韋 宗 延

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

水泥基材料是指以水泥作為膠凝材料的工程材料，常用的有混凝土和砂漿等。水泥基材料由于其適用性強(qiáng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。然而，水泥基材明顯的脆性特征以及較差的抗拉性能、抗裂性等缺陷常導(dǎo)致構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的性能降低，嚴(yán)重制約了水泥基材料的使用以及建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，各種大跨度結(jié)構(gòu)將越來(lái)越多，國(guó)家也將建設(shè)更多處于極端環(huán)境下的建筑，這就對(duì)當(dāng)前的建筑材料性能提出了更高的要求。

纖維增強(qiáng)水泥基材料，是高性能水泥基材料研究的一個(gè)重要方向。在水泥基基材中摻入纖維，以改善普通水泥基材料抗拉強(qiáng)度低、韌性差、易開(kāi)裂等性能缺陷，同時(shí)還賦予良好的抗?jié)B、抗凍以及抗腐蝕性能[1]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究已大量開(kāi)展，總體上可分為單一纖維增強(qiáng)與復(fù)合多纖維增強(qiáng)兩大類(lèi)。本文旨在就目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，找出現(xiàn)有研究的不足，并探討纖維增強(qiáng)水泥基材料的進(jìn)一步研究的方向。

1 常用的增強(qiáng)纖維種類(lèi)

工程環(huán)境的差別決定了纖維增強(qiáng)混凝土應(yīng)具有不同的工程性質(zhì)，而這些性質(zhì)又是所摻入的纖維種類(lèi)所賦予的。常用于增強(qiáng)混凝土的纖維，可分為化學(xué)纖維和自然植物纖維兩類(lèi)，化學(xué)纖維有聚丙烯纖維、芳族聚酰胺纖維等，自然植物纖維有棉纖維、麻纖維等。表1給出了常用的纖維增強(qiáng)混凝土種類(lèi)及其優(yōu)缺點(diǎn)。

2 單一纖維增強(qiáng)

摻入水泥基基材中的纖維，能可靠地與水泥基結(jié)合，在受拉狀態(tài)下承擔(dān)拉力，在有效地控制裂縫產(chǎn)生與發(fā)展的同時(shí)，還能改善混凝土的耐久性；同時(shí)由于采用不同的纖維種類(lèi)，所得到水泥基

復(fù)合材料的工程性能也不盡相同。采用單一纖維增強(qiáng)水泥基材料是國(guó)內(nèi)外學(xué)者常用的方法，很多學(xué)者針對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基材料的某一項(xiàng)或多項(xiàng)性能進(jìn)行了一系列的研究。

表1 常用纖維增強(qiáng)混凝土種類(lèi)及特點(diǎn)

玻璃纖維(耐堿)和聚丙烯纖維因其出色的性?xún)r(jià)比和適應(yīng)性，被廣泛應(yīng)用于水泥基材料增強(qiáng)。在玻璃纖維增強(qiáng)方面，高妮等(2016)[3]對(duì)改性玻璃纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示改性纖維的加入改善了纖維與混凝土基體的界面性能，增強(qiáng)了混凝土的力學(xué)性能。傅翔等(2016)[4]在永久模板中加入了耐堿玻璃纖維增強(qiáng)了永久模板的抗折性能，并給出耐堿玻璃纖維的最優(yōu)摻量參考比例。在聚丙烯纖維增強(qiáng)方面，李長(zhǎng)風(fēng)等(2009)[5]對(duì)聚丙烯纖維對(duì)砂漿的抗裂性能的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維能有效地抑制水泥砂漿早期裂縫的發(fā)展。梁寧慧等(2012)[6]將不同尺度的聚丙烯纖維摻入混凝土，通過(guò)單軸拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單摻粗纖維混凝土的抗拉韌性要優(yōu)于單摻細(xì)纖維混凝土。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們還使用連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土，使混凝土具備一定的定向承載力。目前使用較多的連續(xù)長(zhǎng)纖維有纖維筋和纖維織物網(wǎng)，其中纖維織物網(wǎng)增強(qiáng)混凝土(TRC)同時(shí)具有短纖維增強(qiáng)混凝土和普通鋼筋混凝土的優(yōu)點(diǎn)。尹世平等(2015)[7]采用四點(diǎn)加載法，對(duì)TRC加固混凝土梁的疲勞性能進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)在荷載循環(huán)次數(shù)不斷上升時(shí)，配網(wǎng)率和配筋率的增加能有效地減緩中和軸的上升，從而使構(gòu)件的疲勞壽命得到了提高。綜上所述，可以看出摻入單一纖維后，水泥基材料的部分力學(xué)性能可以得到有效地增強(qiáng)。

