《纤维增强混凝土探究的文献综述》3800字

纤维增强混凝土研究的国内外文献综述纤维混凝土是在普通混凝土的基础上，掺入金属纤维、无机纤维或有机纤维等增强材料组成的一种复合材料。由于纤维是一种高抗拉、高延性的材料，加入混凝土中恰好可以弥补其抗拉强度低、延性差、易断裂等不足，提高了混凝土的抗拉强度，抑制了混凝土裂缝的产生，缓解混凝土已有裂缝的扩展，是一种有效提高混凝土强度和韧性的方法。纤维混凝土的出现要追溯到20世纪初，国外学者Porter在1910年发表了短纤维混凝土的相关研究报告[杨润年.钢纤维混凝土静力损伤及疲劳损伤研究[D].华南理工大学,2013.]，这也是首次关于纤维增强混凝土方面的研究记录。一年后，Graham学者往普通混凝土中掺入了钢纤维，制备出性能优异的钢纤维混凝土。此后，在1963年，Romualdi和Batson提出了基于钢纤维混凝土材料的纤维间距理论，开始了这种新型复合材料在应用方面的研究。钢纤维强度高、弹性模量高，对混凝土的增强、增韧作用效果显著，但其质量大，成本高，且易生锈、易腐蚀，分散性能差，在搅拌过程中易结团[赖建中,孙伟,董贺祥.粗合成纤维混凝土力学性能及纤维-混凝土界面粘结行为研究[J].工业建筑,2006(11):94-97.]，这些缺点限制了钢纤维在工程中的应用。而在非金属纤维中，碳纤维强度高、刚度大，但其造价昂贵，仅常用于工程结构上的加固，若在工程中大规模使用不切实际；玻璃纤维有较高的强度，但其成本较高[何芸,何真,孙海燕.粉煤灰和PVA纤维复掺水泥基材料微观机理分析[J].水利与建筑工程学报,2014(5):204-210.杨润年.钢纤维混凝土静力损伤及疲劳损伤研究[D].华南理工大学,2013.赖建中,孙伟,董贺祥.粗合成纤维混凝土力学性能及纤维-混凝土界面粘结行为研究[J].工业建筑,2006(11):94-97.何芸,何真,孙海燕.粉煤灰和PVA纤维复掺水泥基材料微观机理分析[J].水利与建筑工程学报,2014(5):204-210.1.1纤维增强混凝土理论研究表明，纤维在水泥基材料或混凝土材料中发挥的增强效果主要取决于基体强度[王力,徐礼华,邓方茜,刘素梅,池寅.波纹型钢纤维-混杂纤维混凝土界面黏结性能[J].建筑材料学报,2020,23(04):864-874.]、纤维类型[张翼翔.纤维种类和掺量对混凝土力学及抗氯离子渗透性能的影响研究[D].哈尔滨工程大学,2019.]、纤维长径比[罗洪林,杨鼎宜,周兴宇,等.不同长径比聚丙烯纤维增强混凝土的力学特性[J].复合材料学报,2019,36(8):1934-1948.][李传习,石家宽,聂洁,曾宇环.平直型钢纤维掺量与长径比对超高性能混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2019,38(09):2946-2954.]、纤维掺量[张兰芳,尹玉龙,岳瑜.玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响[J].硅酸盐通报,2016,35(09):2724-2728.][沈才华,钱晋,陈晓峰,谢飞,陈伟,郭佳旺.纤维掺量对PVA纤维混凝土力学参数的影响及压缩韧性指标的计算方法[J].硅酸盐通报,2020,39(10):3152-3160.]、纤维在基体中的分布和取向[张胜利.钢纤维混凝土纤维分布与力学性能关系试验研究及数值仿真[D].太原理工大学,2018.][宋贺月.钢纤维在混凝土基体中的分布规律及与韧性的关系[D].大连理工大学,2016.]以及纤维与水泥砂浆基体间的界面性能[代超.钢纤维—水泥石基体界面特征及对混凝土宏观性能影响的研究[D].重庆交通大学,2015.][吴泽媚.超高性能混凝土中纤维与基体界面粘结性能多尺度研究[D].湖南大学,2017.]等因素。一般来讲，纤维的掺入对混凝土的工作性能有消极影响，但可以有效改善混凝土的力学性能[银英姿,仇贝.聚乙烯醇纤维混凝土力学性能及早期开裂试验研究[J].硅酸盐通报,2019,38(02):454-458.]、耐久性能[葛浩军.玄武岩纤维混凝土力学性能及耐久性研究[D].大连理工大学,2018.][唐巍,张广泰,董海蛟,李梅,温勇.纤维混凝土耐久性能研究综述[J].材料导报,2014,28(11):123-127.]以及结构性能[贾毅,赵人达,王永宝,等.不同轴压比下聚丙烯纤维增强混凝土墩抗震性能试验研究[J].