【正文】 50%100%； （ 3）具有卓越的抗沖擊性能。為了解決這個問題，砂漿滲澆鋼纖維混凝土（ Slurry Infiltrated Fiber Concrete，SIFCON）應運而生，其特點是先將鋼纖維亂向 填滿于模具中，再澆注水泥凈漿或砂漿，與普通鋼纖維混凝土相比，其纖維摻量可由 2%以下增至 4%20%，甚至高達 27%。 （ 4）鋼纖維鋼筋混凝土結(jié)構 在普通鋼筋混凝結(jié)構中摻入鋼纖維，不但可以提高抗拉、抗剪和抗彎強度，而且在使用性能如斷裂韌性、極限應變、裂后承載和抗沖擊、抗疲勞等方面獲得 顯著改善。 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。 合成纖維與鋼纖維對混凝土基體阻裂效應的區(qū)別 在混凝土中摻入纖維是為了改善因混凝土抗拉強度不足而造成的易 裂問題。 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，又能體現(xiàn)不同纖維之間協(xié)同作用的 復合材料。 （ 2）不同幾何尺度的纖維混雜： 不同幾何尺度的纖維對混凝土不同結(jié)構和尺 寸層次進行改性，微細纖維主要起著對水泥基材的增強作用，阻止和延緩微裂紋在基材中的擴展 。纖維混凝土作橋面鋪裝層可有效地抑制和減少裂縫，增強橋面的防水性和抗破碎能力，減緩鋼筋銹蝕和延長結(jié)構的壽命。通過使用了鋼纖維混凝土，在提高襯砌的抗震性能的同時，還減少了混凝土的用量，取得了明顯的經(jīng)濟效益。這些部位對混凝土材料自身的抗拉強度、抗剪強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。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。一般情況下，混凝土材料是非勻質(zhì)的，因此當混凝土構件受到拉力作用時，其界面各點受力不均勻，存在大量不規(guī)則的應力集中點。 由于纖維與基體變形協(xié)調(diào)一致，無相對滑移，由上式得： fffm dddddd ???????? ??? )1( （ ） 當纖維與基體都是彈性材料時，上式變?yōu)? fff。此時，如果混凝土沒有配筋約束，便會在應力集中部位出現(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)濟效益。鋼纖維混凝土的應用，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，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，以鋼纖維增強混凝土的各項性能指標，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荷載作用下的強度和韌性。 復合材料理論將多種材料結(jié)合或混合之后所構成的材料整體當作一個多相系統(tǒng)，其性能乃是各相性能的疊加值。 鋼纖維的阻裂效應體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時的裂縫擴展上，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度，有效地避免了無征兆的脆性破壞的發(fā)生。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 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。 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 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。鋼纖維有效地阻止了裂縫擴展，顯著提高了基體的抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊耐久性，并大幅度增進了韌性，使具有脆性特征的混凝土基體成為具有良好韌性的復合材料。中國工程建設標準化協(xié)纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 12 會分別于 1989 年 12 月和 1992 年 12 月批準頒布了《鋼纖維混凝土試驗方法》 （ CECS 13： 89）和《鋼纖維混凝土結(jié)構設計與施工規(guī)程》 （ CECS38： 92）。 