【摘要】改性纖維是近年來發(fā)展起來的一種新型建材，對纖維材料進(jìn)行改性，強(qiáng)化性能，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。纖維材料理論主要研究力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征，文章并以建筑工程中常見的聚丙乙烯纖維、碳纖維、耐堿玻璃纖維和鋼纖維材料為對象，對混凝土強(qiáng)度性能的影響進(jìn)行系統(tǒng)闡述和總結(jié)，并對改性纖維混凝土的相對強(qiáng)度性能和相對質(zhì)量損失等耐久性指標(biāo)展開了分析和歸納。經(jīng)試驗(yàn)證明，改性纖維對混凝土的強(qiáng)度有較大的增加作用，故對其進(jìn)行深入的研究，可為我國混凝土的強(qiáng)化提供新的思路。

【關(guān)鍵詞】混凝土；改性纖維；混凝土強(qiáng)度

【中圖分類號】TU599" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2023）23-0016-03

0 引言

混凝土是當(dāng)今世界最常用的建筑材料之一，其廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)中[1]。然而，傳統(tǒng)混凝土的強(qiáng)度和性能存在一定的局限性，如抗拉強(qiáng)度弱、易開裂和脆性等問題[2]。為了克服這些問題并進(jìn)一步提高混凝土的性能，研究人員開始將纖維材料引入混凝土中，以形成復(fù)合改性混凝土。復(fù)合改性纖維是一種將纖維材料與混凝土合并的復(fù)合材料體系，通過將纖維的高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)異的抗拉性能引入混凝土中，可以改善混凝土的力學(xué)性能，并提供增強(qiáng)和增塑效果[3]。復(fù)合改性纖維與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土相比，具有較高的抗裂性能、耐久性、抗震和環(huán)保性能。

近年來，復(fù)合改性纖維對混凝土強(qiáng)度影響的研究日益受到關(guān)注。許多研究已先行研究，旨在探究不同類型、含量和分散狀態(tài)的纖維對混凝土強(qiáng)度的影響[4]。研究結(jié)果表明，復(fù)合改性纖維可以顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性能，延緩裂縫擴(kuò)展和增加混凝土的韌性。此外，復(fù)合改性纖維還可以有效減少混凝土的收縮和開裂[5]?；炷林袕?fù)合改性纖維的回收利用，可以減少廢棄物，降低資源消耗。

然而，目前對于復(fù)合改性纖維對混凝土強(qiáng)度影響的研究仍存在一些挑戰(zhàn)和不足之處。首先，由于復(fù)合改性纖維的類型繁多，纖維與混凝土之間的相互作用機(jī)制尚不完全清楚。其次，纖維的分散狀態(tài)和界面粘結(jié)性能對復(fù)合改性混凝土的性能也起著重要影響，但目前對此的研究還相對有限。最后，復(fù)合改性纖維在實(shí)際工程中的應(yīng)用還面臨成本、施工和可持續(xù)性等方面的挑戰(zhàn)。

因此，本研究旨在系統(tǒng)地分析復(fù)合改性纖維對混凝土強(qiáng)度的影響，并深入研究纖維基礎(chǔ)理論、類型、含量、性能等因素對混凝土性能的影響機(jī)制。通過對復(fù)合改性纖維與混凝土相互作用的深入認(rèn)識，可以為混凝土工程的設(shè)計和施工提供科學(xué)依據(jù)，推動復(fù)合改性纖維在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。最終，進(jìn)一步提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性，推動可持續(xù)和高性能混凝土的發(fā)展。

1 理論基礎(chǔ)分析

1.1 纖維材料理論

纖維材料理論是研究纖維材料力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征的科學(xué)理論[6]。這些材料通常由成千上萬個細(xì)長的纖維組成，如碳纖維、玻璃纖維和聚合纖維等。纖維材料理論主要關(guān)注纖維材料的力學(xué)行為，包括其強(qiáng)度、剛度、塑性和破壞行為等。該理論使用力學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型來描述纖維材料的力學(xué)性能，從而提供可靠的設(shè)計和分析方法。通常，纖維材料的力學(xué)性能受到纖維本身的性質(zhì)以及纖維之間的相互作用影響。考慮纖維的導(dǎo)向性、排列方式、長度和直徑等因素，并與纖維材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成相關(guān)聯(lián)。有了纖維材料理論，工程師和科學(xué)家可以更好地了解纖維材料的特性并進(jìn)行有效的設(shè)計和優(yōu)化。此外，該理論還為纖維材料的制備、加工和性能評估提供了指導(dǎo)。