3 多纖維復(fù)合增強(qiáng)

單摻纖維只能針對(duì)性地提升混凝土的某一力學(xué)性能，仍無(wú)法滿足現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展需求，混摻多種纖維能在不同受力層次上同時(shí)提升混凝土的多種力學(xué)性能。目前我國(guó)對(duì)于多纖維增強(qiáng)混凝土的研究相對(duì)于國(guó)外還較少。華淵等(2005)[8]對(duì)混雜纖維增強(qiáng)混凝土抗壓、抗彎強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明纖維的長(zhǎng)徑比對(duì)增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，但對(duì)抗彎強(qiáng)度有較大影響。趙晶等(2007)[9]使用耐堿玻璃纖維與聚丙烯纖維混合增強(qiáng)混凝土，發(fā)現(xiàn)兩種纖維能有效地提升混凝土的早期抗裂性。夏冬桃等(2013)[10]對(duì)鋼纖維、塑鋼纖維和杜拉纖維混摻增強(qiáng)混凝土進(jìn)行了研究，結(jié)果表明三元混雜纖維相對(duì)于二元混雜纖維與單摻纖維在增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能和變形性能方面，增強(qiáng)幅度更大。

此外，學(xué)者們嘗試采用多纖維與連續(xù)長(zhǎng)纖維混合，進(jìn)行水泥基材的增強(qiáng)。吳耀青(2017)[11]采用短切耐堿玻璃纖維及連續(xù)玄武巖長(zhǎng)纖維同時(shí)增強(qiáng)水泥基基材，發(fā)現(xiàn)多纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基澆筑的薄板，其力學(xué)性能與抗彎性能都要優(yōu)于單一纖維增強(qiáng)水泥基薄板。沈玲華等(2016)[12]對(duì)摻入短切纖維的TRC薄板進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻入短纖維能增強(qiáng)TRC薄板的承載力，并且能有效地延緩裂縫的發(fā)展?？梢钥闯?，復(fù)合纖維增強(qiáng)水泥基材料的各項(xiàng)力學(xué)性能，比單一纖維增強(qiáng)以及普通水泥基材料的力學(xué)性能都要優(yōu)越。

4 纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著可持續(xù)發(fā)展觀念逐漸深入人心，未來(lái)建筑的發(fā)展方向一定是綠色的、環(huán)境友好型建筑。因此，未來(lái)纖維增強(qiáng)水泥基材料可能有如下幾種發(fā)展趨勢(shì)：

1)天然植物纖維增強(qiáng)水泥基材料。我國(guó)有著豐富的天然植物纖維資源，這些材料廉價(jià)、可再生、可降解，符合綠色建筑的觀念。而傳統(tǒng)的化學(xué)纖維材料，耗能大，在使用過(guò)程中容易污染環(huán)境。此外對(duì)于天然植物纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究目前仍處于起步階段，天然植物纖維的增強(qiáng)效果尚有較大潛能未開(kāi)發(fā)出來(lái)。因此，大力發(fā)展天然植物纖維增強(qiáng)水泥基材料，將會(huì)成為一個(gè)主流研究方向。

2)多功能復(fù)合纖維增強(qiáng)水泥基材料。國(guó)內(nèi)外目前對(duì)于纖維增強(qiáng)水泥基材料的研究，大多是單一、多纖維增強(qiáng)，以及連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土，然而單一、多纖維增強(qiáng)混凝土不具備有定向承載能力；連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土容易開(kāi)裂，這會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性降低。未來(lái)的纖維增強(qiáng)混凝土發(fā)展方向，應(yīng)是兩者的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)多尺度纖維復(fù)合增強(qiáng)水泥基材料，使其具備更優(yōu)良的力學(xué)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

纖維增強(qiáng)水泥基材料能有效地加固混凝土結(jié)構(gòu)，賦予混凝土更優(yōu)良的工程性能，同時(shí)，使用自然植物纖維更符合可持續(xù)發(fā)展理念。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，將會(huì)出現(xiàn)越來(lái)越多的超高層、大跨度建筑，也會(huì)有更多建設(shè)在海洋、沙漠等惡劣地區(qū)的建筑，對(duì)于混凝土材料的性能也有著更高的要求。因此，纖維增強(qiáng)水泥基材料未來(lái)將有一個(gè)廣闊的發(fā)展前景。