【正文】 圖 復合材料受力情況 在纖維增強復合材料中纖維與基體通過兩種材料的界面相互作用的。纖維混凝土在美國、歐洲各國、日本的使用已經(jīng)相當普遍，國內(nèi)纖維混凝土的應用和研究相對較晚，纖維混凝土在我國具有良好的發(fā)展前景。美國在巴拿馬的海軍港口，為提高原碼頭鋼筋混凝土抗海水侵蝕的能力，采用纖維混凝土進行加固。鋼纖維混凝土在建筑中的應用實例有：福州東方大廈、沈陽市急救中心站綜合樓、江蘇省丹陽市中醫(yī)院、遼陽市食品公司辦公樓 ,沈陽商業(yè)城采用鋼纖維混凝土成功解決了大懸挑結構產(chǎn)生的復雜應力問題，沈陽市急救中心在屋面結構體系及剛性防水層中采用了鋼纖維混凝土，滿足了屋面直升機停機坪設計的特殊要求。 在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預應力鋼纖維混凝土鐵路軌枕、雙塊式鐵路軌枕及搶修鐵路橋面防水保護層中。在鋼纖維摻量較低的基礎上加入低摻量的聚丙烯纖維，工程造價提高少，但卻使混凝土的強度、韌性、阻裂能力等性能得到很大提高，大大改善了混凝土的脆性，特別適合抗震等級要求較高的工程 [910]。正混雜效應是高彈模纖維和高延性纖維在受荷的各個階段和不同結構層次上協(xié)同作用的結果，負混雜效應則是由于兩種纖維在基體中的平均間距小到一定程度后，互相干擾所致。 聚丙烯短纖維的阻裂效應主要體現(xiàn)在消 除或減輕了早期混凝土中原生裂縫的發(fā)生和發(fā)展，鈍化了原生裂縫尖端的應力集中，使介質(zhì)內(nèi)的應力場更加連續(xù)和均勻。但鋼纖維在特殊環(huán)境存在銹蝕問題，且重量高，施工中有時有結團現(xiàn)象?；炷恋乃苄蚤_裂主 要 發(fā)生在混凝土硬化前，特別是在混凝土澆筑后 45h 內(nèi)，此階段由于水分的蒸發(fā)和轉(zhuǎn)移，混凝土內(nèi)部的抗拉能力低于塑性收縮產(chǎn)生的拉應變，引起混凝土內(nèi)部的塑性裂縫。 （ 3）鋼纖維鋼絲網(wǎng)水泥復合結構 亂向分布的鋼纖維摻入方向性強的鋼絲網(wǎng)水泥中，能夠充分發(fā)揮鋼纖維和鋼絲網(wǎng)彼此的長處，提高鋼絲網(wǎng)水泥的抗裂性能。當混凝土強度超過 100MPa后，材質(zhì)將變得非常脆，在軸壓作用下幾乎不 存在應變軟化性能，呈突然性爆裂破壞，嚴重限制了高強混凝土的應用。在受荷初期，混凝土基體與纖維共同承受外力，當混凝土開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。同時，為了更好地推動纖維混凝土的發(fā)展，在中國土木工程學會下專門設立了纖維混凝土委員會，并成立了纖維混凝土技術情報網(wǎng)，出版了《纖維混凝土技術簡訊》 。二戰(zhàn)期間，日本曾將鋼纖維混凝土用于抗爆結構。 在纖維混凝土中纖維的取向?qū)奢d作用下纖維的利用效率有很大影響，纖 維的取向愈接近外力的方向，纖維的利用效率就愈高。 摻入混凝土的纖維按照材料性質(zhì)的不同可以分為以下三類： （ 1）金屬纖維，如鋼纖維、不銹鋼纖維； （ 2）無機纖維，主要有天然礦物纖維（如石棉纖維）和人造礦物纖維（如玻璃纖維、碳纖維）； （ 3）有機纖維，主要有合成纖維（如聚丙烯纖維、聚乙烯纖維、 聚丙烯腈纖維）和植物纖維（如竹纖維、麻纖維）。普通混凝土抗拉強度低，且隨著強度的增大，脆性也明顯增大，在受荷時往往呈現(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度，通過阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展增強混凝土的韌性 [4]。 美國混凝土學會 (ACI)認為滿足下列特殊性能和穩(wěn)定性要求的混凝土為高性能混凝土：主要包括易于澆筑、振搗不離析、早強、抗?jié)B性、密實性、水化溫升、韌性、體積穩(wěn)定性及惡劣環(huán)境下的較長壽命。預應力混凝土進一步強化了鋼筋與混凝土兩種材料的利用效率，使鋼筋混凝土結構向輕質(zhì)、高強、高抗裂方向發(fā)展，促進了橋梁等大跨度結構的發(fā)展，以及高 強鋼材和高強混凝土的應用。 綜上所述，提高混凝土耐久性主要從以下三個方面： （ 1）選擇適當?shù)脑牧希? （ 2）提高混凝土的密實度：關鍵在于嚴格控制水灰比 CW/ 和保證足夠的水泥用量，選擇適當?shù)募霞壟浜蜕奥?，使集料最密實堆積，以及采用適當?shù)氖┕すに?，如攪拌均勻、合理澆注、振搗密實、養(yǎng)護等，在 配料中加入減水劑等均可提高混凝土密實度； （ 3）改善混凝土內(nèi)部孔結構?？刂茐A集料反應的關鍵在于控制水泥及外加劑或摻合料中堿的含量和可溶型集料。 耐久性 混凝土的耐久性，是指混凝土在設計使用年限中，在自然和人為環(huán)境的化學物理作用下，不出現(xiàn)無法接受的強度減小，使用功能降低和不能接受的 外觀破損的能力。常用普通硅酸鹽水泥配置的混凝土拌合物，其流動性和保水性較好。 （ 1）單位用水量：混凝土拌合物中的水泥漿，賦予其一定的流動性，在水泥用量不變的情況下，用水量越大，水灰比 CW/ 越大，混凝土聚合物流動性越大，反之流動性越小。保水性是指混凝土拌合物在施工過程具有一定的保水能力，不產(chǎn)生嚴重的泌水現(xiàn)象?；炷烈话阌伤?、水、粗細集料組成，其中水泥與水構成水泥漿在水泥硬化前起到潤滑作用，在水泥硬化后起到膠結作用，骨料起到骨架填充作用，水泥與水反應后形成堅固的水泥石，將集料牢固地粘結成整體。 大學本科畢業(yè)設計（論文） 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 Investigation on the Flexural Performance of Fiber Reinforced Concrete Plates 纖維混凝土板抗彎性能的試 驗研究 I 摘 要 混凝土具有抗壓強度高、原材料容易獲得、成本相對低廉、易成型、施工相對簡便、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，但普通混凝土抗拉強度低，且隨著強度的增大，脆性也明顯增大，在受荷時往往呈現(xiàn)出無明顯征兆的脆性破壞，極大地影響了混凝土的實際工程應用，將纖維摻入到混凝土中能夠明顯提高 混凝土的抗拉強度，通過阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展增強混凝土的韌性。 混凝土的主要性質(zhì) 強度 這里所說的強度通常是指抗壓強度，包括用來劃分混凝土強度等級的立方體抗壓強度和結構設計中實際使用的軸心抗壓強度。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 2 國際標準化組織（ ISO）把混凝土拌合物的工作性統(tǒng)稱為稠度，通常采用坍落度試驗或維勃稠度試驗測試混凝土的稠度。流動性過小，會導致施工困難，不能保證混凝土的密實性；用水量過大會造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，導致流漿和離析現(xiàn)象，并影響混凝土的強度。 水泥顆粒越細，用水量越大。影響混凝土耐久性的主要因素有如下幾點： （ 1）凍融破壞：混凝土水化結硬后，內(nèi)部有很多毛細孔，在澆筑混凝土時，為得到必要的活易性，往往加入的水比水泥水化所需的水多一些，多余的水分滯留在混凝土毛細孔中。 （ 5）鋼筋銹蝕：鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土結構耐久性的最關鍵因素。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 7 混凝土的發(fā)展 混凝土具有抗壓強度高、原材料容易獲得、耗能低、成本相對低廉、易成型、施工相對簡便、經(jīng)久耐用等優(yōu)點，但混凝土材料本身存在抗拉強度低、韌性差等固有弱點依然限制其優(yōu)勢的發(fā)揮。 高強混凝土（ High Strength Concrete） 根據(jù)《高強混凝土結構技術規(guī)程》 (CECS104:99),將強度等級大于等于 C50 的混凝土稱為高強混凝土。歐洲學者認為高性能混凝土 HPC 是一種具有高彈性模量、高密度、抗侵蝕、低滲透的混凝土。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 9 自密實混凝土 （ Selfpacting concrete） 自密實混凝土作為高性能混凝土的一種，是通過對外加劑、凝膠材料、粗細骨料的選擇和配合比的設計，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，實現(xiàn)自流平和密實結構的一種高性能混凝土。 纖維對混凝土 基體 增強 增韌 作用的影響因素 纖維對混凝土基體的增強作用主要受以下幾個因素影響 [5]： （ 1）纖維自身的力學性能： 主要包括纖維的抗拉強度，纖維的彈性模量以及纖維的極限延伸率。 （ 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，會因纖維難于均布分布在混凝土基體中導致結團，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度下降。 1963 年， 和 從理論上闡述了鋼纖維的強化作用和機理，使鋼纖維混凝土從小規(guī)模實驗探索階段躍升到大規(guī)模開發(fā)使用階段。中國土木工程學會纖維混凝土委員會于 1986 年在大連召開了第一屆全國 纖維混凝土學術會議。鋼纖維的阻裂效應體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時的裂縫擴展上，是通過使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉強度實現(xiàn)的，阻裂效應作用的結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、界面粘結強度和自身 的抗拉強度有關。