一、纖維混凝土的定義及類型

      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程。纖維主要分為兩大類：粗纖維和細纖維。細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%。這個體積占比的大小主要由混合物攪拌的便易性及工程的應用場景來決定。舉個例子，因混凝土收縮和溫度變化所引起的二次應力通常用低劑量(體積占比為0.1%~0.3%)的纖維進行控制解決。當纖維劑量超過0.3%時，與不含纖維的普通混凝土相比，纖維混凝土的力學反應將發(fā)生顯著的不同，主要表現(xiàn)在于其開裂后依然具有的承載能力。纖維混凝土在發(fā)生開裂之后依然具有吸收能量的這種能力被稱之為“韌性”。當向混凝土中添加更高劑量的纖維時，它除了具有開裂后的韌性之外，纖維混凝土還表現(xiàn)出應變強化的特性。也就是說，這復合材料可以承受超過普通混凝土本身所應具有的抗拉應力。在這些假延性復合材料里，經(jīng)常可以看到多縫開裂且具有相當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制混凝土中的合成纖維：

1)碳纖維：相對于鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等，碳纖維的優(yōu)勢在于其自身的特性，高模量、耐熱性、在堿性環(huán)境及其他侵蝕性的化學環(huán)境中的化學穩(wěn)定性;另外，其具有顯著的改善力學性能的特性。歷史上第一次將碳纖維應用于水泥基材料的形式是高模量聚丙烯腈纖維，可以看到其力學性能得到了顯著的改善。這些碳纖維是通過高溫加工碳化聚丙烯腈材料然后經(jīng)過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格并不應用于混凝土中;在上個世紀80年代早期，隨著低廉的瀝青基碳纖維的出現(xiàn)，人們開始有將碳纖維應用于水泥基材料中。

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

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

4)聚乙烯醇纖維：這種纖維是用PVA樹脂經(jīng)過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。經(jīng)過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4%。它對堿性環(huán)境和有機物溶劑具有很好的抵抗性，在長期紫外線照射下強度損失也很小。

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;其他類的玻璃纖維，諸如無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度，并且與混凝土之間具有很好的粘結作用。玻璃纖維增強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%。為實現(xiàn)高含量玻璃纖維，混凝土成分需要高含量的水泥、細骨料，粗骨料基本沒有。

二、纖維在混凝土中的作用

1. 準靜力荷載和沖擊反應

      纖維在改善力學性能方面的功效作用很顯著。用于評估耐沖擊性的落錘試驗研究表明，相對于普通混凝土而言，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度，無論是初始開裂還是最后斷裂階段。類似的試驗結論也可以從摻加了鋼纖維的混凝土試驗中得出。目前尚未有統(tǒng)一標準的試驗方法用于測定纖維混凝土的抗壓強度，但有關研究表明，相對于普通混凝土，纖維混凝土的軸壓強度增加了85%~100%;進一步的研究表明，沖擊荷載作用下纖維混凝土在受壓后期并沒有顯著的峰后延性，這主要是因為混凝土碎片并沒有與纖維粘結于一起。盡管試驗結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有什么不同，沖擊系數(shù)均為1.5左右。而且，研究結果表明，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力沖擊系數(shù);但是，在動力荷載下的抗拉強度和開裂后的殘余抗彎強度卻得到了顯著的改善。纖維增強改善了混凝土的能量吸收的能力，主要是因為其提升了峰值后的應力傳遞能力，因此這是一個提高抗沖擊承載力的有效途徑。纖維的類型、長度、形狀都會顯著影響這些特性。正如之前所陳述的，纖維的種類很多，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，有時候甚至會超過鋼纖維混凝土的動力沖擊系數(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展率的位移作用下纖維與混凝土之間的粘結方式。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展抵抗力，相對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;推測起來主要可能是因為相對于鋼纖維來說，聚丙烯纖維自身對應變率敏感性更強。

2. 收縮裂縫的控制

      眾所周知，纖維能顯著影響水泥基復合材料的自由收縮和其他相關的早齡期特性。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30%之多。除了自由收縮之外，采用各種技巧手段來研究纖維對混凝土受約束收縮的相關作用也在進行之中。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度。相關的研究結論大概如下：

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

2)對于給定的纖維體積占比及纖維類型，長度更長、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、堿硅酸反應及鋼筋的銹蝕等作用，預制混凝土構件極易發(fā)生性能退化。在所有的這些情況中，水的滲透(透水性)起到了至關重要的作用。預制混凝土產(chǎn)品的耐久性主要取決于水的入侵/滲透速度。結果表明，透水性又反過來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。纖維增強改善了混凝土的開裂抵抗力、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。至于應力和因應力引起的混凝土開裂，結果已經(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，因為纖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。

      預制混凝土中的鋼筋銹蝕是個很重要的問題。混凝土中的氯離子污染是個主要的因素，其腐蝕鋼筋的機理及過程已經(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物更容易進入從而促使進一步的銹蝕。氯離子主要通過毛細水進行滲入擴散，而氯化物的擴散則主要取決于透水性。正如之前所表述的，纖維減小了應力混凝土或非應力混凝土的透水性，故減緩了氯離子的擴散速度。因此混凝土中加入纖維的做法是一種延長混凝土結構壽命行之有效的方法。