1.2 混凝土材料理論

混凝土材料理論是研究混凝土的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)特征的科學(xué)理論[7]?；炷潦且环N由水泥、骨料、水和其他摻合料按一定比例混合而成的復(fù)合材料?；炷敛牧侠碚撝饕P(guān)注混凝土在受力下的行為和性能。它涵蓋了混凝土的強(qiáng)度、剛度、抗裂性能、耐久性等重要指標(biāo)，并通過力學(xué)原理和數(shù)學(xué)模型來描述混凝土的力學(xué)行為?；炷敛牧侠碚摽紤]了混凝土的各個組分之間的相互作用和影響，包括水化反應(yīng)、骨料排列、孔隙結(jié)構(gòu)等。理論模型可以預(yù)測混凝土在受力下的應(yīng)變和應(yīng)力分布，進(jìn)而評估其承載能力和變形特性?；炷敛牧侠碚撌腔炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的基礎(chǔ)。工程師借助該理論可以進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算、設(shè)計和優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。此外，混凝土材料理論也為混凝土的質(zhì)量控制、施工工藝改進(jìn)以及混凝土結(jié)構(gòu)的維護(hù)提供了指導(dǎo)。

2 纖維對混凝土強(qiáng)度性能的影響

2.1 纖維長度的影響

在以碳纖維為原料的基礎(chǔ)上，黨軍亮等[8]通過對碳素纖維的摻量、不同長度等因素對其抗壓、抗拉、抗劈拉性能的影響進(jìn)行了研究。在碳纖維含量為2%時，摻入10mm、15mm和20mm三種不同長度的纖維，與摻入10mm和20mm的碳纖維混凝土進(jìn)行比較，當(dāng)摻入碳纖維長度為15mm時，獲得的抗壓、抗劈拉、抗拉3個方面的數(shù)據(jù)為最大值。同理，當(dāng)將碳纖維的摻量改為6%時，在抗壓強(qiáng)度、抗劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度3個方面，摻入15mm長度的碳纖維時，獲得最好的抗壓效果。綜上可以看出混凝土的強(qiáng)度與纖維的長度有關(guān)，但并非線性相關(guān)，在摻入量一定時存在一個最優(yōu)的長度可以使混凝土的強(qiáng)度達(dá)到最大。

2.2 纖維摻量的影響

薛明凱[9]分別加入1，2，3，4，5，2kg/m3玄武巖纖維及0.3，0.6，0.9，1.2，1.5，1.8，2kg/m3聚丙烯纖維，分別在兩種條件下分別測試其壓縮強(qiáng)度。在2kg/m3玄武巖纖維的用量下，與普通混凝土相比，其抗壓強(qiáng)度可提高2.08%；在2kg/m3玄武巖纖維的用量下，其抗拉力比一般的鋼筋混凝土提高了15.92%，而其抗折力比一般鋼筋混凝土提高了18.38%。當(dāng)聚丙烯纖維單獨(dú)加入0.9kg/m3時，其抗壓強(qiáng)度的提高幅度為0.26%。當(dāng)加入量為1.2kg/m3時，拉伸和彎曲強(qiáng)度分別提高了18.34%和15.69%。如果超過了上述各項(xiàng)的最優(yōu)用量，則會使其強(qiáng)度降低，如果用量過高，則會使其各項(xiàng)強(qiáng)度低于一般混凝土。

李克江等[10]研究了鋼纖維、聚丙烯纖維和玄武巖纖維三種纖維對三元復(fù)合纖維混凝土力學(xué)性能的影響，在9種不同纖維配比下，分別以2%鋼纖維、0.1%聚丙烯纖維和0.2%玄武巖纖維三種纖維配比，三元復(fù)合纖維混凝土在失效時具有最佳的軸壓韌性；它的強(qiáng)度是一般混凝土的2倍以上。聶潔等[11]在實(shí)驗(yàn)條件下，研究了摻入纖維的UHRC性能，并對 UHRC的性能進(jìn)行了優(yōu)化。隨纖維摻入量的增加，其膨脹系數(shù)減小了2.72%，抗壓強(qiáng)度減小了5.79%。彎曲強(qiáng)度指標(biāo)表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢。在此基礎(chǔ)上，開展了-20℃，-40℃，-80℃三種不同摻量（0%，0.5%，1.0%）下的斷裂拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明：在低溫條件下，鋼纖維摻量為0.5%時混凝土的斷裂能最大。李政偉等[12]對鋼纖維混凝土在凍融循環(huán)中的受力性能進(jìn)行了分析。以普通混凝土為對照，分別在0.6%、0.9%、1.2%的鋼纖維摻量下，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度增加13.98%～26.55%，軸心抗壓強(qiáng)度增加12.59%～31.82%，彎曲強(qiáng)度增加19.70%～31.30%。

從上述試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中，我們可以發(fā)現(xiàn)，纖維的種類對提升纖維混凝土的強(qiáng)度有很大的影響。在不同纖維不同的摻量下，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都會有不同程度的改變。

