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(dāng)時(shí)的一種新型建筑材料，就廣泛地應(yīng)用于土木和水利工程。尤其是在19世紀(jì)中葉以后，伴隨著鋼鐵的發(fā)展，人們把鋼筋和混凝土結(jié)合起來，誕生了鋼筋混凝土(Reinforced Concrete)這種新型的復(fù)合建筑材料，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗裂性能、剛度、承載能力和耐久性，從而使建筑業(yè)經(jīng)歷了一場革命。盡管混凝土的固有優(yōu)點(diǎn)是高抗壓強(qiáng)度，然而它也有固有弱點(diǎn)——如構(gòu)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(qiáng)度低(一般僅為抗壓強(qiáng)度的7%－14%)、易產(chǎn)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(diǎn)隨著混凝土強(qiáng)度的提高顯得尤為突出。因此，長期以來許多專家和學(xué)者不斷探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增強(qiáng)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(fù)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(qiáng)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(jī)纖維或有機(jī)纖維增強(qiáng)材料組成的一種水泥基復(fù)合材料。它是將短而細(xì)的，具有高抗拉強(qiáng)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(chǎn)生及在外力作用下裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。在纖維混凝土受力初期，纖維與混凝土共同受力，此時(shí)混凝土是外力的主要承擔(dān)者，隨著外力的不斷增加或者外力持續(xù)一定時(shí)間，當(dāng)裂縫擴(kuò)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(dān)者，橫跨裂縫的纖維極大的限制了混凝土裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。由此可見，纖維有效地克服了混凝土抗拉強(qiáng)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(shí)對混凝土抗?jié)B、防水、抗凍、護(hù)筋性等方面也有很大的貢獻(xiàn)。

      鑒于FRC具有素混凝土不具有的優(yōu)點(diǎn)，纖維混凝土尤其是鋼纖維混凝土在實(shí)際工程中日益得到學(xué)術(shù)界和工程界的關(guān)注。1907年原蘇聯(lián)專家B.П.HekpocaB開始用金屬纖維增強(qiáng)混凝土；1910年，美國H.F.Porter發(fā)表了有關(guān)短纖維增強(qiáng)混凝土的研究報(bào)告，建議把短鋼纖維均勻地分散在混凝土中用以強(qiáng)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(qiáng)度和穩(wěn)定性的結(jié)果；到20世紀(jì)40年代，美、英、法、德、日等國先后做了許多關(guān)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(jìn)鋼纖維形狀以提高纖維與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度等方面的研究；1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson發(fā)表了關(guān)于鋼纖維約束混凝土裂縫開展的機(jī)理的論文，提出了鋼纖維混凝土開裂強(qiáng)度是由對拉伸應(yīng)力起有效作用的鋼纖維平均間距所決定的結(jié)論(纖維間距理論)，從而開始了這種新型復(fù)合材料的實(shí)用開發(fā)階段。到目前，隨著鋼纖維混凝土的推廣應(yīng)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(jì)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(qiáng)混凝土的斷裂韌性和抗沖擊性能，顯著提高結(jié)構(gòu)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(xué)性能做了比較試驗(yàn)，當(dāng)鋼纖維摻入量為15－20%、水灰比為0.45時(shí)，其抗拉強(qiáng)度增長50－70%，抗彎強(qiáng)度增長120－180%，抗沖擊強(qiáng)度增長10－20倍，抗沖擊疲勞強(qiáng)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(xué)性能：(1)較高的彈性模量和較高的抗拉、抗壓、抗彎拉、抗剪強(qiáng)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(qiáng)度和重量比增大，施工簡便，材料性價(jià)比高，具有優(yōu)越的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，所以很受工程界的青睞。但有關(guān)研究資料表明，鋼纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度并無明顯促進(jìn)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(diǎn)。此外，SFRC用量較大價(jià)格較高，有生銹問題，對由于火災(zāi)引起的爆裂幾乎無效，這些問題都在不同程度影響了其應(yīng)用。

      目前，盡管單一纖維混凝土有著自身的優(yōu)點(diǎn)，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?fù)饺牖炷林?，對提高混凝土的抗壓、抗拉、抗彎、抗折?qiáng)度等很不顯著，這些缺點(diǎn)限制了低模量合成纖維適用領(lǐng)域。近些年來，一些國內(nèi)國外學(xué)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(diǎn)的纖維混雜，取長補(bǔ)短，在不同層次和受荷階段發(fā)揮“正混雜效應(yīng)”來增強(qiáng)混凝土，以適應(yīng)不同工程的需要。但是關(guān)于它的各種力學(xué)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(fù)合材料各組份的關(guān)系、增強(qiáng)效果及增強(qiáng)機(jī)理、抗疲勞性能、破壞機(jī)理、施工工藝、配合比設(shè)計(jì)等方面的研究還有待進(jìn)一步進(jìn)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(jié)團(tuán)，而且其纖維用量也較大，造價(jià)比較高，所以難以獲得大面積的推廣應(yīng)用。通過大量的工程實(shí)際和理論研究，人們提出了一種新型鋼纖維結(jié)構(gòu)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(gè)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(jī)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(xué)性能的條件下，這種材料大大降低了鋼纖維的用量，同時(shí)也避免了整體式纖維混凝土在攪拌時(shí)易出現(xiàn)纖維結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。試驗(yàn)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(qiáng)度比同條件下的素混凝土的抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度影響很大，鋼纖維層布在混凝土底部增強(qiáng)效果最佳，隨鋼纖維層布位置上移，其增強(qiáng)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(qiáng)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(jīng)濟(jì)效益和廣闊的推廣應(yīng)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(nèi)得以加強(qiáng)，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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度經(jīng)試驗(yàn)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(chǔ)上摻入0.1%的聚丙烯纖維，把大量細(xì)而短，具有較高抗拉強(qiáng)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。可以理解為是混雜合成纖維混凝土和層布式鋼纖維混凝土的融合。

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

     LHFRC在增強(qiáng)混凝土抗折強(qiáng)度有明顯的提高，與素混凝土相比，其對素混凝土的抗折強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)，提高材料的延性、耐久性、韌性、初裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(zhì)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(qiáng)、增韌作用，然而纖維對基體的增強(qiáng)理論至今未能滿意地解決，仍以復(fù)合理論和纖維間距理論并存。

      復(fù)合理論是研究脆性纖維增強(qiáng)延性基體材料(FRP)的增強(qiáng)理論時(shí)提出的，將復(fù)合材料基體的性能視為與復(fù)合前完全一樣，此時(shí)按混合法則計(jì)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(xué)而提出的，該理論認(rèn)為纖維的增強(qiáng)作用僅與均勻分布的纖維間距(最小間距)有關(guān)。

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

4 總結(jié)

      各種結(jié)構(gòu)形式的鋼纖維混凝土都具有普通混凝土不具有的優(yōu)點(diǎn)，也是工程界和學(xué)術(shù)界所期望的，但是不管是哪種結(jié)構(gòu)形式的纖維混凝土還是哪種理論都有應(yīng)用局限性，還有待更進(jìn)一步的研究和探討，使其在民用建筑樓地面、公路路面、預(yù)制構(gòu)件、水利工程、機(jī)場跑道和停機(jī)坪、隧道以及各種構(gòu)筑物的加固補(bǔ)強(qiáng)和保護(hù)方面得到更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用。