铁道学报,2019,41(04):163-172.王力,徐礼华,邓方茜,刘素梅,池寅.波纹型钢纤维-混杂纤维混凝土界面黏结性能[J].建筑材料学报,2020,23(04):864-874.张翼翔.纤维种类和掺量对混凝土力学及抗氯离子渗透性能的影响研究[D].哈尔滨工程大学,2019.罗洪林,杨鼎宜,周兴宇,等.不同长径比聚丙烯纤维增强混凝土的力学特性[J].复合材料学报,2019,36(8):1934-1948.李传习,石家宽,聂洁,曾宇环.平直型钢纤维掺量与长径比对超高性能混凝土性能的影响[J].硅酸盐通报,2019,38(09):2946-2954.张兰芳,尹玉龙,岳瑜.玄武岩纤维掺量对混凝土力学性能的影响[J].硅酸盐通报,2016,35(09):2724-2728.沈才华,钱晋,陈晓峰,谢飞,陈伟,郭佳旺.纤维掺量对PVA纤维混凝土力学参数的影响及压缩韧性指标的计算方法[J].硅酸盐通报,2020,39(10):3152-3160.张胜利.钢纤维混凝土纤维分布与力学性能关系试验研究及数值仿真[D].太原理工大学,2018.宋贺月.钢纤维在混凝土基体中的分布规律及与韧性的关系[D].大连理工大学,2016.代超.钢纤维—水泥石基体界面特征及对混凝土宏观性能影响的研究[D].重庆交通大学,2015.吴泽媚.超高性能混凝土中纤维与基体界面粘结性能多尺度研究[D].湖南大学,2017.银英姿,仇贝.聚乙烯醇纤维混凝土力学性能及早期开裂试验研究[J].硅酸盐通报,2019,38(02):454-458.葛浩军.玄武岩纤维混凝土力学性能及耐久性研究[D].大连理工大学,2018.唐巍,张广泰,董海蛟,李梅,温勇.纤维混凝土耐久性能研究综述[J].材料导报,2014,28(11):123-127.贾毅,赵人达,王永宝,等.不同轴压比下聚丙烯纤维增强混凝土墩抗震性能试验研究[J].铁道学报,2019,41(04):163-172.余自若,王博亨,安明喆.超高性能纤维增强混凝土板的受弯性能试验研究[J].建筑结构学报,2019,40(09):131-139.目前关于纤维混凝土的增强理论，主要有两种。(1)纤维间距理论纤维间距理论是建立在线弹性力学的基础上，假定纤维在混凝土基体中以棋盘式、沿拉应力方向均匀分布，并认为纤维对混凝土的增强作用与纤维间距有很大关联。可概述为：当外力作用于混凝土时，混凝土内部的孔隙、微裂纹等缺陷处会产生应力集中，导致结构实际受力超过允许值而破坏。当纤维在混凝土中均匀分布时，混凝土内部的微裂缝被包围在相邻纤维之间。微裂缝尖端因拉力作用会产生裂缝扩展应力，促进微裂缝向宏观裂缝发展，而裂缝附近的纤维-基体界面会产生与裂尖扩展应力方向相反的应力场，缓和了裂尖应力集中的程度，限制裂缝的开展，从而增强了混凝土的性能。图1-2为Romualdi纤维分布模型，可用来说明纤维对混凝土的增强作用。如REF_Ref530088722\h图1-2(a)，s为纤维间距，a为裂缝半宽，裂缝分布在四根纤维围成区域的中心。在拉力作用下，靠近裂缝的纤维表面会产生如REF_Ref530088722\h图1-2(b)所示的粘结力，的作用方向与裂缝张开方向相反，能够有效缓和裂尖的应力集中程度，限制裂缝的开展。因此，有如下关系式：(1-1)式中：——纤维混凝土实际应力强度因子；——未掺纤维时混凝土在外荷载作用下的应力强度因子；——纤维周围产生的反向应力强度因子。(2)复合材料力学理论复合材料理论将纤维混凝土视为二相复合材料，纤维一相，基体一相，运用了混合定律来计算纤维混凝土的各项性能，将纤维混凝土的性能用各相材料性能的加权和来表示。复合材料理论有三个基本假定：a.纤维在混凝土基体中是沿其受力方向连续、均匀、平行地分布；b.纤维混凝土是匀质的各向同性或正交各向异性的线弹性体；c.纤维与混凝土基体粘结完好，两者的界面间无滑移。由上述假定可知，纤维连续、均匀、平行地分布在混凝土基体中，且与其受荷方向一致，见REF_Ref530086729\h图1-3。图1-3纤维混凝土的复合材料理论模型则复合材料、基体以及纤维承受的荷载分别为：、、(1-2)式中：A——各相材料的横截面积；——应力；——复合材料；——混凝土基体；——纤维。由力学平衡可得：(1-3)式中：E——弹性模量，V——纤维体积掺量。若纤维种类不止一种，则(1-3)式可改为：(1-4)1.2聚丙烯粗纤维增强混凝土研究现状聚丙烯粗纤维是以聚乙烯和聚丙烯为主要原材料，由特殊的工艺精制加工而成的一种新型增强、增韧材料。