水泥基材料是當(dāng)今最大宗的人造建筑材料，發(fā)展至今已有170多年的歷史。強度一直是混凝土作為重要結(jié)構(gòu)材料的主要性能指標(biāo)，混凝土高強化是混凝土研究與發(fā)展多年來的努力方向。但是混凝土固有的弱點—抗拉、抗彎、抗沖擊、抗爆以及韌性差等卻仍限制著其優(yōu)勢的充分發(fā)揮，并且隨著混凝土強度的不斷提高，這一弱點也愈益突出。通常認為，混凝土強度越高，其韌性越差，脆性越高，結(jié)構(gòu)延性和抗裂能力越不足，給建筑結(jié)構(gòu)抗震性能帶來的安全隱患。因此，長期以來許多學(xué)者不斷探索改善混凝土上述性能的方法和途徑。
纖維增強混凝土，就是近年來研究和應(yīng)用最廣的新型混凝土之一。它是以水泥漿、砂漿、粗骨料為基材，以金屬材料、無機材料或有機纖維為增強材料組成的一種水泥基復(fù)合材料，它是將短而細的，具有高抗拉強度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻地分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料。目前纖維增強混凝土主要有兩種：一是高彈模量短纖維增強混凝土，其代表纖維是鋼纖維；二是低彈模量短纖維增強混凝土，其代表纖維是聚丙烯和尼龍纖維。
纖維在水泥基材中的作用主要體現(xiàn)在三個方面：增強、阻裂和增韌作用。
1 / 增強作用
混凝土的抗拉能力只有抗壓能力的十分之一左右，在外荷載的作用下往往呈現(xiàn)脆性破壞，從混凝土劈裂試驗中可以很明顯的看出，普通混凝土試塊在達到其極限荷載時突然斷裂成兩半，是一種脆性破壞（圖1）。纖維的摻入,可以有效的提高混凝土的抗拉強度,當(dāng)基體混凝土出現(xiàn)裂縫時,一部分荷載轉(zhuǎn)移到纖維上,從而提高了混凝土的抗拉能力。摻有纖維的混凝土試塊，其劈裂抗拉強度試驗的破壞過程呈現(xiàn)出很好的假延性，在達到極限抗拉強度值時并沒有突然斷裂成兩半，而是在中線附近延主裂縫延伸出去很多條微裂縫，但整個試塊始終被纖維約束在一起（圖2）。
圖1 普通混凝土斷裂
圖2 纖維混凝土斷裂
2 / 阻裂作用
當(dāng)水泥基材處于塑性狀態(tài)時,就很容易產(chǎn)生微細裂縫，在硬化過程中則因水分的散失導(dǎo)致干縮裂縫的擴大并產(chǎn)生新的裂縫，纖維加入到水泥基材中可以阻止基材中原有裂縫的擴展并延緩裂縫的產(chǎn)生，從而使復(fù)合材料的抗?jié)B、抗凍等性能比基材有顯著的提高。普通的水泥基材在硬化以后，當(dāng)荷載達到基體的開裂荷載時，基體迅速開裂，并沿著主裂縫迅速擴展開導(dǎo)致貫通這個梁截面的脆性斷裂。而纖維混凝土由于大量短切纖維的存在，當(dāng)基體開裂后仍然可以由纖維來繼續(xù)承擔(dān)荷載，使纖維增強混凝土呈現(xiàn)出較高的延性，破壞前具有一定的征兆。
張佚倫，鄧宗才分別對聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維的早期抗裂性能進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明：纖維對混凝土和砂漿的抗裂效果顯著，并且在一定范圍內(nèi)隨著纖維摻量的增加效果更顯著。高性能混凝土，由于水灰比低，自收縮主要發(fā)生在早期，會導(dǎo)致混凝土表面形成大量的微裂縫。巴恒靜通過試驗發(fā)現(xiàn)：1 天內(nèi)自收縮占28 天自收縮值的50%-60%，是高性能混凝土早期開裂的主要原因，在高性能混凝土中摻入一定量的纖維是解決早期開裂的理想途徑。清華大學(xué)龐新鋒采用平板試驗的方法，研究了改性聚丙烯腈纖維對高性能混凝土的早期抗裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)這種改性的聚丙烯腈纖維和砂漿能夠很好的粘結(jié)在一起，摻入0.12%的纖維可以明顯地抑制混凝土的早期裂縫。
3 / 提高混凝土的變形能力（增韌作用）
纖維增強混凝土在受拉（彎）時，即使基材中已經(jīng)出現(xiàn)大量的裂縫，仍可以繼續(xù)承受一定的荷載并具有假延性（pseudo-ductility），從而使復(fù)合材料的韌性與抗沖擊性得以明顯提高。纖維混凝土的這種假延性使得其變形能力比普通混凝土高很多。韓嶸等人采用對比試驗的方法，研究了鋼纖維混凝土的抗拉應(yīng)變。試驗結(jié)果顯示出鋼纖維混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有明顯的下降段，具有很好的假延性。
圖3 纖維摻量對混凝土軸心受拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線的影響
混凝土材料的韌性，即混凝土材料的變形性能和能量吸收能力，對混凝土結(jié)構(gòu)是非常重要的，尤其是提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，有著非常重要的意義。研究表明，纖維的加入可顯著改善混凝土的彎曲韌性，且隨著纖維摻量的增大，混凝土的彎曲韌性指標(biāo)和剩余強度指標(biāo)都在增加。
纖維混凝土的彎曲韌性指標(biāo)通常按照《CECS 13-2009 纖維混凝土試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測定。
纖維混凝土彎曲韌性試驗（切口梁法）
彎曲韌性以不同撓度下的能量吸收值表示
在地震等災(zāi)害中，房屋建筑呈現(xiàn)出脆性破壞，并沒有留給人們足夠的逃生時間，纖維增強混凝土的應(yīng)用不失為一種提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的好方法。
