学文网作者简介：第一作者：谢国庆， 男 汉族1988年6月 郑州大学 水利与环境学院 2009级 水利水电工程专业 1班
第二作者：张玉飞，男，郑州大学，水利与环境学院，2009级，水利水电工程专业 1班
摘 要：本文主要对纤维混凝土的发展概况和增强机理，以及纤维混凝土的力学性能改善和主要影响因素进行简介，并且简单地介绍了纤维混凝土的技术发展方向和当前主要存在的问题。
关键词：纤维混凝土；钢纤维混凝土；性能；机理；玻纤维混凝土；碳纤维混凝土；聚丙烯纤维混凝土
毫无疑问，混凝土已经成为当前最主要的优良建筑材料，但是水泥混凝土仍然存在突出的缺陷，即：它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性、抗爆等性能却比较差，干缩性较大，容易产生裂缝且裂缝难以得到有效防止和控制。因此，为了改善混凝土的种种缺陷，纤维混凝土应运而生。纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地掺和在混凝土中，成为一种可浇注或可喷射的材料，从而形成的一种新型的增强型建筑材料［1］。
1 纤维混凝土的发展和增强机理
1.1 纤维混凝土的发展
纤维混凝土发展始于20世纪初，最早以研究钢纤维混凝土为最早，早在1910年美国的 H.Porter 就发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇论文。进入20世纪70年代，不仅钢纤维混凝土的研究发展很快，而且碳、玻璃、石棉等高弹纤维混凝土，尼龙、聚丙烯、植物等低弹性纤维混凝土的研制也引起了各国的关注。增强理论的广度和深度取得了令人鼓舞的成果，而且在工程应用中得到快速应用和发展。
1.2 纤维混凝土的增强机理
纤维混凝土中乱向分布的纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展,在受荷(拉、弯）初期，水泥基料与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能［2］。
自1910年纤维混凝土问世以来，经100 年的不懈努力，其增强机理才逐步发展起来。目前，对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理存在着两种不同的理论解释。其一，为美国的 J.P.Romualdi 提出的“纤维间距机理”；其二，为英国的Swamy Mamgat等提出的“复合材料机理”［3］。
1.2.1 纤维间距理论
纤维间距理论，是根据线弹性断裂力学理论来说明纤维材料对于裂缝发生和发展的约束作用。这一机理认为：在混凝土内部原来就存在缺陷，欲提高这种材料的强度，必须尽可能减小缺陷的程度、提高这种材料的韧性、降低内部裂缝端部的应力集中系数。
由于纤维间距机理假定，纤维和基体间的黏结是完美无缺的，但是，事实却不尽如此，它们之间的黏结肯定有薄弱之处。因而还不能客观地反映纤维增强的机理。
1.2.2 复合材料机理
复合材料机理的理论出发点是复合材料构成的复合原理，将纤维混凝土看做是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度在基体和纤维完全黏结的条件下，并在基体和连续纤维构成的复合体上施加拉伸力时，该复合体强度是由纤维和基体的体积比和应力所决定。
但复合材料理论同时也存在其不足之处，其忽略了纤维对基体的阻裂作用，即忽略了复合带来的耦合效应。
2 纤维混凝土的性能的改善
2.1 纤维混凝土较普通混凝土对于控制裂缝发展的优越性
混凝土不可避免地会产生裂缝,尤其对于大体积混凝土，然而，纤维混凝土在有效控制裂缝产生和控制裂缝发展上具有巨大的优越性。纤维可以阻碍混凝土内部微裂缝扩张,水泥基料和纤维共同受力。即使在产生裂缝后，横跨裂缝的纤维可以单独或者与钢筋共同参与受力，限制裂缝进一步发展。因此，混凝土中适量配比的纤维的阻裂效果明显。
2.2强度和重量比值大
纤维混凝土的强度重量比值大，这是纤维混凝土具有经济优越性的主要原因。在混凝土中掺入适量纤维，其抗拉强度可提高25%～50%，抗弯强度可提高40%～80%，抗剪强度可提高50%～100%。因此，纤维混凝土较普通混凝土具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。
2.3 收缩性能改善
在通常的纤维掺量下，纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%～9%。因此，纤维混凝土的收缩性能明显改善。
2.4 抗疲劳性能显著提高
纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%纤维抗弯疲劳寿命为1×106次时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51。当掺有2%纤维混凝土抗压疲劳寿命达2×106次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。所以，纤维混凝土的抗疲劳性能显著提高［4］。
2.5 抗冲击性能显著提高
材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性。在通常的纤维掺量下，冲击抗压韧性可提高2～7倍。冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍。所以，纤维混凝土具有卓越的抗冲击性能。
3纤维混凝土存在的主要问题及目前纤维混凝土技术的研究发展方向
掺入纤维后,混凝土成本过大,性能不稳定是纤维混凝土应用中的主要问题：纤维一般用量较大，价格较高。纤维掺量大时，纤维在混凝土中容易产生纤维团 使得搅拌困难，在施工过程中钢纤维容易外露，这也增加了施工的难度。并且，如钢纤维容易发生锈蚀，影响混凝土耐久性和使用安全。玻璃纤维由于耐碱性差，玻璃纤维增强混凝土的应用受到限制。此外，目前我国碳纤维大部分依赖进口。国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右。
目前纤维混凝土的发展主要有以下三个方向：1.通过化学或物理的方法改性纤维：通过物理或化学的方法对纤维进行改性，改善纤维与水泥基之间的界面粘结，增加纤维与水泥基的粘结力，可以提高纤维的作用效果。2.不同类型纤维的混杂，混凝土具有多相、多组分、在多尺度层次上复合的非均质结构特征。不同尺度和不同性质的纤维混合增强，可在水泥基中充分发挥各种纤维的尺度和性能效应，并在不同的尺度和性能层次上相互补充，取长补短。3.纤维新品种的研究开发和研究，新型玄武岩纤维和水镁石纤维混凝土是新近研究开发很有发展前景的新型纤维混凝土，具有优异的综合性能和性价比［4］。
综上所述，鉴于纤维混凝土的力学和经济优越性，为了使纤维混凝土在我国工程领域得到广泛地应用和发展，我们要努力降低纤维的造价，提高国内纤维的产量。还应积极探索，从微观和宏观上研究纤维混凝土的特性，促使我国纤维混凝土的研究上一个新的台阶。（作者单位：郑州大学水利与环境学院）
参考文献：
［1］ 李继业，刘经强，徐羽白.特殊材料新型混凝土技术［M］.北京:化学工业出版社,2007
［2］ 姜国庆,刘小泉,孙伟,秦鸿根.高性能特种水泥基复合材料（HPSCC）的关键技术研究,2007
［3］ 李继业.新型混凝土技术与施工工艺［M］.北京:中国建材工业出版社,2002
［4］ 林倩,吴飚.浅谈纤维混凝土［J］.福建建材,2011