聚丙烯粗纤维具有无腐蚀性、易分散、造价低等优点，表面带有凹凸刻痕，可与水泥基体形成较好粘结，既有合成纤维特有的优点，又可以发挥钢纤维的功能，其性能在钢纤维和聚丙烯纤维之间。纤维材料对混凝土的流动性能都有显著影响，聚丙烯粗纤维[罗洪林,杨鼎宜,周兴宇,董亚超,单晨晨,韩雪.聚丙烯纤维长径比对混凝土力学性能的影响研究[J].混凝土,2019(09):24-30.]罗洪林,杨鼎宜,周兴宇,董亚超,单晨晨,韩雪.聚丙烯纤维长径比对混凝土力学性能的影响研究[J].混凝土,2019(09):24-30.聚丙烯粗纤维对混凝土的工作性能有不利影响，但对混凝土力学性能和耐久性能方面有较好的提升作用。罗洪林[74]发现：聚丙烯粗纤维长径比对混凝土的力学性能有显著影响，当纤维长径比增大时，对混凝土基本力学性能和抗弯性能的增幅先增大后减小，在最优长径比后，纤维混凝土的28d抗压强度会低于普通混凝土，而其抗弯强度一直大于普通混凝土。梁宁慧[梁宁慧,钟杨,刘新荣.多尺寸聚丙烯纤维混凝土抗弯韧性试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2017,48(10):2783-2789.]对不同尺寸的聚丙烯纤维混凝土的抗弯韧性进行了研究，发现：聚丙烯粗纤维的掺入改善了混凝土的破坏方式，在提高混凝土抗弯强度的同时也显著提高了抗弯韧性，纤维混凝土的剩余强度较普通混凝土提高了5.58~8.88倍。聚丙烯粗纤维对再生混凝土力学性能的增强作用类似普通混凝土，RAC的抗压强度受聚丙烯粗纤维影响较小，但因纤维的桥接作用使得RAC的劈裂抗拉强度和抗折强度均有明显提高[陈图真.钢纤维和聚丙烯粗纤维改性再生混凝土力学性能试验研究[D].广东工业大学,2015.梁宁慧,钟杨,刘新荣.多尺寸聚丙烯纤维混凝土抗弯韧性试验研究[J].中南大学学报(自然科学版),2017,48(10):2783-2789.陈图真.钢纤维和聚丙烯粗纤维改性再生混凝土力学性能试验研究[D].广东工业大学,2015.在耐久性能方面，因聚丙烯粗纤维的掺入可以提高混凝土基体的匀质性，延长渗径，从而提高混凝土的抗渗性能；同样，混凝土基体的密实度也会得到提升，孔隙率因此下降，使得CO2在混凝土内部的扩散受到限制，提高了混凝土的抗碳化能力；且乱向分布的聚丙烯粗纤维也会使得混凝土中Cl-的传输变得更困难，从而降低了混凝土的Cl-扩散系数[代兵权.改性聚丙烯纤维混凝土耐久性能试验研究[D].郑州大学,2010.]。但是聚丙烯粗纤维的掺入也增大了薄弱界面出现的概率，过量聚丙烯粗纤维的掺入，增多了混凝土基体内部不良界面的数量，反而对混凝土的耐久性能会产生不利影响。KiachehrBehfarnia[KiachehrBehfarnia,AmirBehravan.Applicationofhighperformancepolypropylenefibersinconcreteliningofwatertunnels[J].MaterialsandDesign,2014,55.]等对比聚丙烯粗纤维混凝土与钢纤维混凝土的抗氯离子性能发现：在不同掺量下，聚丙烯粗纤维混凝土的抗氯离子性能均比钢纤维混凝土要好。代兵权.改性聚丙烯纤维混凝土耐久性能试验研究[D].郑州大学,2010.KiachehrBehfarnia,AmirBehravan.Applicationofhighperformancepolypropylenefibersinconcreteliningofwatertunnels[J].MaterialsandDesign,2014,55.此外，学者们对聚丙烯粗纤维混凝土的断裂性能也展开了研究。周明芳[周明芳.粗合成纤维混凝土断裂性能试验研究[J].四川建筑科学研究,2009,35(06):228-230+234.]对聚丙烯粗纤维混凝土试件进行三点弯曲断裂试验，并将其结果与钢纤维混凝土进行对比，结果表明：聚丙烯粗纤维混凝土的有效裂缝扩展长度Δac、断裂韧度和断裂能均比普通混凝土高；在相同纤维体积掺量下，聚丙烯粗纤维混凝土的断裂韧度和有效裂缝扩展长度Δac均比钢纤维混凝土低，但断裂能比钢纤维混凝土略高。