【正文】 和發(fā)展。 在混凝土中摻入適量聚丙烯短纖維后，均勻分布在混凝土基體中彼此相粘連的大 量纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的沉降，從而使混凝土中的孔隙含量大大降低，有效提高了混凝土抗?jié)B能力。常常使用鋼纖維阻止硬化混凝土的開裂，提高混凝土韌性和抗沖擊性能。 合成纖維與鋼纖維對(duì)混凝土基體阻裂效應(yīng)的區(qū)別 在 混凝土中摻入纖維是為了改善因混凝土抗拉強(qiáng)度不足而造成的易裂問題。阻裂效應(yīng)作用的結(jié)果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土構(gòu)件在破壞后仍保持一定的延性 (假延性 )。 混雜纖維混凝土 （ Hybrid Fiber Reinforced Concrete） 混雜纖維混凝土是將兩種或多種纖維組合加入混凝土基體，形成 一種既發(fā)揮不同纖維的優(yōu)點(diǎn)，又能體現(xiàn)不同纖維之間協(xié)同作用的復(fù)合材料。 復(fù)合材料理論定義混雜復(fù)合材料可出現(xiàn)混雜效應(yīng) (hybrid effect) ,若出現(xiàn)單一復(fù)合材料所沒有的優(yōu)異性能，則此效應(yīng)稱為正混雜效應(yīng)；若出現(xiàn)單一復(fù)合材料所沒有的明顯缺點(diǎn)，則此效應(yīng)稱為負(fù)混雜效應(yīng)。 （ 2）不同幾何尺度的纖 維混雜： 不同幾何尺度的纖維對(duì)混凝土不同結(jié)構(gòu)和尺寸層次進(jìn)行改性，微細(xì)纖維主要起著對(duì)水泥基材的增強(qiáng)作用，阻止和延緩微裂紋在基材中的擴(kuò)展 。 東南大學(xué)的焦楚杰和孫偉對(duì)聚丙烯纖維和鋼纖維混雜增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的彎曲性能進(jìn)行的試驗(yàn)研究表明 :鋼纖維與聚丙烯纖維組成三維亂向支撐網(wǎng)，在一定程度上彌補(bǔ)了混凝土的原始缺陷，增強(qiáng)了基體的抗拉能力 :鋼纖維與聚丙烯纖維纏繞在一起，在承受彎曲荷載時(shí)產(chǎn)生“纖維連鎖”效應(yīng)，更大程度地提高了試件的抗彎強(qiáng)度；在裂縫擴(kuò)展過程中，鋼纖維與聚丙烯纖維先后起到阻裂的主導(dǎo)作用，對(duì)裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行全過程抑制，明顯增大了基體的韌性；從經(jīng)濟(jì)上考慮混雜纖維混凝土也有一定的優(yōu)勢，鋼纖維增強(qiáng)、增韌 效果好，但會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)過高；聚丙烯纖維增韌效果好，價(jià)格較低，但聚丙烯纖維難以提高混凝土的強(qiáng)度，只能延緩后期破壞過程。纖維混凝土作橋面鋪裝層可有效地抑制和減少裂縫，增強(qiáng)橋面的防水性和抗破碎能力，減緩鋼筋銹蝕和延長結(jié)構(gòu)的壽命。 隧道和鐵路工程 在隧道施工中使用噴射鋼纖維混凝土具有縮短工期，提高施工安全和施工質(zhì)量，節(jié)省人力等優(yōu)勢。通過使用了鋼纖維混凝土，在提高襯砌的抗震性能的同時(shí)，還減少了混凝土的用量，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。如抗震框架節(jié)點(diǎn)中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)度、延性、耗能等方面的要求，而且還能提供類似于箍筋約束混凝土的作用，并可以解決節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋過于密集導(dǎo)致混凝土難于澆注的施工問題；用鋼纖維混凝土制成的自防水預(yù)應(yīng)力屋面板，不僅提 高了自防水預(yù)應(yīng)力屋面板的抗裂性能，同時(shí)也減少了縱向預(yù)應(yīng)力筋的配筋率，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。這些部位對(duì)混凝土材料自身的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及抗裂性能的要求都比較高，極大發(fā)揮了鋼纖維混凝土自身的優(yōu)勢。挪威奧斯陸集裝箱碼頭，為防止海水對(duì)建筑物的腐蝕，提高碼頭抗集裝箱的撞擊破壞能力，并防止嚴(yán)寒氣候條件下，冰凍對(duì)混凝土的滲透膨脹破壞，較早地采用了纖維混凝土。北京景山飯店用噴射鋼纖維混凝土加固出現(xiàn)質(zhì)量事故的剪力墻及柱，長春一大連鐵路石砌橋墩灰縫失效，用噴射鋼纖維混凝土加固等等。由于以上優(yōu)點(diǎn)，纖維混凝土近年來的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大。