纤维混凝土板抗弯性能的试验研究本科毕业论文

. . . . 大学本科毕业设计（论文）纤维混凝土板抗弯性能的试验研究Investigation on the Flexural Performance of Fiber Reinforced Concrete Plates79 / 86摘 要混凝土具有抗压强度高、原材料容易获得、成本相对低廉、易成型、施工相对简便、经久耐用等优点，但普通混凝土抗拉强度低，且随着强度的增大，脆性也明显增大，在受荷时往往呈现出无明显征兆的脆性破坏，极影响了混凝土的实际工程应用，将纤维掺入到混凝土中能够明显提高混凝土的抗拉强度，通过阻碍混凝土部微裂缝的产生和发展增强混凝土的韧性。韧性是衡量纤维混凝土开裂后承载性能的重要指标, 也是纤维混凝土较之素混凝土的优点体现之一。韧性可定义为材料或结构从开始出现裂缝到失效为止吸收能量的能力。纤维混凝土的韧性包括压缩韧性、弯曲韧性、剪切韧性等，目前广泛采用弯曲韧性作为衡量纤维混凝土韧性的主要指标，其破坏过程更能综合反映出纤维的增韧效果。目前对纤维混凝土（FRC）弯曲韧性的研究主要以纤维混凝土梁（150 mm150 mm550mm）为研究对象，但是梁式模板的部空间狭小，影响了纤维在混凝土基体中的方向与自由分布，从而导致纤维混凝土试验梁与实际工程中纤维方向和分布存在一定程度的差异。本试验参照梁式构件的RILEM弯曲韧性试验方法，通过不同纤维类型、不同纤维掺量的纤维混凝土板（600 mm600 mm100mm）的弯曲韧性试验，总结出了纤维对混凝土基体增强增韧作用的部分规律。关键词：纤维；纤维混凝土板；弯曲韧性Investigation on the Flexural Performance of Fiber Reinforced Concrete PlatesAbstract Concrete has many outstanding adva1ntages, such as high compressive strength, easy available raw materials, low energy consumption, relatively cheap and easy to shape, relatively simple for construction, high durability and so on. However,the tensile strength of concrete is really very low, and as the strength increased,the brittleness of concrete increasedsignificantly. So when loaded, the concrete often shows brittle fracture with no obvious signs. That influenced the practical engineering application of concrete greatly. The fibersblended into concrete can significantly improve the tensile strength of concrete. Through resisting the emergenceand development of theinternal micro-cracks in concrete, fibers can improvethe crack resistance and the toughness of concrete.The toughness is an important indicator for the workability of fiber reinforced concrete,and it is one of advantagesof fiber reinforced concrete over plain concrete. Toughness can be defined as the capacity of energy absorption of material or structure from loading to failure. The toughness of fiber reinforced concrete includes compression toughness, flexural toughness and shear toughness, etc. Currently flexural toughness is widely used as a measure of toughness of fiber reinforced concrete. Because flexural failure is happened under three kinds of loadings including bending, tension and compression, it is much better to measure the integrated effect of toughness.Nowadays the traditional method to evaluate the toughness is based on the bending beams（150 mm150 mm550mm）. However, the formwork of the beam may show some influence on the fiber orientation and does not correspond to the fiber orientation in the practice such as industrial floor very well. In