纖維混凝土國內(nèi)外發(fā)展歷史 國外近代關于纖維混凝土的理論研究始于 1910 年，由美國的 首創(chuàng)。鋼纖維的長徑比越大，其增強效果越好，但長徑比過大的鋼纖維會帶來攪拌的困難并且容易發(fā)生彎折，因此實際使用的鋼纖維長徑比一般在 4080 之間。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。 可見目前各國對高性能混凝土的定義都集中在高工作性、高耐久性和高強度三個方面，只是各有側(cè)重。前纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 8 者影響混凝土的抗壓強度和彈性模量，而后者決定混凝土的斷裂應力，如抗拉強度和抗彎強度。 鋼筋的高抗拉強度彌補混凝土抗拉強度低的弱點，混凝土則對鋼筋起到保護的作用，同時發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，極大地擴展了混凝土的工程使用范圍； 預應力混凝土（ Prestressed Concrete） 為了擴大鋼筋混凝土和高強混凝土的應用范圍，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構件使用環(huán)境干燥或完全處于水中時，鋼筋的銹蝕極為緩慢，幾乎不發(fā)生銹蝕。 OHC a C OCOOHCa 2322)( ??? （ 3）侵蝕性介質(zhì)的腐蝕：在石化、化學、輕工、冶金及港灣工程中，化學介質(zhì)對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)生化學反應，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)會產(chǎn)生化學反應；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 ?Cl 和硫酸鎂對混凝土有纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 5 極強的腐蝕作用。 （ 6）時間與溫度 混凝土拌合物攪拌后，隨著時間增長而逐漸變得干稠，流動性減小，出現(xiàn)坍落度損失現(xiàn)象。 （ 3）集料與集灰比：集料顆粒形狀和表面粗糙度直接影響混凝土拌合物的流動性，形狀圓整、表面光滑，流動性就大，反之由于使拌合物內(nèi)摩擦力增加，使其流動性降低；級配良好的集料空隙率小，在水泥漿相同時，使包裹在集料表面的潤滑層增加，改善其工作性；當給定水灰比 CW/ 和集料時，集灰比（集 料與水泥用量的比值）的減少意味著水泥量的相對增加，從而改善拌合物的工作性。靜置時間不超過 30s，然后平穩(wěn)、垂直地提起坍落度筒，記錄混凝土流動到 500mm刻度圈時所需的時間 500T 。工作性是一項綜合的技術指標，包括流動性、粘聚性和保水性三方面。 目前對纖維混凝土（ FRC）彎曲韌性的研究主要以纖維混凝土梁（ 150 mm 150 mm 550mm）為研究對象，但是梁式模板的內(nèi)部空間狹小，影響了纖維在混凝土基體中的方向及自由分布，從而導致纖維混 凝土試驗梁與實際工程中纖維方向和分布存在一定程度的差異。纖維混凝土的韌性包括壓縮韌性、彎曲韌性、剪切韌性等，目前廣泛采用彎曲韌性作為衡量纖維混凝土韌性的主要指標，其破壞過程更能綜合反映出纖維的增韌效果。 工作性 工作性亦稱和易性，是指混凝土拌合物易于施工操作（拌合、運輸、澆筑、搗實）并能獲得質(zhì)量均勻和成型密實的性能。具體試驗方法是 將坍落度筒置于坍落流動度臺的中心位置，向筒中澆新拌混凝土，刮去多余的混凝土，并抹平混凝土表面。砂率過大時，集料的總表面積及空隙率都會增大，在水泥漿含量不變的情況下，相對地水泥漿顯得 少了，減弱了水泥漿的潤滑作用，使拌合物的流動性減?。簧奥蔬^小時，不能保證粗集料之間有足夠的砂漿層，進而降低拌合物的流動性，且影響其粘聚性和保水性，易產(chǎn)生離析和流漿現(xiàn)象。摻入粉煤灰能夠改善混凝土拌合物的流動性。 （ 2）混凝土的碳化： 水泥水化產(chǎn)生大量堿性的 2)(OHCa ，在鋼筋表面形成能夠有效地保護鋼筋的氧化膜 32OFe ，而空氣中的 2CO 氣體滲透到混凝體基體內(nèi)，與其堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應，使混凝土的 pH 值降低，混凝土失去對鋼筋的保護作用，進而造成混凝土的銹蝕的過程，成為混凝土的碳化 。