浅谈纤维增强混凝土的应用与前景

题目：浅谈纤维增强混凝土的应用与前景

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专业：结构工程2013

浅谈纤维增强混凝土的应用与前景

贾龙杰

（辽宁工业大学，锦州）

1前言

作者通过阅读近几年关于纤维增强混凝土的文献，在本文中对纤维增强混凝土对改善混凝土固有脆性等缺点的作用、原理进行了阐述。同时，还在文章中讨论了纤维增强混凝土所用材料的特点、优势、应用领域和影响其性能的各种因素，主要包括钢纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、玄武岩纤维等增强混凝土的应用和特点。

2纤维增强混凝土

作为当今世界上使用最广泛的土工材料，传统的混凝土易成型、耐久性好、成本低廉、取材容易，抗压能力强,易与钢筋、型钢等组合制成各种结构构件，在工程界得到广泛的应用。但是，传统的混凝土也有它本身难以克服的缺陷，如脆性大、自重大，尤其是抗拉强度低、无法满足结构抗裂、耐久性、韧性等方面的设计要求。因此，人们致力于研究高强、轻质、脆性低、耐久性好的混凝土。其中，纤维增强混凝土是混凝土材半封研究中的一个重要方面。

2.1国际上的研究状况

为了解释脆性材料的实际断裂强度与理论断裂强度的巨大差异,Griffith(1920)提出了裂纹理论。Evans和McMeeking(1986)研究表明：增强晶须在裂纹表面施加一个桥联应力，可降低应力强度因子。Becher(1988)认为为了得到大的增强效果，晶须强度要高，半径要大，而界面结合强度要小。Sigl 和Evans(1989)的研究结论是：对于高韧性脆性基质复合材料，裂纹扩展阻力和基质裂纹应力除依赖于残余应力、弹性性质、脱黏后纤维与基质的摩擦系数和纤维强度外，还依赖于界面的脱黏。Zhu 等人(1999)研究狗骨状聚乙烯短纤增强聚酯复合材料的机械性能。Liao和Reifsnider(2000)研究了单向连续纤维增强脆性基质复合材料，建立了拉伸断裂强度模型。

1963年美国学者Romualdi提出了“纤维阻裂机理”或（称纤维间距理论)，根据线弹性断裂力学来解释纤维对于裂缝的阻裂效应。后来英国Swamy，Mangat 提出了“复合材料机理”，从复合材料的混合原理出发，将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系，并用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。这两种理论得到了人们的广泛重视，也极大地促进了纤维混凝土的发展。

上世纪70年代初，美国研制出了熔钢抽丝法，能廉价生产钢纤维，1980 年代末美国混凝土协会(ACI)544委员会首先制定了《钢纤维混凝土实验方法》，1983年日本土木工程学会制定了《钢纤维混凝土设计施工指南》，日本混凝土工程协会于1984年制定了《钢纤维混凝土实验方法标准》，这些标准为大规模使用纤维创造了条件。1970年代中期，玻璃纤维在混凝土中的应用实现了工业化。1980年代中期，碳纤维在混凝土中的应用也实现了工业化。1980年代后期，其他合成纤维增强混凝土相继实现工业化。30多年来，随着生产技术的发展，已解决了FRC拌和物搅拌困难、纤维与混凝土的粘接力等问题，在重要道路路面、飞机跑道等防裂和抗冲磨要求高的工程，以及屋面或地下刚性防水的工程中已发挥了显著的优势。

2.2国内的研究状况

我国对纤维增强混凝土的研究起步较晚，在1970年代末开始研制钢纤维，1980年代以来已在许多土木工程中使用，产生了良好的社会、经济效果。中国工程建设标准化协会于1993 年 5 月批准实施《纤维混凝土结构设计与施工规范》，规范的颁布极大地推动了钢纤维在公路路面、机场跑道、桥面、水工、建筑、铁路、市政、军事工程以及各种建筑制品等领域的推广应用。目前已召开过8届全国性的学术会议，关于纤维混凝土理论与技术的研究较为系统和深入，并逐渐被广大工程技术人员所接受，已在三峡等一批重大工程中应用。我国目前已有少量用于混凝土（砂浆）的聚丙烯、尼龙等纤维的生产，其性能不亚于国外同类产品，已在上海等地成功地用于刚性防水、大面积的基础底板防裂等工程，并取得了很好的效果。

同济大学马一平等研究了改性聚丙烯纤维水泥基复合材料的抗塑性开裂性能和基本力学性能。实验结果表明：聚丙烯纤维的几何形态对水泥砂浆的抗塑性开裂性能有明显影响，分散程度好的纤维最好，分散程度较好的纤维次之，分散程度较差的纤维最差。武铁明等人的研究表明，当纤维掺入到混凝土中并充分拌匀后，初期，均匀分布的纤维在新拌混凝土内构成一种网状承托体系——承托骨料，从而有效减少混凝土的内分层，减少空腔的产生；硬化过程中由于纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，微裂缝在发展的过程中必然遭到纤维的阻挡，消耗了能量，使其难以继续进一步地发展，从而阻断裂缝扩展达到抗裂的作用。范溶、薛元德在“用蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程”中，通过采用改进的剪滞模型，假定界面不发生破坏，求得不同基体纤维刚度比，不同基体韧性情况下断裂纤维附近的应力集中系数，然后通过蒙特卡罗方法模拟单向复合材料的拉伸断裂过程，比较若干情况下复合材料的拉伸强度，找出提高纤维增强混凝土拉伸强度的方法。

2.3纤维增强混凝土的定义及分类

纤维增强混凝土(Fiber Reinforced Concrete，简称FRC)是在混凝土基体中掺人比较短的、不连续的离散纤维组成的复合材料。在混凝土中掺加纤维的目的有两种。第一，以提高混凝土强度为主要目标。对于这种纤维混凝土材料，要求纤维具有比混凝土基材高得多的抗拉强度和刚度，例如，钢纤维混凝土。第二，以提高混凝土抗裂、抗收缩为主要目标，一般采用刚度比混凝土低的合成纤维。

纤维混凝土增韧机理主要包括：

1 感性解释 S.P.Shah在阐明纤维增强复合材料中的增韧机理时认为,这种复合材料在基体出现第一条裂缝后，如果纤维的拉出抵抗力大于出现第一条裂缝时的荷载，则它能承受更大的荷载。在裂开的截面上，基体不能抗受任何拉伸，而纤维承担着这个复合材料上的全部荷载。随着复合材料上荷载的增大，纤维将通过粘结应力把附加的应力传递给基体。如果这些粘结应力不超过粘结强度，基体就会出现更多的裂缝。这种裂缝增多的过程将继续下去，直至或是纤维断掉或是粘结强度失效而导致纤维被拔出。

2 纤维间距理论这一理论由美国的Romualdi和Betson(1963年)提出。根据线弹性断裂力学来说明纤维对混凝土裂缝发生和发展的约束作用，对于混凝土这类内部原来具有缺陷和裂纹的材料，其开裂强度可因混凝土内加入纤维后，混凝土的韧性增大、裂缝尺寸减小或裂缝尖端应力集中系数降低而得到提高。这就从理论上说明了纤维增强混凝土的机理。就纤维增强混凝土而言，纤维平均间距始终是对线性材料性能起决定作用的一个极为重要的因素。纤维平均间距决定着