order to reduce the influence of the formwork on the fiber orientation and to simulate the loading behavior of industrial panel, according to RILEM: Test and design methods for steel fiber reinforced concreteBending test, a series simply supported panel（600 mm600 mm100mm） test with different fiber types and fiber contents has been carried out. Key Words：Fiber；Fiber Reinforced Panel；Flexural Toughness目 录摘 要IAbstractII1 混凝土11.1 混凝土的主要性质11.1.1 强度11.1.2 工作性11.1.3 耐久性41.2 混凝土的发展71.2.1 钢筋混凝土（Steel Reinforced Concrete）71.2.2 预应力混凝土（Pre-stressed Concrete）71.2.3 高强混凝土（High Strength Concrete）71.2.4 高性能混凝土（High Performance Concrete）81.2.5 纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete）81.2.6 自密实混凝土（Self-compacting concrete）92 纤维混凝土102.1 纤维对混凝土基体增强增韧作用的影响因素102.2 纤维混凝土国外发展历史112.3 钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete）122.3.1 钢纤维混凝土的优点24122.3.2 钢纤维混凝土的发展方向132.4 合成纤维混凝土142.4.1 聚丙烯短纤维（Micro PP-fiber）142.4.2 聚丙烯长纤维（Macro PP-fiber）152.4.3 合成纤维与钢纤维对混凝土基体阻裂效应的区别152.5 混杂纤维混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete）152.5.1 常见的纤维混杂模式162.5.2 混杂纤维混凝土的力学性能172.6 纤维混凝土的实际工程应用172.6.1 道路和桥梁工程172.6.2 隧道和铁路工程182.6.3 建筑结构与预制构件182.6.4 大坝、水库等水利工程192.6.5 港口、海岸与近海工程192.6.6 修补加固工程192.6.7 军事工程192.7 纤维混凝土的增强理论202.7.1 复合材料理论202.7.2 纤维间距理论222.8 纤维混凝土的开裂机理233 纤维混凝土的基本力学性能253.1 纤维混凝土的抗压性能253.2 纤维混凝土的抗拉性能263.3 纤维混凝土的抗弯性能263.4 纤维混凝土弯曲韧性评价标准273.4.1 美国材料试验学会标准（ASTM C1018)273.4.2 中国工程建设标准协会标准(CECS 13: 89)293.4.3 日本土木学会标准（Japan JSCE G552）313.4.4 德国纤维混凝土DBV标准323.4.5 国际材料和结构协会RILEM标准343.5 纤维混凝土的抗剪性能414 本文主要研究容425 试验435.1 试验概况435.1.1 试验材料435.1.2 试验方案445.1.3 新拌混凝土的工作度485.1.4 新拌混凝土的含气量495.1.5 立方体28天抗压强度505.2 试验结果与分析515.2.1 荷载-位移曲线515.2.2 荷载-CMOD曲线575.2.3 位移-CMOD曲线625.2.4 能量-位移曲线675.2.5 能量-CMOD曲线725.2.6 抗弯强度775.2.7 韧性分析78结 论82参 考 文 献83致 851 混凝土混凝土（Concrete）是由无机胶凝材料（如石灰、石膏、水泥等）和水，或有机胶凝材料（如沥青、树脂等）的胶状物，与集料按照一定比例配合搅拌，并在一定温度湿度条件下养护硬化而成的一种复合材料（Composite material）。混凝土一般由水泥、水、粗细集料组成，其中水泥与水构成水泥浆在水泥硬化前起到润滑作用，在水泥硬化后起到胶结作用，骨料起到骨架填充作用，水泥与水反应后形成坚固的水泥石，将集料牢固地粘结成整体。1.1 混凝土的主要性质1.1.1 强度这里所说的强度通常是指抗压强度，包括用来划分混凝土强度等级的立方体抗压强度和结构设计中实际使用的轴心抗压强度。立方体抗压强度具体规定方法如下：用边长为150mm的立方体标准试件，在标准条件下（温度为，温度在以上的标准养护室中）养护28天，并用标准试验方法（加载速度C30以下控制在围，C30以上控制在围，两端不涂润滑剂）测得的具有保证率的立方体抗压强度，用符号C表示，如C30表示=。 轴心抗压强度采用或的棱柱体作为标准试件，比较接近实际构件中的混凝土受压情况，试件制作、养护和加载方法同立方体试件。1.1.2 工作性工作性亦称和易性，是指混凝土拌合物易于施工操作（拌合、运输、浇筑、捣实）并能获得质量均匀和成型密实的性能。工作性是一项综合的技术指标，包括流动性、粘聚性和保水性三方面。流动性是指混凝土拌合物在本身自重或施工机械振捣的作用下能产生流动，并均匀密实地填满模板的性能。粘聚性是指混凝土拌合物在施工过程中其各组分之间保持一定的粘聚力，不致产生分层离析现象。保水性是指混凝土拌合物在施工过程具有一定的保水能力，不产生严重的泌水现象。国际标准化组织（ISO）把混凝土拌合物的工作性统称为稠度，通常采用坍落度试验或维勃稠度试验测试混凝土的稠度。