【正文】 混凝土基體增強(qiáng)增韌作用的影響因素 10 纖維混凝土國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史 11 鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete） 12 鋼纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)[24] 12 鋼纖維混凝土的發(fā)展方向 13 合成纖維混凝土 14 聚丙烯短纖維（Micro PPfiber） 14 聚丙烯長(zhǎng)纖維（Macro PPfiber） 15 合成纖維與鋼纖維對(duì)混凝土基體阻裂效應(yīng)的區(qū)別 15 混雜纖維混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete） 15 常見(jiàn)的纖維混雜模式 16 混雜纖維混凝土的力學(xué)性能 17 纖維混凝土的實(shí)際工程應(yīng)用 17 道路和橋梁工程 17 隧道和鐵路工程 18 建筑結(jié)構(gòu)及預(yù)制構(gòu)件 18 大壩、水庫(kù)等水利工程 19 港口、海岸及近海工程 19 修補(bǔ)加固工程 19 軍事工程 19 纖維混凝土的增強(qiáng)理論 20 復(fù)合材料理論 20 纖維間距理論 22 纖維混凝土的開(kāi)裂機(jī)理 233 纖維混凝土的基本力學(xué)性能 25 纖維混凝土的抗壓性能 25 纖維混凝土的抗拉性能 26 纖維混凝土的抗彎性能 26 纖維混凝土彎曲韌性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 27 美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1018) 27 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(CECS 13: 89) 29 日本土木學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（Japan JSCE G552） 31 德國(guó)纖維混凝土DBV標(biāo)準(zhǔn) 32 國(guó)際材料和結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)RILEM標(biāo)準(zhǔn) 34 纖維混凝土的抗剪性能 414 本文主要研究?jī)?nèi)容 425 試驗(yàn) 43 試驗(yàn)概況 43 試驗(yàn)材料 43 試驗(yàn)方案 44 新拌混凝土的工作度 48 新拌混凝土的含氣量 49 立方體28天抗壓強(qiáng)度 50 試驗(yàn)結(jié)果與分析 51 荷載位移曲線 51 荷載CMOD曲線 57 位移CMOD曲線 62 能量位移曲線 67 能量CMOD曲線 72 抗彎強(qiáng)度 77 韌性分析 78結(jié) 論 82參 考 文 獻(xiàn) 83致 謝 851 混凝土混凝土（Concrete）是由無(wú)機(jī)膠凝材料（如石灰、石膏、水泥等）和水，或有機(jī)膠凝材料（如瀝青、樹(shù)脂等）的膠狀物，與集料按照一定比例配合攪拌，并在一定溫度濕度條件下養(yǎng)護(hù)硬化而成的一種復(fù)合材料（Composite material）。粘聚性是指混凝土拌合物在施工過(guò)程中其各組分之間保持一定的粘聚力，不致產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象。 坍落流動(dòng)度測(cè)定 工作性是混凝土拌合物最重要的性能，其影響因素很多，主要有單位用水量、砂率、集灰比、集料、水泥品種和細(xì)度以及外加劑、時(shí)間和溫度等。但由于水泥用量在混凝土體積中所占體積相對(duì)較小，因此對(duì)拌合物工作性的影響并不顯著。而溫度的升高會(huì)加速水泥水化，降低混凝土拌合物的流動(dòng)性。 （4）堿集料反應(yīng)：混凝土集料中的堿性氧化物與集料中的二氧化硅成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)生的堿硅酸鹽凝膠，吸水后產(chǎn)生膨脹，體積可增大34倍，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落、強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象稱為堿集料反應(yīng)（AAR)。防止鋼筋銹蝕最重要的措施是增加混凝土的密實(shí)性和保護(hù)層的厚度。如果在構(gòu)件使用前，通過(guò)預(yù)加外力，使受拉區(qū)預(yù)先產(chǎn)生壓應(yīng)力，以抵消或減少外荷產(chǎn)生的拉應(yīng)力，這樣就可以利用混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度來(lái)彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度不足的缺陷，以達(dá)到防止受拉區(qū)混凝土過(guò)早開(kāi)裂的問(wèn)題，從而提高截面抗彎剛度和減小裂縫寬度，甚至可以做到在使用荷載下不出現(xiàn)裂縫，預(yù)應(yīng)力混凝土便應(yīng)運(yùn)而生。 高性能混凝土（High Performance Concrete） 高性能混凝土是當(dāng)今混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要方向，目前對(duì)高性能混凝土的定義，各國(guó)專家意見(jiàn)不一。 纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete） 纖維混凝土是纖維增強(qiáng)混凝土的簡(jiǎn)稱，隨著美國(guó)學(xué)者Romuldi從理論上闡述了鋼纖維的增強(qiáng)作用和增強(qiáng)機(jī)理，極大地促進(jìn)了纖維混凝土的研究和實(shí)際應(yīng)用，人們逐漸意識(shí)到采用纖維增強(qiáng)混凝土可以大大提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形能力。目前研究較多的是鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土。 