增强混凝土在未来的发展前景。
关键词：纤维增强混凝土；力学性能；耐久性；发展前景
中图分类号： TU528.572 文献标志码： A 文章编号：
Research progress on mechanical properties and durability of fiber reinforced concrete
XIE Chunyan1
(1.School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)
Abstract: With the rapid development of urbanization in China, more and more new building materials are recognized by everyone. Among them, fiber is a new type of polymer building material, which has the advantages of high strength and light specific gravity. It mainly plays the role of crack prevention and impermeability in concrete. In recent years, domestic and foreign scholars have carried out a large number of experimental research and theoretical analysis on the mechanical properties and durability of fiber reinforced concrete. The main research and analysis of the failure mode and mechanism of fiber reinforced concrete. By reviewing the research status of fiber reinforced concrete at home and abroad in recent years, the mechanical properties and durability of fiber concrete with different types, lengths and volumes are analyzed, and the future development of fiber reinforced concrete is proposed.
Key words: fiber reinforced concrete; mechanical properties; durability; development prospects
0 引言
解春燕1
(1.内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特010051)
摘要：随着我国城镇化的快速发展，越来越多的新型建筑材料被大家所认知。其中纤维作为一种新型高分子建筑材料，主要具有强度高、比重轻等优点，在混凝土中主要起防裂、抗渗等作用。近些年来，国内外学者对纤维增强混凝土的力学性能和耐久性进行了大量的试验研究和理论分析，主要研究分析了纤维增强混凝土的破坏形态与作用机理。通过综述近些年国内外纤维增强混凝土的研究现状，分析了不同种类、不同长度、不同体积掺量的纤维混凝土的力学性能及耐久性，并提出了纤维增强混凝土在未来的发展前景。
关键词：纤维增强混凝土；力学性能；耐久性；发展前景
中图分类号： TU528.572 文献标志码： A 文章编号：
Research progress on mechanical properties and durability of fiber reinforced concrete
XIE Chunyan1
(1.School of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)