坍落度试验的具体测试方法是将混凝土拌合物按规定方法装入标准圆锥筒（无底），装满后刮平，然后垂直向上将筒提起，此时混凝土拌合物由于自重将产生坍落现象，量出向下坍落尺寸（mm）叫做该混凝土拌合物的坍落度，作为流动性指标，坍落度越大表示流动性越大。图1.1 坍落度试验针对流动性较大的混凝土，常采用坍落流动度试验，这一方法主要测量混凝土在自重作用（无插捣）下自由流动扩展的最大围以与扩展半径达到500mm时所用时间，不仅可以检验新拌混凝土的流动性，还可观察混凝土拌合物是否出现泌水与离析现象。具体试验方法是将坍落度筒置于坍落流动度台的中心位置，向筒中浇新拌混凝土，刮去多余的混凝土，并抹平混凝土表面。静置时间不超过30s，然后平稳、垂直地提起坍落度筒，记录混凝土流动到500mm刻度圈时所需的时间。待混凝土流动稳定后，测量坍落流动度台上的混凝土的水平流动最大直径与其垂直方向的直径，并取其平均值为坍落流动度值。图1.2 坍落流动度测定 工作性是混凝土拌合物最重要的性能，其影响因素很多，主要有单位用水量、砂率、集灰比、集料、水泥品种和细度以与外加剂、时间和温度等。（1）单位用水量：混凝土拌合物中的水泥浆，赋予其一定的流动性，在水泥用量不变的情况下，用水量越大，水灰比越大，混凝土聚合物流动性越大，反之流动性越小。流动性过小，会导致施工困难，不能保证混凝土的密实性；用水量过大会造成混凝土拌合物的粘聚性和保水性不良，导致流浆和离析现象，并影响混凝土的强度。（2）砂率：砂率是指混凝土中砂的重量占砂石总重量的百分率。水泥砂浆在混凝土拌合物中起到润滑的作用。砂率过大时，集料的总表面积与空隙率都会增大，在水泥浆含量不变的情况下，相对地水泥浆显得少了，减弱了水泥浆的润滑作用，使拌合物的流动性减小；砂率过小时，不能保证粗集料之间有足够的砂浆层，进而降低拌合物的流动性，且影响其粘聚性和保水性，易产生离析和流浆现象。（3）集料与集灰比：集料颗粒形状和表面粗糙度直接影响混凝土拌合物的流动性，形状圆整、表面光滑，流动性就大，反之由于使拌合物摩擦力增加，使其流动性降低；级配良好的集料空隙率小，在水泥浆一样时，使包裹在集料表面的润滑层增加，改善其工作性；当给定水灰比和集料时，集灰比（集料与水泥用量的比值）的减少意味着水泥量的相对增加，从而改善拌合物的工作性。（4）水泥品种和细度：水泥品种对混凝土拌合物工作性的影响，主要体现在不同品种水泥的需水量不同。但由于水泥用量在混凝土体积中所占体积相对较小，因此对拌合物工作性的影响并不显著。常用普通硅酸盐水泥配置的混凝土拌合物，其流动性和保水性较好。水泥颗粒越细，用水量越大。在用水量一样时，拌合物流动性减小,而粘聚性和保水性相应改善。 （5）外加剂与掺合料 外加剂能够使混凝土拌合物在不增加水泥用量的情况下获得良好的工作性，增大流动性、改善粘聚性、降低泌水性，进而提高混凝土的耐久性。掺入粉煤灰能够改善混凝土拌合物的流动性。（6）时间与温度 混凝土拌合物搅拌后，随着时间增长而逐渐变得干稠，流动性减小，出现坍落度损失现象。因为水泥水化消耗一部分水，另一部分水被集料吸收，还有部分水被蒸发。而温度的升高会加速水泥水化，降低混凝土拌合物的流动性。1.1.3 耐久性混凝土的耐久性，是指混凝土在设计使用年限中，在自然和人为环境的化学物理作用下，不出现无法接受的强度减小，使用功能降低和不能接受的外观破损的能力。影响混凝土耐久性的主要因素有如下几点： （1）冻融破坏：混凝土水化结硬后，部有很多毛细孔，在浇筑混凝土时，为得到必要的活易性，往往加入的水比水泥水化所需的水多一些，多余的水分滞留在混凝土毛细孔中。低温时水分因结冰产生体积膨胀，引起混凝土部结构破坏，反复冻融多次，就会使混凝土部的损伤累积达到一定程度而引起结构破坏。防止混凝土冻融破坏的主要措施是降低水灰比，减少混凝土中的多余水分，在冬季施工时，应加强防护，防止早期受冻，并掺入防冻剂等。（2）混凝土的碳化：水泥水化产生大量碱性的，在钢筋表面形成能够有效地保护钢筋的氧化膜，而空气中的气体渗透到混凝体基体，与其碱性物质发生化学反应，使混凝土的值降低，混凝土失去对钢筋的保护作用，进而造成混凝土的锈蚀的过程，成为混凝土的碳化。 （3）侵蚀性介质的腐蚀：在石化、化学、轻工、冶金与港湾工程中，化学介质对混凝土的侵蚀很普遍，常见的侵蚀性介质腐蚀有:硫酸盐腐蚀：硫酸盐溶液与水泥石中的氢氧化钙与水化铝酸盐发生化学反应，生成石膏和硫铝酸盐，产生体积膨胀，造成混凝土破坏；酸腐蚀：混凝土是一种碱性材料，遇到酸性物质会产生化学反应；海水腐蚀：海水中的等成分，尤其是和硫酸镁对混凝土有极强的腐蚀作用。在海岸飞溅区，受到干湿的物理作用，利于和的渗入，极易造成对钢筋的锈蚀。 （4）碱集料反应：混凝土集料中的碱性氧化物与集料中的二氧化硅成分产生化学反应时，反应产生的碱-硅酸盐凝胶，吸水后产生膨胀，体积可增大3-4倍，导致混凝土开裂、剥落、强度降低，甚至导致破坏的现象称为碱集料反应（AAR)。控制碱集料反应的关键在于控制水泥与外加剂或掺合料中碱的含量和可溶型集料。（5）钢筋锈蚀：钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的最关键因素。混凝土中的钢筋锈蚀为电化学反应，由于钢筋中的元素分布不均匀，混凝土碱度有差异，以与裂缝处氧气浓度增加等原因，导致钢筋各部位存在电势差，形成局部的阳极和阴极。图1.3 钢筋锈蚀的电化学过程当混凝土未被碳化时，其中的碱性物质在钢筋表面形成了一层致密的氧化膜，阻止了钢筋锈蚀的电化学过程。然而，当混凝土被碳化后，钢筋表面的氧化膜被破坏，在有水分和氧气的条件下，发生钢筋锈蚀的电化学反应，钢筋锈蚀产生的铁锈，体积比铁增加2-6倍，使保护层被挤裂，空气和水分更易进入，促进锈蚀加速发展。图1.4 钢筋锈蚀示意图氧气和水分是钢筋锈蚀的必要条件，混凝土的碳化仅仅为钢筋锈蚀提供了可能当构件使用环境干燥或完全处于水中时，钢筋的锈蚀极为缓慢，几乎不发生锈蚀。