纤维混凝土概述
清华大学水利系 惠士博
80年代以来美国合成材料化学工业生产了一种纤维丝（称FIBERMESH），并将其应用于混凝土建筑物，通过大量材料性能和工程结构试验，现已得到广泛应用。对增强混凝土早期抗拉强度，防止早期由沉陷、水化热、干缩而产生的内蕴微裂纹，减少表现裂缝和开裂宽度，增强混凝土的防渗性能、抗磨损抗冲击性能及增强结构整体性有显著作用。现就纤维混凝土的主要性能和适用范围作一简要介绍。
1．混凝土的非结构性裂缝
混凝土出现裂缝，长期以来认为是一种正常现象，并认为不影响其使用。当混凝土应力超过其强度时就出现裂缝。由外力所产生应力而引起的裂缝可用提高混凝土铺砌面、板墙结构的结构强度加以补偿。然而由混凝土本身收缩引起的内蕴应力长期以来是一个需加控制的问题。由于这类裂缝不可预见它们发生的种类、位置和机理，其绝大多数是由于干燥过程中产生的收缩应力引起的内蕴裂缝。这些裂缝是混凝土浇筑后的第一个24h内形成。沉陷和收缩裂缝初期在一段时间内是无法观察到的，它们常被表面抹光于表面弥合，或者只是不够宽而看不到，直到混凝土裂缝由于荷载使这些微裂隙薄弱面发展成为可见裂缝。
塑性收缩裂缝一般贯穿整个构件或板块，使混凝土达到其设计强度前就形成薄弱面而降低其整体性。几种内蕴裂缝的成因和出现的时间如表1。
合成纤维混凝土是在混凝土中加入由聚丙烯制成的合成材料纤维丝，以增强塑性混凝土的抗拉能力，显著降低其塑性流动和收缩微裂纹。这种减少或消除塑性裂纹使混凝土获得其最佳的长期整体性。由聚丙烯制成的合成材料纤维丝是特为应用于混凝土而开发的产品，它制成纤维束。当这种纤维束用量为0.9kg/m3加入混凝土拌合料，经拌合使其打开并分散成无数单个纤维。这些纤维呈各向均匀分布于整个混凝土，使混凝土得到辅助的加强，以防止收缩裂缝。在随处都有纤维的混凝土中，亦可最大限度减小在有强度状态下混凝土可能出现裂缝的宽度和长度。
加入聚丙烯纤维的混凝土可减小其泌水率和总量，增加塑性混凝土的延伸度，由此可成倍增加抗塑性沉陷裂缝的作用。
2．微观补强的现代技术
为避免混凝土表面裂缝，常应用钢丝网，这总是担心它们的位置是否正确或已移动，给施工增加难度。而现今开发的聚丙烯纤维混凝土，是一种极为高级的在混凝土塑性和硬化过程中对其进行补强的现代新技术。
与钢丝网补强比较，纤维混凝土除能防止裂缝的集中出现外，还有对混凝土补强防止塑性收缩裂缝的出现，加强抗冲击、抗磨损、抗破损，具有防锈蚀，并有安全、使用方便等优点。另外纤维混凝土不必使用吊车、固定钢丝网等设备，因而可加快施工进度，节省施工费用。
合成材料纤维丝是一种惰性材料，并不影响混凝土的成型特性，它能适应多种表面处理工艺，如压实成型、手抹刀挤抹、动力抹压、表面涂层处理、涂颜色、干刷、加入液体早强硬化剂和加气剂等。
纤维混凝土不会生锈和表面有锈蚀污点，合成纤维丝不腐蚀和耐酸碱。在通常纤维用量下新鲜混凝土粘滞性亦即振动时的和易性好，不因加入纤维而影响其和易性。纤维不对水泥的化学水解作用产生任何影响，它完全是纯力学作用改善其工作和力学性能。预先加入的纤维，在中心混凝土工厂或混凝土搅拌卡车上按规定时间和速度拌合，卸料后纤维都能均匀分布于混凝土中，搅拌过度也不会改变其工作性能。
3．纤维束－先进的混凝土技术
美国生产合成材料纤维束的公司FIBERMESH在全世界范围实施一项连续的研究计划，以推动纤维束用于混凝土结构，在一些著名的大学和研究机构进行的研究有：塑性裂缝、冲击试验、挠曲强度、静载强度试验、耐久性、喷浆、氯离子穿透性、钢筋腐蚀、疲劳强度、抗磨损、受拉应力应变、流变性能、裂缝宽度、粘结性能、抗压强度试验、泌水性、抗震试验、抗冻性、稠度、石油反应、耐久级别。
纤维束是专为发展新型混凝土而生产的合成材料产品。合成材料工业和混凝土技术工程师们紧密合作以发展新型混凝土、灰浆、砂浆和浇筑制品的研究和生产，这为合成材料在混凝土工业中的应用提供了可靠的技术保证。根据试验研究和应用实践，纤维混凝土有下列优点。
3.1减少塑性裂缝和混凝土的渗透性