Abstract: With the rapid development of urbanization in China, more and more new building materials are recognized by everyone. Among them, fiber is a new type of polymer building material, which has the advantages of high strength and light specific gravity. It mainly plays the role of crack prevention and impermeability in concrete. In recent years, domestic and foreign scholars have carried out a large number of experimental research and theoretical analysis on the mechanical properties and durability of fiber reinforced concrete. The main research and analysis of the failure mode and mechanism of fiber reinforced concrete. By reviewing the research status of fiber reinforced concrete at home and abroad in recent years, the mechanical properties and durability of fiber concrete with different types, lengths and volumes are analyzed, and the future development of fiber reinforced concrete is proposed.
Key words: fiber reinforced concrete; mechanical properties; durability; development prospects
0 引言
随着我国城镇化的快速发展，混凝土的需求量日益倍增。纤维作为一种新型高分子建筑材料，逐渐被广大学者所认知，近几年来，很多学者在纤维混凝土方面作了大量研究。最常见的纤维混凝土包括钢纤维混凝土、碳纤维混凝土、聚乙烯醇(PVA)纤维混凝土、玄武岩纤维混凝土以及混杂纤维混凝土等等。目前，纤维混凝土主要应用于路面工程、桥梁工程、水工建筑物以及工业和民用建筑当中[1][2]。所以，多数学者主要对纤维混凝土的力学性能[3-7]及耐久性[8-12]进行了研究。
本文主要对国内外关于纤维混凝土的研究现状进行了阐述，归纳分析了不同种类、不同长度、不同体积掺量的纤维对混凝土力学性能及耐久性的影响。通过本文的的总结分析可知，纤维可以有效提高混凝土的力学性能及耐久性，但并不是纤维掺量越多，改善效果越明显，而且由于纤维成本价较高，所以对于纤维的选取和配比至关重要。通过对国内外研究现状进行综述，指出了纤维增强混凝土在未来的发展前景。
本文主要对国内外关于纤维混凝土的研究现状进行了阐述，归纳分析了不同种类、不同长度、不同体积掺量的纤维对混凝土力学性能及耐久性的影响。通过本文的的总结分析可知，纤维可以有效提高混凝土的力学性能及耐久性，但并不是纤维掺量越多，改善效果越明显，而且由于纤维成本价较高，所以对于纤维的选取和配比至关重要。通过对国内外研究现状进行综述，指出了纤维增强混凝土在未来的发展前景。
1 纤维增强混凝土力学性能
1.1 立方体抗压强度
立方体抗压强度又称立方体抗压强度标准值，是衡量混凝土力学性能的重要指标之一。因此，对于纤维增强混凝土立方体抗压强度的研究具有重大意义，本节主要对不同种类纤维的混凝土抗压强度进行了阐述
立方体抗压强度又称立方体抗压强度标准值，是衡量混凝土力学性能的重要指标之一。因此，对于纤维增强混凝土立方体抗压强度的研究具有重大意义，本节主要对不同种类纤维的混凝土抗压强度进行了阐述
杨智硕等[13]研究了玄武岩纤维对超高强混凝土(UHSC)抗压性能的影响，试验结果表明，玄武岩会有效提高UHSC的抗压性能，并当掺量为2kg/m3时，达到最优效果。
李树慧等[14]采用试验方法研究了钢纤维对自密实混凝土抗压强度的影响，结果表明，当体积率为0.9%时，钢纤维自密实混凝土抗压强度最大。
Yuan Qin等[15]对聚丙烯纤维增强混凝土和普通混凝土抗压强度进行了比较，结果表明，聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度较普通混凝土抗压强度高。
1.2 劈裂抗拉强度
结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标，本节主要从纤维掺量出发，研究了PVA纤维、碳纤维等不同种类的纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响。得出了各类纤维的最优配合比。
杜向琴等[16]通过试验研究，发现碳纤维混凝土的劈裂抗拉强度随纤维掺量的增加呈先增大后减小趋势，并提出了纤维体积掺量与相对劈裂抗拉强度之间的关系表达式。除此之外，从细观上对碳纤维混凝土增强机理进行了探讨。
F. S. Khalid等[17]通过对塑料合成纤维混凝土劈裂抗拉试验进行研究，发现纤维含量的增加会有效提高混凝土基体的抗拉强度。