而裂缝的发生为氧气和水分的进入创造了条件，使裂缝处钢筋局部脱钝，使锈蚀过程得以开始，但它对锈蚀速度不起控制作用。防止钢筋锈蚀最重要的措施是增加混凝土的密实性和保护层的厚度。综上所述，提高混凝土耐久性主要从以下三个方面：（1）选择适当的原材料；（2）提高混凝土的密实度：关键在于严格控制水灰比和保证足够的水泥用量，选择适当的集料级配和砂率，使集料最密实堆积，以与采用适当的施工工艺，如搅拌均匀、合理浇注、振捣密实、养护等，在配料中加入减水剂等均可提高混凝土密实度；（3）改善混凝土部孔结构。1.2 混凝土的发展混凝土具有抗压强度高、原材料容易获得、耗能低、成本相对低廉、易成型、施工相对简便、经久耐用等优点，但混凝土材料本身存在抗拉强度低、韧性差等固有弱点依然限制其优势的发挥。为克服混凝土的弱点，人们一直致力于混凝土的改性研究。自混凝土问世至今，已经经历了多次飞跃性的发展1：1.2.1 钢筋混凝土（Steel Reinforced Concrete）相较混凝土而言，钢筋的抗拉强度非常高，一般在200MPa以上。由于钢筋与混凝土有着近似一样的线膨胀系数，钢筋与混凝土之间有良好的粘结力，而且混凝土中的氢氧化钙提供的碱性环境，在钢筋表面形成了一层钝化保护膜，使钢筋相对于中性与酸性环境下更不易腐蚀，所以钢筋与混凝土可以共同工作。钢筋的高抗拉强度弥补混凝土抗拉强度低的弱点，混凝土则对钢筋起到保护的作用，同时发挥两种材料各自的优势，极扩展了混凝土的工程使用围；1.2.2预应力混凝土（Pre-stressed Concrete）为了扩大钢筋混凝土和高强混凝土的应用围，必须解决混凝土过早开裂的问题。由于混凝土抗压强度很高，受拉区开裂后，其受压区混凝土的抗压强度并没有得到充分利用。如果在构件使用前，通过预加外力，使受拉区预先产生压应力，以抵消或减少外荷产生的拉应力，这样就可以利用混凝土构件的抗压强度来弥补混凝土抗拉强度不足的缺陷，以达到防止受拉区混凝土过早开裂的问题，从而提高截面抗弯刚度和减小裂缝宽度，甚至可以做到在使用荷载下不出现裂缝，预应力混凝土便应运而生。预应力混凝土进一步强化了钢筋与混凝土两种材料的利用效率，使钢筋混凝土结构向轻质、高强、高抗裂方向发展，促进了桥梁等大跨度结构的发展，以与高强钢材和高强混凝土的应用。1.2.3 高强混凝土（High Strength Concrete）根据高强混凝土结构技术规程(CECS104:99),将强度等级大于等于C50的混凝土称为高强混凝土。然而高强混凝土对提高构件的抗裂性、抗弯性能和减小裂缝宽度的作用很小，但随着强度的不断提高,高强混凝土脆性增加,延性越来越差，其抗拉强度与抗压强度之比仅为6%。当混凝土强度超过100MPa后，材质将变得非常脆，在轴压作用下几乎不存在应变软化性能，呈突然性爆裂破坏，严重限制了高强混凝土的应用。高强混凝土脆性的增大源于其微观结构的改变，众所周知，在水泥浆体中存在两类独立的孔隙：一种为无长度但有体积的开放孔；另一类为无体积但有长度的封闭孔。前者影响混凝土的抗压强度和弹性模量，而后者决定混凝土的断裂应力，如抗拉强度和抗弯强度。高强混凝土采用较小的水胶比并使用了高效减水剂，大幅度减少了开放孔，提高了弹性模量和抗压强度，但却对类似裂纹的封闭孔影响甚微，即对抗拉强度的贡献有限，因而导致拉压比的下降。1.2.4高性能混凝土（High Performance Concrete） 高性能混凝土是当今混凝土结构发展的主要方向，目前对高性能混凝土的定义，各国专家意见不一。美国混凝土学会(ACI)认为满足下列特殊性能和稳定性要求的混凝土为高性能混凝土：主要包括易于浇筑、振捣不离析、早强、抗渗性、密实性、水化温升、韧性、体积稳定性与恶劣环境下的较长寿命。欧洲学者认为高性能混凝土HPC是一种具有高弹性模量、高密度、抗侵蚀、低渗透的混凝土。美欧学者重视的是混凝土硬化后的性能，特别是耐久性。日本学者更重视新拌混凝土的流动性和自密实性，他们认为高性能混凝土是一种高填充能力的混凝土，新拌阶段无需振捣便能完成浇筑，水化、硬化早期阶段水化热低、干缩小，具有足够的强度和耐久性2。 我国混凝土专家吴中伟院士对高性能混凝土定义如下3：高性能混凝土是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作，以耐久性作为设计的主要指针，针对不同用途要求，对下列性能有重点地予以保证：耐久性、施工性、适用性、强度、体积稳定性和经济性。可见目前各国对高性能混凝土的定义都集中在高工作性、高耐久性和高强度三个方面，只是各有侧重。目前研究较多且较成熟的是具有高工作性和较高强度的自密实高性能混凝土。1.2.5纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete） 纤维混凝土是纤维增强混凝土的简称，随着美国学者Romuldi从理论上阐述了钢纤维的增强作用和增强机理，极促进了纤维混凝土的研究和实际应用，人们逐渐意识到采用纤维增强混凝土可以大大提高混凝土的抗拉强度、变形能力。普通混凝土抗拉强度低，且随着强度的增大，脆性也明显增大，在受荷时往往呈现出无明显征兆的脆性破坏，将纤维掺入到混凝土中能够明显提高混凝土的抗拉强度，通过阻碍混凝土部微裂缝的产生和发展增强混凝土的韧性4。1.2.6自密实混凝土（Self-compacting concrete）自密实混凝土作为高性能混凝土的一种，是通过对外加剂、凝胶材料、粗细骨料的选择和配合比的设计，使混凝土拌合物具有良好的工作性，不离析、不泌水，在不用或基本不用振捣的情况下，依靠自重穿过钢筋填充模板，实现自流平和密实结构的一种高性能混凝土。硬化后的自密实混凝土具有与传统振捣混凝土一样的密实、均质的特性，不但能减轻工人的劳动强度，消除施工噪音减少扰民，保护环境，而且可以解决施工过程中因为漏振、过振和钢筋密集造成的空洞、蜂窝、麻面等质量现象，并且为改善和解决过密配筋、复杂形体、大体积、快速施工、水下施工以与具有特殊要求、振捣困难的工程施工条件带来了极大的方便。