纖維增強(qiáng)混凝土

熱烈祝賀

2006中國國際混凝土

技術(shù)交流會召開纖維混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)況與前景

王璋水空軍工程設(shè)計(jì)研究局1000682006.3北京主要內(nèi)容

引言：一、概論二、纖維混凝土研究應(yīng)用的現(xiàn)況三、纖維混凝土的發(fā)展前景四、結(jié)語引言： 纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料，是當(dāng)代混凝土改性研究的一個重要領(lǐng)域，近年，以鋼纖維、合成纖維、碳纖維及玻璃纖維為代表的纖維，在混凝土中應(yīng)用取得了迅速的發(fā)展，纖維混凝土是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土之后的又一次重大突破。 由于纖維和混凝土的共同作用，使混凝土具有一系列優(yōu)越的性能，因而受到國內(nèi)外工程界的極大關(guān)注和青睞，并廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域，現(xiàn)就纖維混凝土研究應(yīng)用的現(xiàn)況與發(fā)展前景做出評述。一、概論(一)水泥混凝土的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)—取材方便，造價(jià)低廉，生產(chǎn)簡單，抗壓強(qiáng)度較高等。弱點(diǎn)—主要是抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和抵抗變形性能差，即韌性差，材料的脆性或準(zhǔn)脆性明顯，其抗拉強(qiáng)度僅是抗壓強(qiáng)度的1/7～1/10受拉的極限延伸率只有0.01%～0.06%，在較低的拉伸變形時極易發(fā)生開裂。尤其是隨著抗壓強(qiáng)度大幅度提高，其收縮裂縫與脆性問題也更為突出，由此經(jīng)常導(dǎo)致許多建築物發(fā)生開裂和破碎,并進(jìn)一步發(fā)生滲水,鋼筋受到腐蝕使結(jié)構(gòu)失效或遭受突然破壞。

（二）改善途徑

混凝土存在上述缺陷是本質(zhì)性的，不可能通過本身材質(zhì)的改良來解決，只有采用“復(fù)合化”的技術(shù)途徑。經(jīng)材料科學(xué)工作者的長期探索與研究，提出了鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土的二次的重大突破，而后又提出了纖維增強(qiáng)混凝土，有學(xué)者認(rèn)為，這是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土之后的第三次的重大突破。

（三）纖維在混凝土中的作用在混凝土中摻入短而細(xì)且均勻分布的纖維后，明顯提高混凝土的性能。纖維與水泥基材料復(fù)合的主要目的在于克服后者的弱點(diǎn)，以延長其使用壽命，擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。纖維在混凝土中主要起著以下三方面的作用：

1、阻裂作用

2、增強(qiáng)作用

3、增韌作用1、阻裂作用

纖維可阻礙混凝土中微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。水泥基體在澆注后的24h內(nèi)抗拉強(qiáng)度低，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含水分急劇蒸發(fā)時，極易生成大量裂縫，此時，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成?；炷劣不?，若仍處于約束狀態(tài)，因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。2、增強(qiáng)作用

混凝土不僅抗拉強(qiáng)度低，而且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證。當(dāng)混凝土中加入適量的纖維后，可使混凝土的抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度等有一定的提高。3、增韌作用

纖維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開裂，纖維還可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力并可使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標(biāo)，一般用混凝土的荷載—撓度曲線或拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積來表示的。另外，還可提高和改善混凝土的抗凍性、抗?jié)B性以及耐久性等性能。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是:纖維混凝土中纖維的作用，并非所有纖維都能同時起到以上三方面的作用。（四）纖維的分類和性能

1、纖維的分類纖維可以按照不同的原則進(jìn)行分類。從工程實(shí)用觀點(diǎn)考慮，可按：纖維的材質(zhì)彈性模量纖維的長度

見表1。表1纖維分類表分類原則類別按纖維的材質(zhì)（1）金屬纖維—碳鋼纖維、不銹鋼纖維、鋼棉等。（2）無機(jī)纖維—玻璃纖維、碳纖維、石棉、礦棉、陶瓷纖維等。（3）有機(jī)纖維

1）天然纖維—纖維素纖維、麻纖維、草纖維等；

2）合成纖維—聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維、聚乙烯、醇纖維等。按纖維的彈性模量（1）高彈性模量纖維—彈性模量高于水泥基體的纖維，如鋼纖維、石棉、礦棉、玻璃纖維、碳纖維等。（2）低彈性模量纖維—彈性模量低于水泥基體的纖維，如聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。按纖維的長度（1）非連續(xù)的短纖維—如鋼纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。（2）連續(xù)的長纖維—如連續(xù)的玻璃纖維等。2、纖維的主要力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度纖維抗拉強(qiáng)度均比水泥基體的抗拉強(qiáng)度要高出二個數(shù)量級。彈性模量不同品種纖維的彈性模量值相差很大，有些纖維(如鋼纖維與碳纖維)彈性模量高于水泥基體，而大多數(shù)有機(jī)纖維(包括很多合成纖維與天然植物纖維)的彈性模量甚至低于水泥基體。纖維與水泥基體的彈性模量比值對纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料力學(xué)性能有很大影響，如該比值愈大，則在承受拉伸或彎曲荷載時，纖維所分擔(dān)的應(yīng)力份額也愈大。斷裂延伸率 纖維的斷裂延伸率一般要比水泥基體高出一個數(shù)量級，但若纖維的斷裂延伸率過大，則往往使纖維與水泥基體過早脫離，因而未能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。