1.3 抗折强度
抗折强度是衡量混凝土力学性能的重要指标之一，试验方法主要包括三点抗弯和四点抗弯。本节主要对比分析了玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响。
Farid Abed等[18]通过对掺入玄武岩纤维后的混凝土梁进行了四点加载试验，结果表明，掺入玄武岩纤维之后可以明显提高梁的曲率延性，而且通过对加载过程进行观察、记录，发现玄武岩纤维可以有效抑制裂缝的扩展。
Yanru Zhao等[19]采用三点弯曲试验研究了玄武岩纤维混凝土抗弯能力，试验结果表明，玄武岩纤维会提高混凝土的变形抵抗力，从而会抑制其弯曲损伤和破坏。并且当体积掺量为2kg/m3，抗弯性能达到最佳效果。
2 纤维增强混凝土耐久性研究
2.1 抗冻性
目前已有很多学者对纤维混凝土抗冻性能进行了研究，主要从质量损失及动弹性模量的角度分析了试件的抗冻性能。本节通过对国内外已有的研究现状进行总结，分析了各类纤维对混凝土抗冻性能的影响状况。
陈爱玖等[20]采用正交试验的方法，得出了强度等级为C35混凝土抗冻性能达到良好时的最优配合比，结果表明，当粉煤灰掺量为10%，再生骨料掺量为50%，减水剂掺量为0.5%，且纤维采用铣削波纹型钢纤维时，其再生混凝土的抗冻性能达到最优。
Jeongsoo Nam等[21]通过对PVA纤维和纤维增强水泥基复合材料(FRCC)抗冻性能进行研究，试验结果表明，PVA纤维与FRCC的混合对抗冻性非常有效。
2.2 抗渗性
对于纤维增强混凝土抗渗性能的研究目前较少，本节通过对已有的研究进行对比分析，得出了不同纤维种类、不同纤维长度及不同纤维掺量下混凝土的抗渗性能。
周静海[22]等人通过对聚丙烯纤维混凝土进行研究，发现废弃的聚丙烯纤维可以有效提高混凝土的抗渗性能，而且通过对比发现，纤维长度的变化较纤维掺量的变化对混凝土抗渗性能的影响更明显，并且指出，当纤维长度为19mm，体积掺量为0.16%时，试件的抗渗性能达到最优。
王红喜等[23]研究了混杂纤维对高性能混凝土抗渗性能的影响，纤维主要包括钢纤维、Dura纤维和Dolanit纤维三种。结果表明：单一纤维掺入后可以有效改善混凝土的抗渗性能，而且钢纤维增强能力更明显。除此之外，纤维混杂越多，抗渗性能越强。
2.3 抗腐蚀性
长期处于沿海地区的混凝土结构及构件，由于海水中存在大量的腐蚀性物质，当盐、碱类物质进入混凝土内部，就会与其发生物理化学等一系列反应，从而造成混凝土性能的劣化。本节通过对掺入纤维后的混凝土抗腐蚀性进行研究，发现纤维可以有效提高混凝土的抗腐蚀性。
姜锦磊等[24]为了模拟海水环境，采用干湿交替的腐蚀方法，对PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲韧性进行了试验研究。试验结果表明，腐蚀后纤维混凝土的初裂荷载、峰值荷载和弯曲强度均有所下降。在腐蚀前后，PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲韧性均高于普通混凝土。文献[25-26]指出，纤维会限制裂缝的宽度，从而降低延缓混凝土开裂。
李树慧等[14]采用试验方法研究了钢纤维对自密实混凝土抗压强度的影响，结果表明，当体积率为0.9%时，钢纤维自密实混凝土抗压强度最大。
Yuan Qin等[15]对聚丙烯纤维增强混凝土和普通混凝土抗压强度进行了比较，结果表明，聚丙烯纤维增强混凝土抗压强度较普通混凝土抗压强度高。
1.2 劈裂抗拉强度
结构设计中抗拉强度是确定混凝土抗裂能力的重要指标，本节主要从纤维掺量出发，研究了PVA纤维、碳纤维等不同种类的纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响。得出了各类纤维的最优配合比。
杜向琴等[16]通过试验研究，发现碳纤维混凝土的劈裂抗拉强度随纤维掺量的增加呈先增大后减小趋势，并提出了纤维体积掺量与相对劈裂抗拉强度之间的关系表达式。除此之外，从细观上对碳纤维混凝土增强机理进行了探讨。
F. S. Khalid等[17]通过对塑料合成纤维混凝土劈裂抗拉试验进行研究，发现纤维含量的增加会有效提高混凝土基体的抗拉强度。
1.3 抗折强度
抗折强度是衡量混凝土力学性能的重要指标之一，试验方法主要包括三点抗弯和四点抗弯。本节主要对比分析了玄武岩纤维对混凝土抗折强度的影响。
Farid Abed等[18]通过对掺入玄武岩纤维后的混凝土梁进行了四点加载试验，结果表明，掺入玄武岩纤维之后可以明显提高梁的曲率延性，而且通过对加载过程进行观察、记录，发现玄武岩纤维可以有效抑制裂缝的扩展。
Yanru Zhao等[19]采用三点弯曲试验研究了玄武岩纤维混凝土抗弯能力，试验结果表明，玄武岩纤维会提高混凝土的变形抵抗力，从而会抑制其弯曲损伤和破坏。并且当体积掺量为2kg/m3，抗弯性能达到最佳效果。