自密实混凝土工作性主要体现在以下三个方面：流动性能、抗离析能力和钢筋间隙的通过能力。2 纤维混凝土纤维混凝土是纤维增强混凝土的简称，它是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以非连续的短纤维或连续的长纤维增强材所组成的水泥基复合材料的总称4。普通混凝土抗拉强度低，且随着强度的增大，脆性也明显增大，在受荷时往往呈现出无明显征兆的脆性破坏，将纤维掺入到混凝土中能够明显提高混凝土的抗拉强度，通过阻碍混凝土部微裂缝的产生和发展增强混凝土的韧性。 掺入混凝土的纤维按照其弹性模量可以分为两类：弹性模量高于混凝土的高弹模纤维如钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等；弹性模量低于混凝土的低弹模纤维如聚丙烯纤维、尼龙纤维等。目前研究较多的是钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土。掺入混凝土的纤维按照材料性质的不同可以分为以下三类：（1）金属纤维，如钢纤维、不锈钢纤维；（2）无机纤维，主要有天然矿物纤维（如石棉纤维）和人造矿物纤维（如玻璃纤维、碳纤维）；（3）有机纤维，主要有合成纤维（如聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚丙烯腈纤维）和植物纤维（如竹纤维、麻纤维）。2.1 纤维对混凝土基体增强增韧作用的影响因素 纤维对混凝土基体的增强作用主要受以下几个因素影响5： （1）纤维自身的力学性能： 主要包括纤维的抗拉强度，纤维的弹性模量以与纤维的极限延伸率。以纤维的弹性模量为例，纤维与水泥基材的弹性模量的比值越大，受力时纤维的变形愈小，通过纤维与水泥基材界面的剪切应力传递给纤维的力的份额也愈高，也就是说纤维对复合材料受荷时做出的贡献也愈大。 （2）纤维的几何特征：主要包括纤维的集束状况（单丝、束状、膜裂等），纤维的长度，纤维的长径比（长度与直径之比），纤维的截面形状（圆形、矩形等），纤维的表面特性（光滑、粗糙）等。对于纤维长度，为使短纤维的强度被充分利用，其长度必须超过一定的临界值，否则在纤维混凝土受拉或受弯达到极限状态时，短纤维只限于由混凝土基体中拔出，而不能拉断。钢纤维的长径比越大，其增强效果越好，但长径比过大的钢纤维会带来搅拌的困难并且容易发生弯折，因此实际使用的钢纤维长径比一般在40-80之间。 （3）纤维在混凝土基体中的分布和取向：纤维在混凝土基体中的分布基本上分为三种方式：均匀分布；集中在复合材料关键受拉的部位，例如受弯构件的受拉区；基本均匀分布，某些关键部位集中分布。 纤维在混凝土基体中的取向基本上分为四种:一维定向，全部纤维沿一个方向排列；二维定向，全部纤维在平面按规定的两个方向排列；二维乱向，全部纤维在平面任意排列；三维乱向，全部纤维在空间任意排列。在纤维混凝土中纤维的取向对荷载作用下纤维的利用效率有很大影响，纤维的取向愈接近外力的方向，纤维的利用效率就愈高。 （4）纤维掺量，纤维的比表面积，纤维的平均间距，单位体积中纤维的根数：纤维掺量过大时，会因纤维难于均布分布在混凝土基体中导致结团，或因水泥基材难以包裹所有纤维的外表面，或因纤维带入大量气体而导致混凝土含气量过高等原因，致使纤维混凝土的抗拉或抗弯强度下降。纤维的比表面积（Fiber Specific Surface，FSS）即单位体积的纤维混凝土中纤维的表面积，在纤维混凝土受拉力作用时，裂缝间距与裂缝宽度主要取决于FSS，FSS愈大，裂缝间距愈小，裂缝宽度愈窄。 （5）纤维与水泥基材之间界面层的微观结构与二者之间的界面粘结特性： 纤维与水泥基材之间存在界面层主要是由于在纤维混凝土成型硬化的过程中，纤维与水泥砂浆之间不可避免地产生水膜层。为此应尽可能减薄此界面层，从而提高纤维与水泥基材的界面粘结强度。2.2 纤维混凝土国外发展历史国外近代关于纤维混凝土的理论研究始于1910年，由美国的H.F.Porter首创。1911年，美国的Graham正式将钢纤维掺合到混凝土中，并初步验证了其优越性。20世纪40年代，英美法德等国先后取得了一系列相关专利。二战期间，日本曾将钢纤维混凝土用于抗爆结构。1963年，J.R.Romualdi和G.B.Batson从理论上阐述了钢纤维的强化作用和机理，使钢纤维混凝土从小规模实验探索阶段跃升到大规模开发使用阶段。此后，钢纤维混凝土的开发研究受到普遍重视。随着高强度、高韧性、高耐久性的纤维混凝土在高速公路、桥梁、隧道、地铁等工程中的广泛应用，其取代传统钢筋混凝土或预应力混凝土的趋势愈加明显。我国在20世纪70年代开始了钢纤维混凝土的研究和应用。中国工程建设标准化协会分别于1989年12月和1992年12月批准颁布了钢纤维混凝土试验方法 （CECS 13：89）和钢纤维混凝土结构设计与施工规程 （CECS38：92）。并于2004年颁布了纤维混凝土结构技术规程（CECS38：2004）。这些规和标准为统一我国钢纤维混凝土试验方法，推动规钢纤维混凝土的研究和工程应用奠定了坚实的基础。同时，为了更好地推动纤维混凝土的发展，在中国土木工程学会下专门设立了纤维混凝土委员会，并成立了纤维混凝土技术情报网，出版了纤维混凝土技术简讯 。中国土木工程学会纤维混凝土委员会于1986年在召开了第一届全国纤维混凝土学术会议。此后又于1988-2008以两年一届的形式分别在、井冈山、召开了多届纤维混凝土学术会议，并于1997年11月在召开了国际纤维混凝土学术会议，对纤维混凝土的研究与开发起到了的极大的促进作用。尽管各种纤维增强复合材料品类繁多，各具特点，但目前应用最广、技术上最成熟、基本性能理解最深、商业化程度最高的还是钢纤维混凝土。2.3 钢纤维混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete） 钢纤维混凝土是二十世纪七十年代发展起来的一种新型复合材料，有水泥、粗细集料和随机分布的钢纤维组成。