2.3 纖維種類的影響

（1）鋼纖維混凝土。鋼纖維是指由碳、氧、氮等元素組成的纖維，具有不同的幾何外形，如形狀、長度、截面直徑等。1963年在美國發(fā)表了一篇關(guān)于鋼纖維混凝土的論文，至此，鋼纖維的研究就開始受到了重視，由于鋼纖維的良好塑性、韌性和抗拉性能，將鋼纖維加入混凝土中，可以有效地提高其強(qiáng)度。尚剛等[13]人利用長度為35mm、長徑比為48的具有剪切特性的末端非均勻鋼纖維，在高性能混凝土中添加少量的鋼纖維，可以有效地抑制混合土體中的水分滲漏，并改善混凝土的抗?jié)B性能。祝云華等[14]通過三種鋼纖維―端鉤式剪切波浪型、冷拉型和剪切型的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在上述三種類型的基礎(chǔ)上，加入鋼纖維后，混凝土開裂明顯減少，最大滲透率下降58.5%。在噴砂混凝土中加入鋼纖維摻量時，鋼纖維摻量不得大于0.8%，可以有效地改善噴砂混凝土的抗?jié)B性能。已有研究多集中于對纖維含量指數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并證實(shí)了使用鋼纖維可改善混凝土強(qiáng)度性能，但由于鋼纖維具有不同的尺度和形狀，其尺度效應(yīng)對混凝土強(qiáng)度性能的影響尚需深入研究。

（2）耐堿玻璃纖維混凝土。在常規(guī)的玻璃纖維混凝土中，由于摻入了水泥，其本身具有一定的水化生成物，在混凝土中使用時，會與水泥形成膠凝材料作用，從而使混凝土的抗張強(qiáng)度和韌性下降。耐堿性能優(yōu)勢主要體現(xiàn)在，氧化鋯是一種極強(qiáng)的吸濕性物質(zhì)。隨著水化作用加快，當(dāng)水化產(chǎn)物與膠凝材料發(fā)生反應(yīng)時，會在表面形成致密、均勻且呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)的氧化鋯薄膜。耐堿玻璃纖維混凝土將高強(qiáng)抗拉與高強(qiáng)抗壓的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合在一起，可大幅度提升混凝土的力學(xué)性能，在混凝土路面等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但其長期耐久性仍然受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。程云虹等[15]人比較了三種單纖維混凝土的抗?jié)B性能，結(jié)果表明，三種單纖維混凝土的抗?jié)B性能均有不同程度的改善，并且改善的幅度為 ：聚丙烯纖維gt;耐堿玻璃纖維gt;鋼纖。張永存等[16]從介觀層次上研究了纖維摻入對混凝土孔隙結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和耐久性的影響，獲得了纖維摻入在提高混凝土強(qiáng)度和耐久性方面的作用。

（3）碳纖維混凝土。碳纖維是一種新型的高強(qiáng)度、低密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、低密度、耐高溫、耐磨耗、導(dǎo)熱、耐腐蝕、與混凝土粘接性能良好的新型高性能纖維。將碳纖維加入混凝土中，可以明顯改善其抗拉、抗彎、抗沖擊等性能。但其成本較高，限制了其推廣應(yīng)用。通過對碳素纖維的摻入量對混凝土抗?jié)B性的影響的試驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著碳素纖維摻入量的增加，水泥的抗?jié)B性呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，碳素纖維摻入量可以改善混凝土的抗?jié)B性，由于受多種因素的影響，碳纖維的長度對其抗?jié)B性的影響不大。

（4）聚丙烯纖維混凝土。聚丙烯纖維是一種新型的混凝土材料，它具有良好的耐久性、抗裂性、耐蝕性和抗沖擊性。在國內(nèi)率先應(yīng)用改性聚丙烯纖維，并于2001年應(yīng)用于梅河口市河道內(nèi)，取得了良好的防滲效果。在鋼筋混凝土中，用聚丙烯纖維作為第二級加強(qiáng)筋，一般為白色或半透明的單纖維或網(wǎng)格，混合后可形成分散的單纖維或網(wǎng)格。聚丙烯纖維因其優(yōu)良的機(jī)械性能、耐酸堿性能，特別是在提高混凝土耐久性能上的優(yōu)越性，已成為目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文總結(jié)了近年來國內(nèi)外有關(guān)纖維混凝土的研究成果，并提出了纖維混凝土強(qiáng)度在我國日益受到重視。在這一領(lǐng)域，雖然已經(jīng)取得了一定的成果，但是由于現(xiàn)實(shí)條件的限制，還有很多值得進(jìn)一步討論的問題。

（1）纖維混凝土的強(qiáng)度受多種因素的影響，這些因素與纖維的用量、種類、長度、試驗(yàn)條件等密切相關(guān)，大部分試驗(yàn)只是對一定數(shù)量的纖維混凝土做了一些微調(diào)，無法對其進(jìn)行全面的分析和觀察。

（2）目前我國纖維混凝土的強(qiáng)度研究多是通過加入纖維或加入其他物質(zhì)來提高其強(qiáng)度，而若要將復(fù)合纖維大量加入到工程中，則必須建立起一套完整的理論體系，為之提供有力的支持。

（3）在當(dāng)前的實(shí)踐中，使用最廣泛的是鋼纖維，但是其成本太高，并不適用于大規(guī)模使用。

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[作者簡介]李劍（1984 —），男，貴州興義人，大專，研究方向：巖土工程。