【正文】 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]。 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。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。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)。 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。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。 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。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(zhǎng)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。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。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。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。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(shì)。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。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。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。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。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。 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)。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(zhǎng)結(jié)構(gòu)的壽命。 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(chǎng)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。 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(shì)，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。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。 （ 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 。 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)。 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。 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。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)。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 )。 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。 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。聚丙烯長(zhǎng)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(chǎng)跑道、裝卸碼頭、停機(jī)坪和停車場(chǎng)等。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。 纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 15 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，直徑大于 的長(zhǎng)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(zhǎng)纖維。 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。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。 聚丙烯短纖維限制混凝土的早期塑性收縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。 聚丙烯短纖維（ Micro PPfiber） 聚丙烯短纖維是一種單絲纖維。 （ 4）鋼纖維鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 在普通鋼筋混凝結(jié)構(gòu)中摻入鋼纖維，不但可以提高抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度，而且在使用性能 如斷裂韌性、極限應(yīng)變、裂后承載和抗沖擊、抗疲勞等方面獲得顯著改善。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。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。 與 SIFCON相類似，美國(guó) 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)。為了解決這個(gè)問題，砂漿滲澆鋼纖維混凝土（ Slurry Infiltrated Fiber Concrete，SIFCON）應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)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(dá) 27%。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。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 ,延性越來越差，其抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為 6%。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。在混凝土中摻入適量鋼纖維，其纖維混凝土板抗彎性能的試驗(yàn)研究 13 抗拉強(qiáng)度提高 25%50%，抗彎強(qiáng)度提高 40%80%，抗剪強(qiáng)度提高 50%100%； （ 3）具有卓越的抗沖擊性能。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)件開裂后的韌性。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。 盡管各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料品類繁多，各具特點(diǎn)，但目前應(yīng)用最廣、技術(shù)上最成熟、基本性能理解最深、商業(yè)化程度最高的還是鋼纖維混凝土。中國(guó)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(guó) 纖維混凝土學(xué)術(shù)會(huì)議。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)。中國(guó)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）。隨著高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的纖維混凝土在高速公路、橋梁、隧道、地鐵等工程中的廣泛應(yīng)用，其取代傳統(tǒng)鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土的趨勢(shì)愈加明顯。 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。 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。 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，由美國(guó)的 首創(chuàng)。 （ 5）纖維與水泥基材之間界面層的微觀結(jié)構(gòu)及二者之間的界面粘結(jié)特性： 纖維與水泥基材之間存在界面層主要是由于在纖維混凝土成型硬化的過程中，纖維與水泥砂漿之間不可避免地產(chǎn)生水膜層。 （ 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。 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。鋼纖維的長(zhǎng)徑比越大，其增強(qiáng)效果越好，但長(zhǎng)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(zhǎng)徑比一般在 4080 之間。 （ 2）纖維的幾何特征： 主要包括纖維的集束狀況（單絲、束狀、膜裂等），纖維的長(zhǎng)度，纖維的長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑之比），纖維的截面形狀（圓形、矩形等），纖維的表面特性（光滑、粗糙）等。 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。目前研究較多的是鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土。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。 自密實(shí)混