钢纤维有效地阻止了裂缝扩展，显著提高了基体的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击耐久性，并大幅度增进了韧性，使具有脆性特征的混凝土基体成为具有良好韧性的复合材料。钢纤维混凝土中乱向分布的钢纤维，主要作用是阻碍混凝土部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的出现和发展，因此对其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯强度等有明显的改善作用6。2.3.1 钢纤维混凝土的优点24钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维可阻碍混凝土部微裂缝的扩展、限制宏观裂缝发展以与提高构件开裂后的韧性。在受荷初期，混凝土基体与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。钢纤维的阻裂效应体现在阻止硬化混凝土破坏时的裂缝扩展上，是通过使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉强度实现的，阻裂效应作用的结果是提高了硬化混凝土的变形能力，使混凝土基材在破坏后仍保持一定的延性，因此，钢纤维的阻裂能力和纤维弹性模量、界面粘结强度和自身的抗拉强度有关。钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能：（1）强度和重量比值大；（2）具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度。在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗拉强度提高25%-50%，抗弯强度提高40%-80%，抗剪强度提高50%-100%；（3）具有卓越的抗冲击性能。冲击韧性指材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能；（4）收缩性能明显改善；（5）抗弯和抗疲劳性能显著提高；（6）耐久性能显著提高。钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外，由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。2.3.2 钢纤维混凝土的发展方向（1）钢纤维高强混凝土在普通混凝土中加入钢纤维可以提高混凝土的抗拉性能、抗弯性能、抗冲击性能、抗疲劳性能,并且有较好的延性与控制裂缝的能力,然而其对抗压强度提高的程度非常有限,不能有效地减小截面尺寸和自重。高强混凝土抗压强度高,可以减小截面尺寸和自重,但随着强度的不断提高,高强混凝土脆性增加,延性越来越差，其抗拉强度与抗压强度之比仅为6%。当混凝土强度超过100MPa后，材质将变得非常脆，在轴压作用下几乎不存在应变软化性能，呈突然性爆裂破坏，严重限制了高强混凝土的应用。钢纤维高强混凝土可以发挥钢纤维和高强混凝土各自的优点,并弥补彼此存在的不足。 （2）砂浆渗浇高含量钢纤维增强混凝土受施工工艺的制约，钢纤维混凝土中的钢纤维含量超过临界值时，会因纤维难于均布分布在混凝土基体中导致结团，或因水泥基材难以包裹所有纤维的外表面，或因纤维带入大量气体而导致混凝土含气量过高等原因，致使纤维混凝土的抗拉或抗弯强度下降。为了解决这个问题，砂浆渗浇钢纤维混凝土（Slurry Infiltrated Fiber Concrete，SIFCON）应运而生，其特点是先将钢纤维乱向填满于模具中，再浇注水泥净浆或砂浆，与普通钢纤维混凝土相比，其纤维掺量可由2%以下增至4%-20%，甚至高达27%。从而使SIFCON的强度和韧性成倍提高，在承受反复荷载和抗震抗爆结构中优越性更为显著。与SIFCON相类似，美国Hackman等近来研究开发了一种砂浆渗浇钢纤维网混凝土(Slurry Infiltrated Mat Concrete，SIMCON)。与SIFCON不同的是，预置于模具中的是钢纤维网而不是乱向分布的钢纤维。试验表明，SIFCON的增强率和增韧率可分别达到SIFCON的219-411倍和215-613倍。 （3）钢纤维钢丝网水泥复合结构 乱向分布的钢纤维掺入方向性强的钢丝网水泥中，能够充分发挥钢纤维和钢丝网彼此的长处，提高钢丝网水泥的抗裂性能。钢丝网水泥的水泥用量较高，掺入钢纤维可以防止因水泥用量较多出现的收缩裂缝。该结构质轻高强，已广泛应用于海上钻井平台、海上直升飞机停机坪、浮动码头等工程。 （4）钢纤维钢筋混凝土结构在普通钢筋混凝结构中掺入钢纤维，不但可以提高抗拉、抗剪和抗弯强度，而且在使用性能如断裂韧性、极限应变、裂后承载和抗冲击、抗疲劳等方面获得显著改善。2.4 合成纤维混凝土 聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber）是目前应用最普遍的合成纤维，主要包括两种: 聚丙烯短纤维和聚丙烯长纤维。2.4.1聚丙烯短纤维（Micro PP-fiber） 聚丙烯短纤维是一种单丝纤维。密度为0.91，抗拉强度270-700MPa，弹性模量为3-l0GPa，极限延伸率为7%-15%，吸湿性小，化学稳定性好，在混凝土的碱性环境中很稳定，成本低，并且耐热性比较高(平均熔点为165，最高安全使用温度为130)，主要用于减少混凝土、砂浆的早龄期塑性收缩裂缝，限制基体中原有微裂缝扩展并延缓新裂缝的出现，提高基体的变形能力，但对于混凝土的韧性并没有明显的改善。 聚丙烯短纤维限制混凝土的早期塑性收缩裂缝的产生和发展。