一般情況下，混凝土材料是非勻質(zhì)的，因此當(dāng)混凝土構(gòu)件受到拉力作用時(shí)，其界面各點(diǎn)受力不均勻，存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)。 針對(duì)纖維混凝土，該理論的假設(shè)前提是： （ 1） 基體為各向同性材料； （ 2）纖維沿應(yīng)力方向一維分布且連續(xù)； （ 3）纖維與基體變形協(xié)調(diào)一致，無相對(duì)滑移。 由于纖維與基體變形協(xié)調(diào)一致，無相對(duì)滑移，由上式得： fffm dddddd ???????? ??? )1( （ ） 當(dāng)纖維與基體都是彈性材料時(shí)，上式變?yōu)? fffmfc EEE ?? ??? )1( （ ） 式中， fcE — 纖維混凝土的彈性模量； mE — 混凝土的彈性模量； fE — 纖維的彈性模量； f? — 纖維的體積率。纖維與混凝土基體的粘結(jié)力直接影響纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌和阻裂效果 [14]。此時(shí)，如果混凝土沒有配筋約束，便會(huì)在應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂縫。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 20 纖維混凝土的增強(qiáng)理論 目前，對(duì)纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理主要有兩種理論解釋 [12]：一種立在復(fù)合材料混合原理基礎(chǔ)上的復(fù)合材料理論；另一種是建立在假設(shè)纖維與混凝土基體完美粘結(jié)基礎(chǔ)上的纖維間距理論。 軍事工程 鋼纖維混凝土以其優(yōu)良的抗爆裂、抗破碎、抗震塌及抗沖擊性能，在掩體工 事等軍事工程中得到了廣泛的應(yīng)用。日本鋼鐵俱樂部采用鋼纖維混凝土作鋼管樁防腐層，在海水中浸泡 10 年，鋼纖維混凝土防腐完好，鋼管表面無銹蝕，仍有金屬光澤。以上工程都獲得了較為滿意的效果，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。上海等地在預(yù)應(yīng)力管柱和預(yù)制方樁的生產(chǎn)中，在樁頭或樁尖部分加入鋼纖維，以增強(qiáng)樁的抗錘擊性能和貫穿能力，都取得了良好效果。鋼纖維混凝土的應(yīng)用，使鐵路維修工作量大為減少，并提高了線路的使用壽命，經(jīng)濟(jì)效益良好。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬次的振動(dòng)，所以要求混凝土必須具有較高的強(qiáng)度、較高的抗沖擊性及較大的塑性，進(jìn)而充分利用了鋼纖維混凝土的抗沖擊性及較好的塑性。在隨后提出的改造方案中，為使瀝青混凝土層與鋼板橋面產(chǎn)生的大撓度變形相適應(yīng)，要求混凝土層具有一定的抗彎拉、抗剪切、抗沖擊、抗裂以及耐壓縮、耐磨損、耐疲勞等性能，最終在瀝青混凝土鋪裝層中摻入鋼纖維，以鋼纖維增強(qiáng)混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)，取得了良好的效果。 纖維混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用 纖維混凝土以其優(yōu)良的抗拉、抗彎、阻裂、耐沖擊、耐疲勞、高韌性等物理力學(xué)性能，目前已被廣泛應(yīng)用于建筑工程、水利工程、公路橋梁工程、公路路面和機(jī)場道面工程、鐵路公程、管道工程 、內(nèi)河航道工程、防暴工程和維修加固工程等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。耐久性好的纖維則可以用于提高混凝土在反復(fù)荷載作用下的強(qiáng)度和韌性。 常見的纖維混雜模式 目前實(shí)際工程中較為常見的纖維混雜模式為 [7]: （ 1）彈性模量和低彈性模量纖維混雜： 高彈模纖維增強(qiáng)、增韌效果均很好，但價(jià)格較高；低彈模纖維增強(qiáng)效果較差，但增韌效果較好，而且價(jià)格便宜。 復(fù)合材料理論將多種材料結(jié)合或混合之后所構(gòu)成的材料整體當(dāng)作一個(gè)多相系統(tǒng)，其性能乃是各相性能的疊加值。由于早期混凝土自身的抗拉強(qiáng)度很低，因此，聚丙烯短纖維的阻裂能力與自身的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等并不明顯相關(guān)，而是隨著纖維細(xì)度的增大、混凝土中纖維間距的減小而增強(qiáng)。 