然而，當混凝土被碳化后，鋼筋表面的氧化膜被破壞，在有水分和氧氣的條件下，發(fā)生鋼筋銹蝕的電化學反應，鋼筋銹蝕產(chǎn)生的鐵銹，體積比鐵增加 26 倍，使保護層被擠裂，空氣和水分更易進入，促進銹蝕加速發(fā)展。由于 鋼筋與混凝土有著近似相同的線膨脹 系數(shù)，鋼筋與混凝土之間有良好的粘結(jié)力， 而且 混凝土中的氫氧化鈣提供的堿性環(huán)境，在鋼筋表面形成了一層鈍化保護膜，使鋼筋相對于中性與酸性環(huán)境下更不易腐蝕 ，所以鋼筋與混凝土可以共同工作。 高強混凝土脆性的增大源于其微觀結(jié)構的改變，眾所周知，在水泥漿體中存在兩 類獨立的孔隙：一種為無長度但有體積的開放孔；另一類為無體積但有長度的封閉孔。 我國 混凝土專家吳中偉院士對高性能混凝土定義如下 [3]：高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎上采用現(xiàn)代混凝土技術制作，以耐久性作為設計的主要指針，針對不同用途要求，對下列性能有重點地予以保證：耐久性、施工性、適用性、強度、體積穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 10 2 纖維混凝土 纖維混凝土是纖維增強混凝土的簡稱，它是以水泥凈漿、砂漿或混凝土作為基材，以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維增強材所組成的水泥基復合材料的總稱 [4]。 對于纖維長度，為使短纖維的強度被充分利用，其長度必須超過一定的臨界值，否則在纖維混凝土受拉或受彎達到極限狀態(tài) 時，短纖維只限于由混凝土基體中拔出，而不能拉斷。為此應盡可能減薄此界面層，從而提高纖維與水泥基材的界面粘結(jié)強度。 我國在 20 世紀 70 年代開始了鋼纖維混凝土的研究和應用。 鋼纖維混凝土 （ Steel Fiber Reinforced Concrete） 鋼纖維混凝土是二十世紀七十年代發(fā)展起來的一種新型復合材料，有水泥、粗細集料和隨機分布的鋼纖維組成。沖擊韌性指材料抵抗沖擊或震動荷載作用的性能； （ 4）收縮性能明顯改善； （ 5）抗彎和抗疲勞性能顯著提高； （ 6）耐久性能顯著提高。從而使 SIFCON的強度和韌性成倍提高，在承受反復荷載和抗震抗爆結(jié)構中優(yōu)越性更為顯著。 合成纖維混凝土 聚丙烯纖維（ Polypropylene Fiber）是目前應用最普遍的合成纖維，主要包括兩種 : 聚丙烯短纖維和聚丙烯長纖維。此外，由于纖維的存在，減少了混凝土的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生，減少了滲水通道，進而提高了混凝土的抗?jié)B性能。不同品種的纖維因彈性模量、抗拉強度、長徑比、摻量等的不同，在混凝土中阻裂效應的作用機理和效果也不相同。 用單一纖維對混凝土基體的增強、增韌作用是有限的，混凝土是多相、多層次的復合材料，小到微米級的水泥石凝膠，粗到毫米級的砂子，大到厘米級的碎石，如果只是纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 16 摻入單一纖維，僅改善了混凝土某一層次的性能，為了從整體上提高混凝土的性能，所加入的纖維理應也是多層次的，即混雜纖維。當基材局部產(chǎn)生大裂紋，微纖維在基材中被拔出而難以制止大裂紋時，大纖維則因其被拔出需消耗更大的能量而能夠起到阻止大裂紋的擴張，從而改善混凝土的延性； （ 3）不同耐久性能纖維混雜： 耐久性較差的纖維可以用于保證在運輸和安裝等短期性能 。 工程實例 [11]：廣東肇慶北江大橋是鐵路公路兩用橋，于 1984 年底竣工交付使用，由于通車量大，三個月后，橋面鋪裝層即開始出現(xiàn)各種損壞，嚴重影響行車安全和公路纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 18 橋面的使用壽命。 現(xiàn)已建成的工程有：沈陽鐵路局長達線維修工程、柳州鐵路局黔桂鐵路鋪設工程、南昆鐵路隧道工程和西安 安康鐵路椅子山隧道等。我國在實際工程中應用的有：三峽工程、小浪底水利樞紐工程、三門峽泄水排砂底孔等工程。這些工程應用證明采用噴射鋼纖維混凝土修補加固工程質(zhì)量方案正確，質(zhì)量可靠，可以達到預期目的。這些應力集中點的應力首先達到極限抗拉強度，引起局部塑性變形