2 纤维增强混凝土耐久性研究
2.1 抗冻性
目前已有很多学者对纤维混凝土抗冻性能进行了研究，主要从质量损失及动弹性模量的角度分析了试件的抗冻性能。本节通过对国内外已有的研究现状进行总结，分析了各类纤维对混凝土抗冻性能的影响状况。
陈爱玖等[20]采用正交试验的方法，得出了强度等级为C35混凝土抗冻性能达到良好时的最优配合比，结果表明，当粉煤灰掺量为10%，再生骨料掺量为50%，减水剂掺量为0.5%，且纤维采用铣削波纹型钢纤维时，其再生混凝土的抗冻性能达到最优。
Jeongsoo Nam等[21]通过对PVA纤维和纤维增强水泥基复合材料(FRCC)抗冻性能进行研究，试验结果表明，PVA纤维与FRCC的混合对抗冻性非常有效。
2.2 抗渗性
对于纤维增强混凝土抗渗性能的研究目前较少，本节通过对已有的研究进行对比分析，得出了不同纤维种类、不同纤维长度及不同纤维掺量下混凝土的抗渗性能。
周静海[22]等人通过对聚丙烯纤维混凝土进行研究，发现废弃的聚丙烯纤维可以有效提高混凝土的抗渗性能，而且通过对比发现，纤维长度的变化较纤维掺量的变化对混凝土抗渗性能的影响更明显，并且指出，当纤维长度为19mm，体积掺量为0.16%时，试件的抗渗性能达到最优。
王红喜等[23]研究了混杂纤维对高性能混凝土抗渗性能的影响，纤维主要包括钢纤维、Dura纤维和Dolanit纤维三种。结果表明：单一纤维掺入后可以有效改善混凝土的抗渗性能，而且钢纤维增强能力更明显。除此之外，纤维混杂越多，抗渗性能越强。
2.3 抗腐蚀性
长期处于沿海地区的混凝土结构及构件，由于海水中存在大量的腐蚀性物质，当盐、碱类物质进入混凝土内部，就会与其发生物理化学等一系列反应，从而造成混凝土性能的劣化。本节通过对掺入纤维后的混凝土抗腐蚀性进行研究，发现纤维可以有效提高混凝土的抗腐蚀性。
姜锦磊等[24]为了模拟海水环境，采用干湿交替的腐蚀方法，对PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲韧性进行了试验研究。试验结果表明，腐蚀后纤维混凝土的初裂荷载、峰值荷载和弯曲强度均有所下降。在腐蚀前后，PVA-钢混杂纤维混凝土的弯曲韧性均高于普通混凝土。文献[25-26]指出，纤维会限制裂缝的宽度，从而降低延缓混凝土开裂。
3结论与展望
纤维增强混凝土作为一种新型建筑材料，较普通混凝土相比，主要具有很好的抗拉性能，而且环保。纤维在混凝土种主要承担增强、阻裂等角色，而且与水泥基体有很高的粘结强度。按材料性质可分为金属纤维、无机纤维以及有机纤维。本文从纤维增强混凝土的力学性能及耐久性方面出发，并基于国内外已有的研究成果，对纤维增强混凝土的发展前景提出了如下几点展望：
(1) 随着我国城市化的快速发展，垃圾的排放量也迅速增加，如何有效利用垃圾，给人类带来了严峻的挑战。首先，对垃圾应做好分类，然后从中提取有价值的废料，加工成可利用的纤维材料，这样不仅取材应地制宜，而且环保，可以充分实现垃圾的再回收利用。
(2) 应深入研究纤维增强混凝土的微观机理，对于纤维在混凝土内部的分布情况应进行对比分析，选出一种使纤维分布更加均匀的施工工艺。
(3) 目前，对于纤维增强混凝土力学性能及耐久性的数值模拟方面研究较少，所以应加强数值模拟方面的研究，并通过与试验结果进行对比分析，为纤维增强混凝土材料的研究提供有效的理论支撑。
(4) 目前，对于纤维掺量和纤维长度对纤维增强混凝土力学性能及耐久性的研究较多，应该将纤维直径也作为一种变量来进行研究。
(5) 应多开展纤维增强混凝土在结构或构件中的应用，为其在结构中的应用提供技术依据。
参考文献：
[1] UJI D.,NATESAN S C.,MURUGESAN R.Experimental study on behavioes of polypropylene fibrous concrete beams [J].Journal of Zhejiang University (Science A:An International Applied Physics & Engineering Journal), 2007,8(7):1101-1109.
[2] 卢昌鑫,刘文录,翁兴中.道面聚丙烯纤维混凝土早期抗裂性试验[J].混凝土，2010,(7)：63-64.
[3] 金祖权,高嵩,侯保荣,等.玄武岩纤维增强路用混凝土力学与开裂性能[J].东南大学学报(自然科学 版),2010,40(S2):160-164.
[4] 江世永,陶帅,姚未来,等.高韧性纤维混凝土单轴受压性能及尺寸效应[J].材料导报,2017,31(24):161-168+173.
[5] 龙跃,赵波,徐晨光.矿渣棉纤维混凝土力学性能的实验研究[J].新型建筑材料,2017,44(01):17-19.
[6] 张艳霞,宁广,徐斌,等.木纤维混凝土空心砌块的力学性能试验研究[J].新型建筑材料,2016,43(09):43-46+76.