鋼纖維的阻裂效應(yīng)體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展上，鋼纖維的存在使硬化混凝土開裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度，有效地避免了無征兆的脆性破壞的發(fā)生。聚丙烯長纖維是一種新型增強(qiáng)增韌材料，可以在一些環(huán)境惡劣工程中代替鋼纖維，抵抗溫度應(yīng)力，提高混凝土的抗裂性和韌性，常用于噴射混凝土、混凝土路面、橋面及工業(yè)地坪、機(jī)場跑道、裝卸碼頭、停機(jī)坪和停車場等。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 15 聚丙烯長纖維（ Macro PPfiber） 聚丙烯長纖維主要是指長度大于 30mm，直徑大于 的長纖維，是一種相互纏繞的纖維束，這種纖維束在混凝土基體中能夠分散成單絲長纖維。摻入聚丙烯纖維后，減緩了由于粗粒料的快速失水所產(chǎn)生的裂縫，延緩了第 1 條塑性收縮裂縫的出現(xiàn)，同時(shí)，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展。 聚丙烯短纖維（ Micro PPfiber） 聚丙烯短纖維是一種單絲纖維。鋼絲網(wǎng)水泥的水泥用量較高，摻入鋼纖維可以纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 14 防止因水泥用量較多出現(xiàn)的收縮裂縫。 與 SIFCON相類似，美國 Hackman等近來研究開發(fā)了一種砂漿滲澆鋼纖維網(wǎng)混 凝土 (Slurry Infiltrated Mat Concrete， SIMCON)。鋼纖維高強(qiáng)混凝土可以發(fā)揮鋼纖維和高強(qiáng)混凝土各自的優(yōu)點(diǎn) ,并彌補(bǔ)彼此存在的不足。鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒有明顯變化外，由于鋼纖維混凝土抗裂性、整體性好，因 而耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性均有顯著提高。鋼纖維的阻裂效應(yīng)體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展上，是通過使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，阻裂效應(yīng)作用的結(jié)果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土基材在破壞后仍保持一定的延性，因此，鋼纖維的阻裂能力和纖維彈性模量、界面粘結(jié)強(qiáng)度和自身 的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。鋼纖維有效地阻止了裂縫擴(kuò)展，顯著提高了基體的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗沖擊耐久性，并大幅度增進(jìn)了韌性，使具有脆性特征的混凝土基體成為具有良好韌性的復(fù)合材料。中國土木工程學(xué)會(huì)纖維混凝土委員會(huì)于 1986 年在大連召開了第一屆全國 纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議。中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 12 會(huì)分別于 1989 年 12 月和 1992 年 12 月批準(zhǔn)頒布了《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》 （ CECS 13： 89）和《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》 （ CECS38： 92）。 1963 年， 和 從理論上闡述了鋼纖維的強(qiáng)化作用和機(jī)理，使鋼纖維混凝土從小規(guī)模實(shí)驗(yàn)探索階段躍升到大規(guī)模開發(fā)使用階段。 纖維混凝土國內(nèi)外發(fā)展歷史 國外近代關(guān)于纖維混凝土的理論研究始于 1910 年，由美國的 首創(chuàng)。 （ 4）纖維摻量，纖維的比表面積，纖維的平均間距，單位體積中纖維的根數(shù)： 纖維摻量過大時(shí)，會(huì)因纖維難于均布分布在混凝土基體中導(dǎo)致結(jié)團(tuán)，或因水泥基材難以包裹所有纖維的外表面，或因纖維帶入大量氣體而導(dǎo)致混凝土含氣量過高等原因，致使纖維混凝土的抗拉或抗彎強(qiáng)度下降。鋼纖維的長徑比越大，其增強(qiáng)效果越好，但長徑比過大的鋼纖維會(huì)帶來攪拌的困難并且容易發(fā)生彎折，因此實(shí)際使用的鋼纖維 長徑比一般在 4080 之間。 纖維對(duì)混凝土 基體 增強(qiáng) 增韌 作用的影響因素 纖維對(duì)混凝土基體的增強(qiáng)作用主要受以下幾個(gè)因素影響 [5]： （ 1）纖維自身的力學(xué)性能： 主要包括纖維的抗拉強(qiáng)度，纖維的彈性模量以及纖維的極限延伸率。