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别是在混凝土浇筑后4-5h，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土部的抗拉能力低于塑性收缩产生的拉应变，引起混凝土部的塑性裂缝。掺入聚丙烯纤维后，减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝，延缓了第1条塑性收缩裂缝的出现，同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展。试验表明，混凝土塑性裂缝面积、裂缝最大宽度与失水速率均随着纤维体积含量的增大而降低，说明聚丙烯短纤维有效地提高了混凝土的抗裂性能22。在混凝土中掺入适量聚丙烯短纤维后，均匀分布在混凝土基体中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而使混凝土中的孔隙含量大大降低，有效提高了混凝土抗渗能力。此外，由于纤维的存在，减少了混凝土的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生，减少了渗水通道，进而提高了混凝土的抗渗性能。2.4.2聚丙烯长纤维（Macro PP-fiber） 聚丙烯长纤维主要是指长度大于30mm，直径大于0.1mm的长纤维，是一种相互缠绕的纤维束，这种纤维束在混凝土基体中能够分散成单丝长纤维。 聚丙烯短纤维对阻止混凝土在早龄期的塑性开裂十分有效，但由于短纤维的掺量一般较小，对于硬化混凝土韧性和抗裂性的改善很小。常常使用钢纤维阻止硬化混凝土的开裂，提高混凝土韧性和抗冲击性能。但钢纤维在特殊环境存在锈蚀问题，且重量高，施工中有时有结团现象。聚丙烯长纤维是一种新型增强增韧材料，可以在一些环境恶劣工程中代替钢纤维，抵抗温度应力，提高混凝土的抗裂性和韧性，常用于喷射混凝土、混凝土路面、桥面与工业地坪、机场跑道、装卸码头、停机坪和停车场等。特别是在钢纤维易受腐蚀的环境中使用聚丙烯长纤维更有意义28。2.4.3 合成纤维与钢纤维对混凝土基体阻裂效应的区别在混凝土中掺入纤维是为了改善因混凝土抗拉强度不足而造成的易裂问题。不同品种的纤维因弹性模量、抗拉强度、长径比、掺量等的不同，在混凝土中阻裂效应的作用机理和效果也不一样。钢纤维的阻裂效应体现在阻止硬化混凝土破坏时的裂缝扩展上，钢纤维的存在使硬化混凝土开裂后仍能保持一定的抗拉强度，有效地避免了无征兆的脆性破坏的发生。钢纤维的阻裂能力与纤维弹性模量、界面粘结强度和自身的抗拉强度有关。阻裂效应作用的结果是提高了硬化混凝土的变形能力，使混凝土构件在破坏后仍保持一定的延性(假延性)。聚丙烯短纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂缝的发生和发展，钝化了原生裂缝尖端的应力集中，使介质的应力场更加连续和均匀。由于早期混凝土自身的抗拉强度很低，因此，聚丙烯短纤维的阻裂能力与自身的抗拉强度、弹性模量等并不明显相关，而是随着纤维细度的增大、混凝土中纤维间距的减小而增强。通过以上分析可见，聚丙烯纤维和钢纤维的阻裂效应不可相互替代，因分别改善了不同时期混凝土的性能。2.5 混杂纤维混凝土（Hybrid Fiber Reinforced Concrete）混杂纤维混凝土是将两种或多种纤维组合加入混凝土基体，形成一种既发挥不同纤维的优点，又能体现不同纤维之间协同作用的复合材料。用单一纤维对混凝土基体的增强、增韧作用是有限的，混凝土是多相、多层次的复合材料，小到微米级的水泥石凝胶，粗到毫米级的砂子，大到厘米级的碎石，如果只是掺入单一纤维，仅改善了混凝土某一层次的性能，为了从整体上提高混凝土的性能，所加入的纤维理应也是多层次的，即混杂纤维。复合材料理论将多种材料结合或混合之后所构成的材料整体当作一个多相系统，其性能乃是各相性能的叠加值。依据这一理论，通过不同类型纤维之间的混杂，复合材料各相之间可产生性能互补、工艺互补、经济互补、使用效能互补，从而产生性能可靠、经济和社会效益均较理想的复合材料。复合材料理论定义混杂复合材料可出现混杂效应(hybrid effect) ,若出现单一复合材料所没有的优异性能，则此效应称为正混杂效应；若出现单一复合材料所没有的明显缺点，则此效应称为负混杂效应。正混杂效应是高弹模纤维和高延性纤维在受荷的各个阶段和不同结构层次上协同作用的结果，负混杂效应则是由于两种纤维在基体中的平均间距小到一定程度后，互相干扰所致。2.5.1常见的纤维混杂模式目前实际工程中较为常见的纤维混杂模式为7: （1）弹性模量和低弹性模量纤维混杂：高弹模纤维增强、增韧效果均很好，但价格较高；低弹模纤维增强效果较差，但增韧效果较好，而且价格便宜。这两种纤维在一定比例围混杂可以起到明显的增强与增韧效果，目前研究较多的是钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等高弹模纤维与聚丙烯纤维、乙纶、丙纶等低弹模合成纤维混杂；例如：钢纤维和聚丙烯纤维混杂掺入混凝土基体后，经过试验发现弹性模量较大的钢纤维提高混凝土极限抗压强度，同时低弹性模量高延性的聚丙烯纤维提高混凝土的韧性和裂后残余应变能力。 （2）不同几何尺度的纤维混杂： 不同几何尺度的纤维对混凝土不同结构和尺寸层次进行改性，微细纤维主要起着对水泥基材的增强作用，阻止和延缓微裂纹在基材中的扩展;当基材局部产生大裂纹，微纤维在基材中被拔出而难以制止大裂纹时，大纤维则因其被拔出需消耗更大的能量而能够起到阻止大裂纹的扩，从而改善混凝土的延性； （3）不同耐久性能纤维混杂：耐久性较差的纤维可以用于保证在运输和安装等短期性能;耐久性好的纤维则可以用于提高混凝土在反复荷载作用下的强度和韧性。