[7] 张兰芳,尹玉龙,岳瑜.玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响[J].硅酸盐通报,2016,35(09):2724-2728.
[8] Wuman Zhang, Sheng Gong, Jingsong Zhang. Effect of rubber particles and steel fibers on frost resistance of roller compacted concrete in potassium acetate solution[J]. Construction and Building Materials，2018，187： 752-759.
[9] Haoxia Ma, Hongfa Yu, Chuang Li, 等. Freeze–thaw damage to high-performance concrete with synthetic fibre and fly ash due to ethylene glycol deicer[J]. Construction and Building Materials，2018，187:197-204.
[10] 赵柏冬,孙志友,王舜.冻融环境下纤维混凝土的性能[J].沈阳大学学报(自然科学版),2018,30(06):492-497.
[11] 向阳开,蓝祥雨.隧道聚丙烯纤维混凝土抗渗性能分析及试验比较[J].土木建筑与环境工程,2010,32(05):114-118.
[12] 王继博,任慧超,张涛,等.麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能研究[J].新型建筑材料,2018,45(11):131-133+138.
[13] 杨智硕,陈明霞,叶梅新.玄武岩纤维对超高强混凝土力学性能的影响[J].混凝土与水泥制品,2019(02):52-55.
[14] 李树慧,蔡怀森.钢纤维对自密实混凝土力学性能的影响研究[J].中国水运(下半月),2010,10(02):191-192.
[23] 王红喜,陈友治,丁庆军,等.混杂纤维对高性能混凝土力学性能与抗渗性能的影响[J].山东建材,2004(01):27-30.
[24] 姜锦磊,孙敏,李风雷.海水腐蚀环境下PVA-钢混杂纤维混凝土弯曲韧性研究[J].混凝土与水泥制品,2018(12):53-56.
(1) 随着我国城市化的快速发展，垃圾的排放量也迅速增加，如何有效利用垃圾，给人类带来了严峻的挑战。首先，对垃圾应做好分类，然后从中提取有价值的废料，加工成可利用的纤维材料，这样不仅取材应地制宜，而且环保，可以充分实现垃圾的再回收利用。
(2) 应深入研究纤维增强混凝土的微观机理，对于纤维在混凝土内部的分布情况应进行对比分析，选出一种使纤维分布更加均匀的施工工艺。
(3) 目前，对于纤维增强混凝土力学性能及耐久性的数值模拟方面研究较少，所以应加强数值模拟方面的研究，并通过与试验结果进行对比分析，为纤维增强混凝土材料的研究提供有效的理论支撑。
(4) 目前，对于纤维掺量和纤维长度对纤维增强混凝土力学性能及耐久性的研究较多，应该将纤维直径也作为一种变量来进行研究。
(5) 应多开展纤维增强混凝土在结构或构件中的应用，为其在结构中的应用提供技术依据。
参考文献：
[1] UJI D.,NATESAN S C.,MURUGESAN R.Experimental study on behavioes of polypropylene fibrous concrete beams [J].Journal of Zhejiang University (Science A:An International Applied Physics & Engineering Journal), 2007,8(7):1101-1109.
[2] 卢昌鑫,刘文录,翁兴中.道面聚丙烯纤维混凝土早期抗裂性试验[J].混凝土，2010,(7)：63-64.
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orced and polypropylene-fiber-fabric-reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2019, 194(10):216-225.
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[19] Yanru Zhao, Lei Wang, Zhenkun Lei,等. Study on bending damage and failure of basalt fiber reinforced concrete under freeze-thaw cycles [J]. Construction and Building Materials, 2018, 163(28):460-470.
[20] 陈爱玖,王静,杨粉,等.纤维再生混凝土的抗冻性能试验研究[J].混凝土,2013(02):1-4.[21] Jeongsoo Nam, Gyuyong Kim, Bokyeong Lee, 等. Frost resistance of polyvinyl alcohol fiber and polypropylene fiber reinforced cementitious composites under freeze thaw cycling[J]. Composites Part B: Engineering，2016, 90:241-250.
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[25] Liang Fan, Yi Bao, Weina Meng等. In-situ monitoring of corrosion-induced expansion and mass loss of steel bar in steel fiber reinforced concrete using a distributed fiber optic sensor[J]. Composites Part B: Engineering. 2019, 165:679-689.
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