Minhaj[SyedMinhajSaleemKazmi,MuhammadJunaidMunir,Yu-FeiWu,IndubhushanPatnaikuni.Effectofmacro-syntheticfibersonthefractureenergyandmechanicalbehaviorofrecycledaggregateconcrete[J].ElsevierLtd,2018,189.]等研究了DucTi纤维体积掺量对RAC断裂性能的影响，发现：掺入纤维后，RAC的断裂韧度和断裂能均得到了提升，再生骨料取代率为100%、纤维体积掺量为1%的RAC试件，其断裂能为普通混凝土的3.65倍。周明芳.粗合成纤维混凝土断裂性能试验研究[J].四川建筑科学研究,2009,35(06):228-230+234.SyedMinhajSaleemKazmi,MuhammadJunaidMunir,Yu-FeiWu,IndubhushanPatnaikuni.Effectofmacro-syntheticfibersonthefractureenergyandmechanicalbehaviorofrecycledaggregateconcrete[J].ElsevierLtd,2018,189.1.3聚乙烯醇纤维增强混凝土研究现状PVA纤维是由聚乙酸乙烯酯经皂化而成的高分子有机化合物。其弹性模量高、抗拉强度大、耐腐蚀性强，且有良好的亲水性能。聚乙烯醇纤维与水泥砂浆基体不发生化学反应，但PVA纤维可通过表面的羟基与水泥砂浆基体形成氢键作用，极大提高了PVA纤维与混凝土基体之间的粘结强度[DongH,NishimuraT,SekiH.InfluenceofInterfaceBondPropertiesofSyntheticShortFibersonBendingPropertiesofFiberReinforcedConcrete[J].ConcreteResearch&Technology,2009,20:1-13.]。DongH,NishimuraT,SekiH.InfluenceofInterfaceBondPropertiesofSyntheticShortFibersonBendingPropertiesofFiberReinforcedConcrete[J].ConcreteResearch&Technology,2009,20:1-13.PVA纤维对混凝土的工作性能也有负面影响，PVA纤维在混凝土基体中除了会形成三维网架结构外，还因其强亲水性吸附了水泥砂浆中一定的水分，增大了水泥砂浆的稠度；且PVA纤维的掺入会使混凝土中非浆体相的比表面积有所增大，导致其他物相表面包裹的水泥浆体厚度减小[高淑玲,徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J].大连理工大学学报,2007,47(2):233-239.]高淑玲,徐世烺.PVA纤维增强水泥基复合材料拉伸特性试验研究[J].大连理工大学学报,2007,47(2):233-239.PVA纤维的掺入对混凝土的力学性能有一定的提高。PVA纤维对混凝土抗压强度的影响规律不一，有学者发现PVA纤维掺入后可以提高混凝土的抗压强度[郭斌,孙缘飞.C50聚乙烯醇纤维混凝土力学性能与工程应用研究[J].建筑技术,2020,51(01):29-31.]，但大多数研究结果表明PVA纤维的掺入降低了混凝土的抗压强度，文献[杜志芹,孙伟.纤维和引气剂对现代水泥基材料抗渗性的影响[J].东南大学学报(自然科学版),2010,40(03):614-618.]认为抗压强度降低是因为：纤维掺入混凝土后会产生引气作用，降低了骨料与胶凝材料间的黏着性；其他学者认为：PVA纤维的掺入增加了混凝土内部的缺陷，降低了混凝土基体的密实度，使得抗压强度降低。由于PVA纤维可以桥接混凝土基体，且纤维数量众多，可显著提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗折强度，但是过量的纤维会使水泥砂浆的包裹能力有所降低，从而削弱了纤维的增强作用[59]。不同PVA纤维掺量下，RAC的基本力学性能较素再生混凝土也有所提高[孙呈凯,金宝宏,李家俊,李晓路.PVA纤维再生混凝土力学性能正交试验研究.广西大学学报：自然科学版,2018,43(4):1569-1575.郭斌,孙缘飞.C50聚乙烯醇纤维混凝土力学性能与工程应用研究[J].建筑技术,2020,51(01):29-31.杜志芹,孙伟.纤维和引气剂对现代水泥基材料抗