试验表明，掺加合成材料纤维的混凝土，明显增加了混凝土早期抗收缩裂缝和震动引起裂缝的能力。加入量为0.9kg/m3聚丙烯纤维增大了抗拉强度，这一点特别重要。因为大部分混凝土裂缝在浇筑后第一个24h内产生，这时混凝土最敏感产生震动裂缝、收缩裂缝和沉陷裂缝。早期裂缝一旦发生，会增加混凝土的渗透性，并使混凝土暴露于易损伤环境的表面增加，这使混凝土早期老化，并缩短其使用寿命。
在加州大学伯克利分校和圣荷西州大学进行板件裂缝试验表明，纤维丝在控制混凝土裂缝的作用甚至在不是很好的养护条件下都十分明显。试验采用了很多不同原料配比，并加和不加纤维掺料两种情况，无一例外，纤维混凝土的抑制裂缝发生方面比无纤维的对比试件要少90%~100%。混凝土板为无纤维掺加料的试板，2.5h就开始有微细裂缝，大部分裂缝在4h就已出现。而掺纤维的混凝土板在25h，甚至28h后未见裂缝。
对素混凝土和加入不同量纤维的补强混凝土试件的渗透进行比较，由渗透量表明，在掺加量为9593kg/m3时，渗透系数减少33%~44%，而掺加量为1.186kg/m3时，渗透系数减少高达79%。
3.2增强抗磨损能力
应用美国陆军工程兵团所采用的混凝土或砂浆表面抗磨损试验（转动切削法）方法，以评价其抗磨损性能。其结果表明，根据转动切削试验法纤维混凝土增强抗磨损能力105%。使用纤维后增加的粗糙度，将使混凝土在同样外露表面磨损试验条件下，抗磨损能力增加1倍。
也曾与挪威高速公路试验室合作进行抗磨损试验。试验在挪威有钉帽的轮胎测试混凝土磨损试验机上进行。其结果表明C-75有纤维的混凝土试样比无纤维的对比试样，其抗磨损能力增加52%，而其试件磨损损失量少34.4%。C-50纤维混凝土试样，水泥用量虽少，但所显示比C-75对比试样的抗磨损能力增加20%，而其材料磨损损失量少17.2%。
3.3静载试验表明可替代焊接钢丝网
此项试验的目的是在大比尺下比较掺加建议用量纤维混凝土和素混凝土板的挠曲变形和强度,权及因为控制干缩裂缝而配有钢丝网的板的比较。试验结果指出，纤维掺量为0.9kg/m3的板其挠曲强度比有钢丝网的高2%，比素混凝土板高8%。而荷载－挠度曲线表明纤维混凝土完全可以用于代替焊接钢丝网混凝土，钢丝网一般都用于控制干缩裂缝目的，特别在无钢筋的混凝土结构。
3.4增加抗破损能力
纤维混凝土和素混凝土抗破损能力试验用压缩试验机测定。试件尺寸为525mm×150mm×150mm，高宽比为3.5:1，以模拟高层建筑的柱子，压力强度机加载速度为0.635mm/min。试验结果表明，纤维混凝土试件的压缩变形比素混凝土试件大10%，且并不碎塌，而素混凝土试件在出现第一个裂缝后，很快就碎裂坍塌。这一纤维混凝土的特性对考虑震动荷载下结构对生命财产的影响时是十分重要的。在混凝土劈裂时，纤维就显露，纤维从混凝土中拉出时，整个长度都和混凝土水泥浆粘结良好。
3.5增加抗冲击能力
纤维混凝土复杂的抗冲击试验，是大不列颠哥伦比亚大学应用由Mindess博士研制的冲击试验机上进行的。结果表明，对有钢筋的梁和无钢筋的梁，加入的纤维束对混凝土有明显增加其能量吸收的作用。纤维束有两种作用，它们使裂缝间阻止其进一步发展，并在承受应力时，于钢筋周围加强混凝土和钢筋的连结。当纤维量达0.5%时，对有钢筋的混凝土梁抗冲击能力有明显提高。
4．结束语
纤维混凝土是一种新型建筑材料，它将合成化学纤维和传统的混凝土相结合，可有效防止混凝土因早期干缩，塌沉所引起的内蕴裂缝。现美国高层建筑楼面，高速公路路面，荷载较大的仓库地面、停车场、贮水池等结构已得到应用。值得我国研究。但对纤维束本身的性能，如纤维丝的直径强度、拉伸变形等尚未见有详尽介绍。单价也是涉及应用前景的问题。至今美国仍在开展纤维混凝土的研究，以便使新产品的发展有牢固的科学依据。我国某些科研院所和高等学校也已开始着手进行这方面研究，但应用于实际工程，尚有相当工作要做。
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