鋼纖維混凝土的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

１前言

      隨著1824年波特蘭水泥的誕生，在1830年前后出現(xiàn)了混凝土，作為當時的一種新型建筑材料，就廣泛地應用于土木和水利工程。尤其是在19世紀中葉以后，伴隨著鋼鐵的發(fā)展，人們把鋼筋和混凝土結合起來，誕生了鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)這種新型的復合建筑材料，大大提高了結構的抗裂性能、剛度、承載能力和耐久性，從而使建筑業(yè)經歷了一場革命。盡管混凝土的固有優(yōu)點是高抗壓強度，然而它也有固有弱點——如構件的自重大、易于塑性干縮開裂、抗疲勞能力低、韌性差、抗拉強度低(一般僅為抗壓強度的7%－14%)、易產生裂紋、抗沖擊碎裂性差等，限制了在工程中的使用范圍。這些弱點隨著混凝土強度的提高顯得尤為突出。因此，長期以來許多專家和學者不斷探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增強耐久性)的各種方法和途徑，于是，提出了一種以傳統(tǒng)素混凝土為基體的新型復合材料——纖維混凝土。

2 纖維混凝土的發(fā)展和現(xiàn)狀

      纖維混凝土(Fiber Reinforced Concrete，簡稱FRC)，是纖維增強混凝土的簡稱，通常是以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體，以金屬纖維、無機纖維或有機纖維增強材料組成的一種水泥基復合材料。它是將短而細的，具有高抗拉強度、高極限延伸率、高抗堿性等良好性能的纖維均勻的分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料。纖維在混凝土中限制混凝土早期裂縫的產生及在外力作用下裂縫的進一步擴展。在纖維混凝土受力初期，纖維與混凝土共同受力，此時混凝土是外力的主要承擔者，隨著外力的不斷增加或者外力持續(xù)一定時間，當裂縫擴展到一定程度之后，混凝土退出工作，纖維成為外力的主要承擔者，橫跨裂縫的纖維極大的限制了混凝土裂縫的進一步擴展。由此可見，纖維有效地克服了混凝土抗拉強度低、易開裂、抗疲勞性能差等固有缺陷。

      與普通混凝土相比，F(xiàn)RC具有較高的抗拉、抗彎拉、抗沖擊、抗阻裂、抗爆和韌性、延性等性能，同時對混凝土抗?jié)B、防水、抗凍、護筋性等方面也有很大的貢獻。

      鑒于FRC具有素混凝土不具有的優(yōu)點，纖維混凝土尤其是鋼纖維混凝土在實際工程中日益得到學術界和工程界的關注。1907年原蘇聯(lián)專家B.П.HekpocaB開始用金屬纖維增強混凝土；1910年，美國H.F.Porter發(fā)表了有關短纖維增強混凝土的研究報告，建議把短鋼纖維均勻地分散在混凝土中用以強化基體材料；1911年，美國Graham曾把鋼纖維摻入普通混凝土中得到了可以提高混凝土強度和穩(wěn)定性的結果；到20世紀40年代，美、英、法、德、日等國先后做了許多關于用鋼纖維來提高混凝土耐磨性和抗裂性、鋼纖維混凝土制造工藝、改進鋼纖維形狀以提高纖維與混凝土基體的粘結強度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson發(fā)表了關于鋼纖維約束混凝土裂縫開展的機理的論文，提出了鋼纖維混凝土開裂強度是由對拉伸應力起有效作用的鋼纖維平均間距所決定的結論(纖維間距理論)，從而開始了這種新型復合材料的實用開發(fā)階段。到目前，隨著鋼纖維混凝土的推廣應用，因纖維在混凝土中的分布情況不同，主要有四類：鋼纖維混凝土、混雜纖維混凝土、層布式鋼纖維混凝土和層布式混雜纖維混凝土。

2.1 鋼纖維混凝土

      鋼纖維混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete 簡稱SFRC)是在普通混凝土中摻入少量低碳鋼、不銹鋼和玻璃鋼的纖維后形成的一種比較均勻而多向配筋的混凝土。鋼纖維的摻入量按體積一般為l－2%，而按重量計每立方米混凝土中摻70－100Kg左右鋼纖維，鋼纖維的長度宜為25－60mm，直徑為0.25－1.25mm，長度與直徑的最佳比值為50－700。