纖維在混凝土基體中的取向基本上分為四種:①一維定向，全部纖維沿一個(gè)方向排列；②二維定向，全部纖維在平面內(nèi)按規(guī)定的兩個(gè)方向排列；③二維亂向，全部纖維在平面內(nèi)任意排列；④三維亂向，全部纖維在空間內(nèi)任意排列。20世紀(jì)40年代，英美法德等國(guó)先后取得了一系列相關(guān)專利。這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為統(tǒng)一我國(guó)鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法，推動(dòng)規(guī)范鋼纖維混凝土的研究和工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 鋼纖維混凝土的優(yōu)點(diǎn)[24]鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維可阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展、限制宏觀裂縫發(fā)展以及提高構(gòu)件開(kāi)裂后的韌性。高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度高,可以減小截面尺寸和自重,但隨著強(qiáng)度的不斷提高,高強(qiáng)混凝土脆性增加,延性越來(lái)越差，其抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%。試驗(yàn)表明，SIFCON的增強(qiáng)率和增韌率可分別達(dá)到SIFCON的219411倍和215613倍。 聚丙烯短纖維限制混凝土的早期塑性收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。常常使用鋼纖維阻止硬化混凝土的開(kāi)裂，提高混凝土韌性和抗沖擊性能。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)。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(méi)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(méi)有的明顯缺點(diǎn)，則此效應(yīng)稱為負(fù)混雜效應(yīng)。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(guò)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(guò)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(shì)，鋼纖維增強(qiáng)、增韌效果好，但會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)過(guò)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(guò)程。 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(shì)。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(guò)于密集導(dǎo)致混凝土難于澆注的施工問(wèn)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。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。由于以上優(yōu)點(diǎn)，纖維混凝土近年來(lái)的應(yīng)用規(guī)模逐漸擴(kuò)大。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(wú)相對(duì)滑移。因此均勻分布在混凝土基體中的纖維，可以起到阻止基體內(nèi)微裂縫發(fā)展的作用。如果纖維在混凝土基體內(nèi)部不能均勻分散，也會(huì)因?yàn)橄噜弲^(qū)域存在纖維密布與纖維相對(duì)稀疏的差異而導(dǎo)致如同裂縫般的開(kāi)裂。 纖維混凝土的抗壓性能 鋼纖維混凝土抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的增加而有所提高，但提高幅度不大。 高丹盈等[23]在《鋼纖維混凝上試驗(yàn)方法》(CECS 13 : 89)的基礎(chǔ)上，對(duì)劈拉試驗(yàn)方法和測(cè)試裝置進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)，測(cè)定了纖維(鋼纖維和聚丙烯纖維)高強(qiáng)混凝上的劈裂抗拉強(qiáng)度和變形性能。混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，隨著強(qiáng)度的提高，其脆性也顯著增大。 梁的加載方式韌性指數(shù)I根據(jù)試件第一條裂縫出現(xiàn)時(shí)的撓度及相對(duì)應(yīng)的能量來(lái)確定。ASTM標(biāo)準(zhǔn)推薦的試件尺寸為100 mm100mm350mm，跨度為300 mm。試驗(yàn)采用三點(diǎn)加載，位移控制。 德國(guó)纖維混凝土DBV標(biāo)準(zhǔn) DBV標(biāo)準(zhǔn)引入等效抗彎強(qiáng)度和變形能的概念來(lái)表述纖維混凝土的韌性及其能量吸收能力，并用和取代ASTM中的和，其中表示纖維混凝土梁所吸收的能量，表示纖維混凝土梁的等效抗彎強(qiáng)度。本試驗(yàn)方法可用于確定：（1）比例極限（LOP：the limit of proportionality），即荷載—撓度曲線（Load—Deflection）或荷載－裂縫口擴(kuò)展寬度（Load—CMOD）曲線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)FL的應(yīng)力作為比例極限；（2）等效抗彎強(qiáng)度和，分別對(duì)應(yīng)跨中撓度為和，用以鑒定材料性能；（3）達(dá)到給定撓度或CMOD時(shí)的剩余彎拉強(qiáng)度，用以鑒定材料性能。 試件澆注和模具填充順序采用濕法開(kāi)口，每根梁由澆筑面翻轉(zhuǎn)90176。兩個(gè)支座及加載裝置均為直徑30mm177。等速位移控制，直到給定的終點(diǎn)撓度，荷載與跨中撓度值連續(xù)記錄下來(lái)。 