【導讀】和發(fā)展增強混凝土的韌性。土的優(yōu)點體現(xiàn)之一。韌性可定義為材料或結構從開始出現(xiàn)裂縫到失效為止吸收能量的能。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。本試驗參照梁式構件的RILEM彎曲韌性試驗方法，通過不同纖維類型、不。同纖維摻量的纖維混凝土板的彎曲韌性試驗，總結出了。纖維對混凝土基體增強增韌作用的部分規(guī)律。

　　

【正文】 抗拉強度有關。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 )。 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。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。 通過以上分析可見，聚丙烯纖維和鋼纖維的阻裂效應不可相互替代，因分別改善了不同時期混凝土的性能。 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。 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。 復合材料理論將多種材料結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。依據(jù)這一理論，通過不同類型纖維之間的混雜，復合材料各相之間可產(chǎn)生性能互補、工藝互 補、經(jīng)濟互補、使用效能互補，從而產(chǎn)生性能可靠、經(jīng)濟和社會效益均較理想的復合材料。 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。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。 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。這兩種纖維在一定比例范圍內(nèi)混雜可以起到明顯的增強與增韌效果，目前研究較多的是鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等高彈模纖維與聚丙烯纖維、乙綸、丙綸等低彈模合成纖維混雜； 例如：鋼纖維和聚丙烯纖維混雜摻入混凝土基體后，經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)彈性模量較大的鋼纖維提高混凝土極限抗壓強度，同時低彈性模量高延性的聚丙烯纖維提高混凝土的韌性和裂后殘余應變能力。 （ 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 。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 。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。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 17 混雜纖維混凝土的力學性能 華東交通大學的王凱研究并 討論了鋼纖維與聚丙烯纖維混雜對高性能混凝土力學性能的影響，研究表明 :低摻量混雜纖維在增強混凝土抗壓強度作用方面雖不是很理想(與素混凝土相比，僅提高 10%20%)，但纖維的加入，增大了混凝土受壓破壞時的延性，不會出現(xiàn)崩碎和突然的強度降低，而是在達到峰值后強度逐漸降低，使混雜纖維混凝土表現(xiàn)出延性破壞的性質(zhì)；低摻量混雜纖維在提高混凝土抗拉、抗折性能方面效果較好，起到了纖維混雜疊加增強作用，混凝土韌性得以增強；低摻量混雜纖維混凝土在抗沖擊性能方面優(yōu)于鋼纖維混凝土及其他混凝土，抗沖擊性有大幅度的提高，表現(xiàn)出超疊加效應，并在混凝土材料初裂后呈現(xiàn)出優(yōu)越的應變硬化行為 [8]。 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。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]。 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。 道路和橋梁工程 鋼纖維混凝土應用于道路工程，能夠充分發(fā)揮其良好的抗彎性、抗裂性、抗疲勞性、耐磨性和耐沖擊性，既可以提高路面的抗裂性、抗彎性、抗疲勞性和耐沖擊性，又可以改善路面使用性能，延長使用壽命。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構的壽命。 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。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。其他典型的工程有北京四環(huán)路立交橋、京滬高速公路、上海虹橋機場高架車道、青藏公路、大足朱溪大橋、廣州解放大橋等。 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。 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。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。 工程實例：南昆鐵路西段二號隧道，處于高烈度地震區(qū)，穿越粉砂巖及炭質(zhì)頁巖地層，巖體嚴重風化呈破碎狀。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。 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。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。 建筑結構及預制構件 一般應用于房屋建筑工程、預制樁工程、框架節(jié)點、屋面防水工程、地下防水工程等工程領域中。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。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。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。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 19 大壩、水庫 等水利工程 鋼纖維混凝土在水利工程中的應用比較廣泛，主要將其用于受高速水流作用以及受力比較復雜的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓疏水道、消力池、閘底板和水閘、船閘、渡槽、大壩防滲面板及護坡等。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。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。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。 港口、海岸及近海工程 纖維混凝土由于具有特殊的抗龜裂、抗沖擊、致 密性和防滲性能，能延緩海水中的氯離子對鋼筋的銹蝕，延緩海水中硫酸鹽、鎂離子對混凝土的侵蝕，并提高建筑物抗波浪沖擊和碼頭重物沖擊的能力。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。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。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。 修 補加固工程 鋼纖維混凝土可用于大壩壩面修補，路面局部修補或罩面、梁、板、柱、墩的加固。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。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。 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。 可以看到，纖維能提高混凝土強度、增加混凝土韌性、高彈模纖維對混凝土的壓、彎、剪等強度都有提高，除此之外纖維還能改善混凝土的抗裂性、抗疲勞性能、凍融性能等。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。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。 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。 復合材料理論 復合材料理論將由多種材料結合或混合所構成的復合材料視為一個多相系統(tǒng)，其性能是各個相性能的疊加。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。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。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。但是，如果適當?shù)嘏湟约燃氂置艿目估睿憧捎行У丶s束混凝土的塑性變形，分散混凝土的應力集中，進而推遲或避免混凝土裂縫的出現(xiàn)[13]。 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。 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]。 當沿纖維方向施加外力時，纖維混凝土的應力為基體與纖維承擔的應力之和，即 纖維混凝土板抗彎性能的試驗研究 21 fffmffmmfc ????????? ????? )1( （ ） 式 中， fc? — 纖維混凝土的平均應力； f? — 纖維的應力； m? — 混凝土基體的應力； f? — 纖維在復合材料中的體積百分比，即纖維的體積率； m? — 混凝土體積率， fm ?? ??1 。 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)? 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。 考慮纖維不連續(xù)、亂向分布以及分散性的影響，分別引入有效粘結長度系數(shù) l? 、纖維方向有效系數(shù) ?? 和分散度影響系數(shù) ?? ： ffflfmfc dl ???????? ????? )1(