      與普通混凝土相比，不僅能改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨和抗裂性能，而且能大大增強混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結構的疲勞性能及其耐久性，尤其是韌性可增加l0－20倍。

       我國對SFRC與普通混凝土力學性能做了比較試驗，當鋼纖維摻入量為15－20%、水灰比為0.45時，其抗拉強度增長50－70%，抗彎強度增長120－180%，抗沖擊強度增長10－20倍，抗沖擊疲勞強度增長15－20倍，抗彎韌性增長約14－20倍，耐磨損性能也明顯改善。
由此可以看出：與素混凝土相比，SFRC具有更優(yōu)越的物理和力學性能：(1)較高的彈性模量和較高的抗拉、抗壓、抗彎拉、抗剪強度；(2)卓越的抗沖擊性能；(3)抗裂和抗疲勞性能優(yōu)異；(4)能明顯改善變形性能；(5)韌性好；(6)抗磨與耐凍融有改觀；(7)強度和重量比增大，施工簡便，材料性價比高，具有優(yōu)越的應用前景和經濟性。

2.2 混雜纖維混凝土

      鑒于鋼纖維混凝土有許多正是我們需要而素混凝土又不及的優(yōu)點，所以很受工程界的青睞。但有關研究資料表明，鋼纖維對混凝土的抗壓強度并無明顯促進作用，甚至還有所降低；與素混凝土相比，對于鋼纖維混凝土的抗?jié)B性、耐磨性、耐沖磨性及對防止混凝土早期塑性收縮等還存在正反(提高與降低)兩方面甚至居中的觀點。此外，SFRC用量較大價格較高，有生銹問題，對由于火災引起的爆裂幾乎無效，這些問題都在不同程度影響了其應用。

      目前，盡管單一纖維混凝土有著自身的優(yōu)點，但是低模量合成纖維混凝土由于模量低，變形大，亂向而松散地摻入混凝土中，對提高混凝土的抗壓、抗拉、抗彎、抗折強度等很不顯著，這些缺點限制了低模量合成纖維適用領域。近些年來，一些國內國外學者開始將目光投向混雜纖維混凝土(Hybrid Fiber Reinforced Concrete 簡稱HFRC)，試圖把具有不同性能和優(yōu)點的纖維混雜，取長補短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮“正混雜效應”來增強混凝土，以適應不同工程的需要。但是關于它的各種力學性能尤其是HFRC的疲勞變形及疲勞損傷、在靜、動荷載以及等幅或變幅循環(huán)荷載作用下的變形發(fā)展規(guī)律和損傷特性、纖維的最佳摻配量、混雜比例、復合材料各組份的關系、增強效果及增強機理、抗疲勞性能、破壞機理、施工工藝、配合比設計等方面的研究還有待進一步進行。

2.3 層布式鋼纖維混凝土

      由于整體式纖維混凝土不易攪拌均勻，在攪拌過程中纖維易結團，而且其纖維用量也較大，造價比較高，所以難以獲得大面積的推廣應用。通過大量的工程實際和理論研究，人們提出了一種新型鋼纖維結構形式——上下層布式鋼纖維混凝土(Layer Steel Fiber Reinforced Concrete 簡稱LSFRC)，它是將少量的鋼纖維均勻撒布于路面板的上下兩個表層，而中間仍為素混凝土層。LSFRC中的鋼纖維一般由人工或機械撒布，鋼纖維較長，長徑比一般70—120之間，呈二維分布。

      在不影響力學性能的條件下，這種材料大大降低了鋼纖維的用量，同時也避免了整體式纖維混凝土在攪拌時易出現(xiàn)纖維結團現(xiàn)象。試驗研究表明：用體積率為0.12%的鋼纖維，所配制的底面層布鋼纖維混凝土的7d、28d抗折強度比同條件下的素混凝土的抗折強度分別增加了27%和26%，而與鋼纖維混凝土（體積率為1.2%）的抗折強度相近，而鋼纖維用量節(jié)約90%。此外，鋼纖維在混凝土中的層布位置對混凝土的抗折強度影響很大，鋼纖維層布在混凝土底部增強效果最佳，隨鋼纖維層布位置上移，其增強效果明顯減弱，上下層布式鋼纖維混凝土，比同配合比的素混凝土抗折強度提高35%以上，比整體式鋼纖維混凝土略低，但上下層布式鋼纖維混凝土可節(jié)約大量材料成本，也不存在攪拌難的問題。因此，上下層布式鋼纖維混凝土是一種具有良好的社會經濟效益和廣闊的推廣應用前景、值得在路面施工中推廣的新材料。