普通混凝土抗拉強(qiáng)度低，且隨著強(qiáng)度的增大，脆性也明顯增大，在受荷時(shí)往往呈現(xiàn)出無明顯征兆的脆性破壞，將纖維摻入到混凝土中能夠明顯提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，通 過阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展增強(qiáng)混凝土的韌性。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 9 自密實(shí)混凝土 （ Selfpacting concrete） 自密實(shí)混凝土作為高性能混凝土的一種，是通過對(duì)外加劑、凝膠材料、粗細(xì)骨料的選擇和配合比的設(shè)計(jì)，使混凝土拌合物具有良好的工作性，不離析、不泌水，在不用或基本不用振搗的情況下，依靠自重穿過鋼筋填充模板，實(shí)現(xiàn)自流平和密實(shí)結(jié)構(gòu)的一種高性能混凝土。 可見目前各國對(duì)高性能混凝土的定義都集中在高工作性、高耐久性和高強(qiáng)度三個(gè)方面，只是各有側(cè)重。歐洲學(xué)者認(rèn)為高性能混凝土 HPC 是一種具有高彈性模量、高密度、抗侵蝕、低滲透的混凝土。前纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 8 者影響混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，而后者決定混凝土的斷裂應(yīng)力，如抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。 高強(qiáng)混凝土（ High Strength Concrete） 根據(jù)《高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》 (CECS104:99),將強(qiáng)度等級(jí)大于等于 C50 的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土。 鋼筋的高抗拉強(qiáng)度彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，混凝土則對(duì)鋼筋起到保護(hù)的作用，同時(shí)發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，極大地?cái)U(kuò)展了混凝土的工程使用范圍； 預(yù)應(yīng)力混凝土（ Prestressed Concrete） 為了擴(kuò)大鋼筋混凝土和高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用范圍，必須解決混凝土過早開裂的 問題。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 7 混凝土的發(fā)展 混凝土具有抗壓強(qiáng)度高、原材料容易獲得、耗能低、成本相對(duì)低廉、易成型、施工相對(duì)簡便、經(jīng)久耐用等優(yōu)點(diǎn)，但混凝土材料本身存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差等固有弱點(diǎn)依然限制其優(yōu)勢的發(fā)揮。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 6 圖 鋼筋銹蝕示意圖 氧氣和水分是鋼筋銹蝕的必要條件，混凝土的碳化僅僅為鋼筋銹蝕提供了可能當(dāng)構(gòu)件使用環(huán)境干燥或完全處于水中時(shí)，鋼筋的銹蝕極為緩慢，幾乎不 發(fā)生銹蝕。 （ 5）鋼筋銹蝕：鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最關(guān)鍵因素。 OHC a C OCOOHCa 2322)( ??? （ 3）侵蝕性介質(zhì)的腐蝕：在石化、化學(xué)、輕工、冶金及港灣工程中，化學(xué)介質(zhì)對(duì)混凝土的侵蝕很普遍，常見的侵蝕性介質(zhì)腐蝕有 : ①硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽溶液與水泥石中的氫氧化鈣及水化鋁酸鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成石膏和硫鋁酸鹽，產(chǎn)生體積膨脹，造成混凝土破壞；②酸腐蝕：混凝土是一種堿性材料，遇到酸性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng) ；③海水腐蝕：海水中的 4242 , SOKM g S OM g C lN a C l 等成分，尤其是