鋼纖維高強混凝土可以發(fā)揮鋼纖維和高強混凝土各自的優(yōu)點 ,并彌補彼此存在的不足。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研究 14 防止因水泥用量較多出現(xiàn)的收縮裂縫。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，在混凝土開裂后，纖維的抗拉作用阻止了裂縫的進一步發(fā)展。聚丙烯長纖維是一種新型增強增韌材料，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、機場跑道、裝卸碼頭、停機坪和停車場等。由于早期混凝土自身的抗拉強度很低，因此，聚丙烯短纖維的阻裂能力與自身的抗拉強度、彈性模量等并不明顯相關，而是隨著纖維細度的增大、混凝土中纖維間距的減小而增強。 常見的纖維混雜模式 目前實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、增韌效果均很好，但價格較高；低彈模纖維增強效果較差，但增韌效果較好，而且價格便宜。 纖維混凝土的實際工程應用 纖維混凝土以其優(yōu)良的抗拉、抗彎、阻裂、耐沖擊、耐疲勞、高韌性等物理力學性能，目前已被廣泛應用于建筑工程、水利工程、公路橋梁工程、公路路面和機場道面工程、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專業(yè)領域。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬次的振動，所以要求混凝土必須具有較高的強度、較高的抗沖擊性及較大的塑性，進而充分利用了鋼纖維混凝土的抗沖擊性及較好的塑性。上海等地在預應力管柱和預制方樁的生產(chǎn)中，在樁頭或樁尖部分加入鋼纖維，以增強樁的抗錘擊性能和貫穿能力，都取得了良好效果。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。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 20 纖維混凝土的增強理論 目前，對纖維混凝土增強機理主要有兩種理論解釋 [12]：一種立在復合材料混合原理基礎上的復合材料理論；另一種是建立在假設纖維與混凝土基體完美粘結基礎上的纖維間距理論。纖維與混凝土基體的粘結力直接影響纖維對混凝土的增強、增韌和阻裂效果 [14]。 針對纖維混凝土，該理論的假設前提是： （ 1） 基體為各向同性材料； （ 2）纖維沿應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，無相對滑移。由于以上優(yōu)點，纖維混凝土近年來的應用規(guī)模逐漸擴大。挪威奧斯陸集裝箱碼頭，為防止海水對建筑物的腐蝕，提高碼頭抗集裝箱的撞擊破壞能力，并防止嚴寒氣候條件下，冰凍對混凝土的滲透膨脹破壞，較早地采用了纖維混凝土。如抗震框架節(jié)點中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點對強度、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)點區(qū)鋼筋過于密集導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應力屋面板，不僅提 高了自防水預應力屋面板的抗裂性能，同時也減少了縱向預應力筋的配筋率，提高了結構的耐久性。 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。 東南大學的焦楚杰和孫偉對聚丙烯纖維和鋼纖維混雜增強高強混凝土的彎曲性能進行的試驗研究表明 :鋼纖維與聚丙烯纖維組成三維亂向支撐網(wǎng)，在一定程度上彌補了混凝土的原始缺陷，增強了基體的抗拉能力 :鋼纖維與聚丙烯纖維纏繞在一起，在承受彎曲荷載時產(chǎn)生“纖維連鎖”效應，更大程度地提高了試件的抗彎強度；在裂縫擴展過程中，鋼纖維與聚丙烯纖維先后起到阻裂的主導作用，對裂縫的擴展進行全過程抑制，明顯增大了基體的韌性；從經(jīng)濟上考慮混雜纖維混凝土也有一定的優(yōu)勢，鋼纖維增強、增韌 效果好，但會導致工程造價過高；聚丙烯纖維增韌效果好，價格較低，但聚丙烯纖維難以提高混凝土的強度，只能延緩后期破壞過程。 復合材料理論定義混雜復合材料可出現(xiàn)混雜效應 (hybrid effect) ,若出現(xiàn)單一復合材料所沒有的優(yōu)異性能，則此效應稱為正混雜效應；若出現(xiàn)單一復合材料所沒有的明顯缺點，則此效應稱為負混雜效應。阻裂效應作用的結果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土構件在破壞后仍保持一定的延性 (假延性 )。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。