2.4 層布式混雜纖維混凝土

      盡管LSFRC上下表面的一定厚度范圍內得以加強，但是其中間的素混凝土層卻成了薄弱環(huán)節(jié)。雖然其抗折強度和疲勞強度經試驗證明都有很大提高，可其延性、韌性、抗?jié)B性及耐久性卻增長不大，一旦表層鋼纖維磨出后將會存在安全隱患。

      層布式混雜纖維混凝土(Layer Hybrid Fiber Reinforced Concrete 簡稱LHFRC)是在LSFRC基礎上摻入0.1%的聚丙烯纖維，把大量細而短，具有較高抗拉強度、高極限延伸率的聚丙烯纖維均勻分布在上、下層鋼纖維混凝土和中間層的素混凝土中?？梢岳斫鉃槭腔祀s合成纖維混凝土和層布式鋼纖維混凝土的融合。

      LHFRC在增強混凝土抗壓強度方面的影響并不明顯，與素混凝土相比，其對混凝土的強度提高僅為0.3%左右，且其抗壓強度比層布式鋼纖維混凝土低4%左右。

     LHFRC在增強混凝土抗折強度有明顯的提高，與素混凝土相比，其對素混凝土的抗折強度提高20%左右，與層布式鋼纖維混凝土相比，其對層布式鋼纖維混凝土的抗折強度提高2.6%，但對混凝土的抗折彈性模量的影響不大，層布式混雜纖維混凝土的抗折彈性模量比素混凝土的高1.3%，比層布式鋼纖維混凝土低0.3%。

      LHFRC在增強混凝土彎曲韌性有明顯的提高，彎曲韌性指數(shù)是素混凝土8倍左右，是層布式鋼纖維混凝土的1.3倍，明顯提高了混凝土的韌性。

      在LHFRC中，由于兩種或多種纖維在混凝土中的表現(xiàn)不同，我們可以根據(jù)工程的需要，利用合成纖維、鋼纖維在混凝土中的正混雜效應，提高材料的延性、耐久性、韌性、初裂強度、抗折強度、抗拉強度等方面大幅度提高，延長材料的使用壽命和改善材料的質量。

3.理論支持

      盡管摻入混凝土基體中的高模量纖維(如鋼纖維)主要起增強、增韌作用，然而纖維對基體的增強理論至今未能滿意地解決，仍以復合理論和纖維間距理論并存。

      復合理論是研究脆性纖維增強延性基體材料(FRP)的增強理論時提出的，將復合材料基體的性能視為與復合前完全一樣，此時按混合法則計算是可行的。

     纖維間距理論又稱阻裂理論，是Rmualdi及其同事Batson等根據(jù)線彈性斷裂力學而提出的，該理論認為纖維的增強作用僅與均勻分布的纖維間距(最小間距)有關。

      這兩種理論并不能充分地解析纖維混凝土對基體增強，復合材料理論忽略了纖維對基體的阻裂作用，即忽略了復合帶來的耦合效應；纖維間距理論最大缺點是忽略了纖維自身耦合作用，而片面地強調纖維的阻裂作用，并且起決定作用的纖維間距應為纖維理論間距。

4 總結

      各種結構形式的鋼纖維混凝土都具有普通混凝土不具有的優(yōu)點，也是工程界和學術界所期望的，但是不管是哪種結構形式的纖維混凝土還是哪種理論都有應用局限性，還有待更進一步的研究和探討，使其在民用建筑樓地面、公路路面、預制構件、水利工程、機場跑道和停機坪、隧道以及各種構筑物的加固補強和保護方面得到更廣闊的發(fā)展和應用。