梁試件的切口位置及深度因?yàn)樵囼?yàn)要求等速位移控制，所以要求使用能夠使試件的撓度或CMOD以恒定速率增加的儀器。在混凝土澆筑后的2448小時(shí)之間拆模，然后置于溫度為177。 DBV韌性指標(biāo)計(jì)算示意圖與其他標(biāo)準(zhǔn)相比，DBV標(biāo)準(zhǔn)的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）DBV標(biāo)準(zhǔn)有較為實(shí)用的計(jì)算體系，不但給出了纖維混凝土靜力計(jì)算的基礎(chǔ)，還包括了不同齡期的纖維與混凝土的粘結(jié)、耐久性、抗?jié)B性和安全系數(shù)等的計(jì)算方法；（2），避免了確定第一條裂縫的困難。（3）等效抗彎強(qiáng)度的定義帶有相應(yīng)的安全系數(shù)，在計(jì)算時(shí)考慮了纖維混凝土的一些重要特性但是該標(biāo)準(zhǔn)提供的評(píng)價(jià)方式比較概括，無(wú)法精確地對(duì)比區(qū)分混凝土開(kāi)裂前后彎曲性能的變化。與ASTM標(biāo)準(zhǔn)類似，CECS標(biāo)準(zhǔn)也存在確定試件初裂時(shí)刻（即第1條裂縫出現(xiàn)）的困難，因?yàn)榱撼惺芎奢d時(shí)是先產(chǎn)生微裂縫，再發(fā)展延伸成宏觀上的可見(jiàn)裂縫，初裂荷載和初裂撓度的確定存在較大的人為性，勢(shì)必會(huì)對(duì)韌性指數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算帶來(lái)不良影響。 （3）韌性指數(shù)I、殘余強(qiáng)度指數(shù)R與梁的截面形狀、尺寸及跨度等因素有關(guān)。 美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1018)ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)為位移控制，一次加載時(shí)間至少為15min，跨中撓度至少應(yīng)超過(guò)相對(duì)于韌性指標(biāo)撓度的10%，兩點(diǎn)加載，荷載作用點(diǎn)距支座距離為梁跨度的1/3。 纖維混凝土的抗彎性能 韌性是衡量纖維混凝土工作性能的重要指標(biāo), 也是纖維混凝土較之素混凝土的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)之一。試驗(yàn)證明：鋼纖維對(duì)混凝土的劈拉強(qiáng)度的影響非常顯著。使侵蝕介質(zhì)浸入基體的速率降低，對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的防腐蝕有利； （7）某些特殊纖維配制的混凝土，其熱學(xué)性能、電學(xué)性能、耐久性能較普通混凝土也有變化。 纖維間距理論的假設(shè)前提是纖維均勻分散，如果纖維不能均勻分散，則纖維間距理論可能失效或部分失效。 纖維間距理論纖維間距理論，又稱纖維阻裂理論。此時(shí)，如果混凝土沒(méi)有配筋約束，便會(huì)在應(yīng)力集中部位出現(xiàn)裂縫。 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。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。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。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。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。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。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(kāi)裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度，有效地避免了無(wú)征兆的脆性破壞的發(fā)生。 聚丙烯長(zhǎng)纖維（Macro PPfiber） 聚丙烯長(zhǎng)纖維主要是指長(zhǎng)度大于30mm，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(zhǎng)纖維。 聚丙烯短纖維（Micro PPfiber） 聚丙烯短纖維是一種單絲纖維。與SIFCON相類似，美國(guó)Hackman等近來(lái)研究開(kāi)發(fā)了一種砂漿滲澆鋼纖維網(wǎng)混凝土(Slurry Infiltrated Mat Concrete，SIMCON)。鋼纖維混凝土除抗?jié)B性能與普通混凝土相比沒(méi)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(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)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）。 纖維混凝土國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷史國(guó)外近代關(guān)于纖維混凝土的理論研究始于1910年。鋼纖維的長(zhǎng)徑比越大，其增強(qiáng)效果越好，但長(zhǎng)徑比過(guò)大的鋼纖維會(huì)帶來(lái)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(zhǎng)徑比一般在4080之間。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(wú)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(guò)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?？梢?jiàn)目前各國(guó)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。前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。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