2.5.2混杂纤维混凝土的力学性能华东交通大学的王凯研究并讨论了钢纤维与聚丙烯纤维混杂对高性能混凝土力学性能的影响，研究表明:低掺量混杂纤维在增强混凝土抗压强度作用方面虽不是很理想(与素混凝土相比，仅提高10%-20%)，但纤维的加入，增大了混凝土受压破坏时的延性，不会出现崩碎和突然的强度降低，而是在达到峰值后强度逐渐降低，使混杂纤维混凝土表现出延性破坏的性质；低掺量混杂纤维在提高混凝土抗拉、抗折性能方面效果较好，起到了纤维混杂叠加增强作用，混凝土韧性得以增强；低掺量混杂纤维混凝土在抗冲击性能方面优于钢纤维混凝土与其他混凝土，抗冲击性有大幅度的提高，表现出超叠加效应，并在混凝土材料初裂后呈现出优越的应变硬化行为8。东南大学的焦楚杰和伟对聚丙烯纤维和钢纤维混杂增强高强混凝土的弯曲性能进行的试验研究表明:钢纤维与聚丙烯纤维组成三维乱向支撑网，在一定程度上弥补了混凝土的原始缺陷，增强了基体的抗拉能力:钢纤维与聚丙烯纤维缠绕在一起，在承受弯曲荷载时产生“纤维连锁”效应，更大程度地提高了试件的抗弯强度；在裂缝扩展过程中，钢纤维与聚丙烯纤维先后起到阻裂的主导作用，对裂缝的扩展进行全过程抑制，明显增大了基体的韧性；从经济上考虑混杂纤维混凝土也有一定的优势，钢纤维增强、增韧效果好，但会导致工程造价过高；聚丙烯纤维增韧效果好，价格较低，但聚丙烯纤维难以提高混凝土的强度，只能延缓后期破坏过程。在钢纤维掺量较低的基础上加入低掺量的聚丙烯纤维，工程造价提高少，但却使混凝土的强度、韧性、阻裂能力等性能得到很大提高，大大改善了混凝土的脆性，特别适合抗震等级要求较高的工程9-10。2.6 纤维混凝土的实际工程应用纤维混凝土以其优良的抗拉、抗弯、阻裂、耐冲击、耐疲劳、高韧性等物理力学性能，目前已被广泛应用于建筑工程、水利工程、公路桥梁工程、公路路面和机场道面工程、铁路公程、管道工程、河航道工程、防暴工程和维修加固工程等各个专业领域。2.6.1道路和桥梁工程钢纤维混凝土应用于道路工程，能够充分发挥其良好的抗弯性、抗裂性、抗疲劳性、耐磨性和耐冲击性，既可以提高路面的抗裂性、抗弯性、抗疲劳性和耐冲击性，又可以改善路面使用性能，延长使用寿命。纤维混凝土作桥面铺装层可有效地抑制和减少裂缝，增强桥面的防水性和抗破碎能力，减缓钢筋锈蚀和延长结构的寿命。 工程实例11：北江大桥是铁路公路两用桥，于1984年底竣工交付使用，由于通车量大，三个月后，桥面铺装层即开始出现各种损坏，严重影响行车安全和公路桥面的使用寿命。在随后提出的改造方案中，为使沥青混凝土层与钢板桥面产生的大挠度变形相适应，要求混凝土层具有一定的抗弯拉、抗剪切、抗冲击、抗裂以与耐压缩、耐磨损、耐疲劳等性能，最终在沥青混凝土铺装层中掺入钢纤维，以钢纤维增强混凝土的各项性能指标，取得了良好的效果。其他典型的工程有四环路立交桥、京沪高速公路、虹桥机场高架车道、青藏公路、大足朱溪大桥、解放大桥等。2.6.2隧道和铁路工程在隧道施工中使用喷射钢纤维混凝土具有缩短工期，提高施工安全和施工质量，节省人力等优势。在铁路工程方面，钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕与抢修铁路桥面防水保护层中。铁路工程承受较大的荷载、较高的速度和数万次的振动，所以要求混凝土必须具有较高的强度、较高的抗冲击性与较大的塑性，进而充分利用了钢纤维混凝土的抗冲击性与较好的塑性。 工程实例：南昆铁路西段二号隧道，处于高烈度地震区，穿越粉砂岩与炭质页岩地层，岩体严重风化呈破碎状。通过使用了钢纤维混凝土，在提高衬砌的抗震性能的同时，还减少了混凝土的用量，取得了明显的经济效益。现已建成的工程有：铁路局长达线维修工程、铁路局黔桂铁路铺设工程、南昆铁路隧道工程和铁路椅子山隧道等。钢纤维混凝土的应用，使铁路维修工作量大为减少，并提高了线路的使用寿命，经济效益良好。2.6.3建筑结构与预制构件一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等工程领域中。如抗震框架节点中使用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，而且还能提供类似于箍筋约束混凝土的作用，并可以解决节点区钢筋过于密集导致混凝土难于浇注的施工问题；用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面板，不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能，同时也减少了纵向预应力筋的配筋率，提高了结构的耐久性。钢纤维混凝土在建筑中的应用实例有：大厦、市急救中心站综合楼、省丹阳市中医院、市食品公司办公楼,商业城采用钢纤维混凝土成功解决了大悬挑结构产生的复杂应力问题，市急救中心在屋面结构体系与刚性防水层中采用了钢纤维混凝土，满足了屋面直升机停机坪设计的特殊要求。等地在预应力管柱和预制方桩的生产中，在桩头或桩尖部分加入钢纤维，以增强桩的抗锤击性能和贯穿能力，都取得了良好效果。2.6.4大坝、水库等水利工程钢纤维混凝土在水利工程中的应用比较广泛，主要将其用于受高速水流作用以与受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、有压疏水道、消力池、闸底板和水闸、船闸、渡槽、大坝防渗面板与护坡等。这些部位对混凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以与抗裂性能的要求都比较高，极大发挥了钢纤维混凝土自身的优势。我国在实际工程中应用的有：三峡工程、小浪底水利枢纽工程、泄水排砂底孔等工程。以上工程都获得了较为满意的效果，并取得了较好的经济效益。2.6.5港口、海岸与近海工程纤维混凝土由于具有特殊的抗龟裂、抗冲击、致密性和防渗性能，能延缓海水中的氯离子对钢筋的锈蚀，延缓海水中硫酸盐、镁离子对混凝土的侵蚀，并提高建筑物抗波浪冲击和码头重物冲击的能力。挪威奥斯陆集装箱码头，为防止海水对建筑物的腐蚀，提高码头抗集装箱的撞击破坏能力，并防止严寒气候条件下，冰冻对混凝土的渗透膨胀破坏，较早地采用了纤维混凝土。美国在巴拿马的海军港口，为提高原码头钢筋混凝土抗海