表2增強(qiáng)水泥基材料用纖維的主要力學(xué)性能纖

維

品

種密度(g/cm3)抗拉強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)斷裂延伸率(%)碳鋼纖維不銹鋼纖維抗堿玻璃纖維溫石棉聚丙烯單絲纖維聚丙烯膜裂纖維高模量聚乙烯醇纖維改性聚丙烯腈纖維尼龍纖維高密聚乙烯纖維芳綸纖維芳綸纖維碳纖維7.807.802.702.600.910.911.301.181.150.971.451.39500～200020001400～2500500～1800500～600500～7001200～1500800～950900～96025002800～29003000～3100200～210150～17070～75150～1703.5～4.85.0～6.030～3516～205.0～6.011762～7071～773.5～4.03.02.0～3.52.0～3.015～1815～205～79～1118～203.53.6～4.44.2～4.4（五）纖維混凝土的分類和特性1、纖維混凝土的分類●按纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量，其增強(qiáng)、增韌效果有明顯差異，故可分：■高彈性模量纖維混凝土，如鋼纖維混凝土。■低彈性模量纖維混凝土，如合成纖維混凝土?！癜蠢w維的長度分：■非連續(xù)纖維增強(qiáng)混凝土是短切、亂向、均勻分布于混凝土基體中?！鲞B續(xù)纖維增強(qiáng)混凝土的纖維(如單絲、網(wǎng)、布、束等)分布于基體中。

●按水泥基體材料分：■纖維增強(qiáng)水泥凈漿指在不含集料的水泥凈漿或摻有細(xì)粉活性材料或填料的水泥凈漿基體中摻入纖維。多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纖維水泥墻板等。

■纖維增強(qiáng)水泥砂漿指在含有細(xì)集料的水泥砂漿基體中摻入纖維。多用于防裂、抗?jié)B結(jié)構(gòu)。如聚丙烯纖維抹面砂漿、鋼纖維防水砂漿等。通常將纖維增強(qiáng)水泥凈漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿統(tǒng)稱為纖維增強(qiáng)水泥。纖維增強(qiáng)水泥中的纖維，主要起著增強(qiáng)材料的作用，可明顯提高基體材料的抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊、抗疲勞等力學(xué)性能，不同程度地增進(jìn)復(fù)合材料的延性與韌性，主要用以制作薄壁的水泥制品。

■纖維增強(qiáng)混凝土指在含有粗、細(xì)集料的混凝土基體中摻入纖維，簡稱為纖維混凝土。依混凝土基體的特征不同，可分為如纖維普通混凝土、纖維高強(qiáng)混凝土、纖維膨脹混凝土、纖維耐火混凝土等。有時為了獲得需要的纖維混凝土特性和降低成本，將兩種或兩種以上纖維混合使用或按纖維功能不同組合使用，分別稱為混合纖維混凝土或組合纖維混凝土。

●纖維增強(qiáng)水泥和纖維增強(qiáng)混凝土的區(qū)分對

比

項(xiàng)

目0纖

維

增

強(qiáng)

水

泥纖

維

增

強(qiáng)

混

凝

土水泥基體材料水泥凈漿或水泥砂漿混凝土纖維長度短纖維、長纖維、纖維織物或短纖維與長纖維(或纖維織物)并用短纖維纖維體積率3%～20%0.05%～2%制備工藝裝備采用專門的工藝與裝備一般采用普通混凝土的工藝與裝備物理力學(xué)性能有顯著的改進(jìn)或提高，尤其是力學(xué)性能某些性能無影響，某些性能有適度改進(jìn)或提高應(yīng)用范圍主要用于制作薄壁(厚度3mm～20mm)的預(yù)制品主要用于現(xiàn)?澆注的構(gòu)件或構(gòu)筑物(一般厚度為50mm以上)表3纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混土的對比表●纖維增強(qiáng)水泥和纖維增強(qiáng)混凝土的區(qū)分目前在不少國內(nèi)外文獻(xiàn)資料中常把二者不作區(qū)分。■纖維的作用不同 纖維在水泥和砂漿中起著主要增強(qiáng)材的作用,而在混凝土中起著非主要增強(qiáng)材的作用。如果不作區(qū)分，誤以為在纖維增強(qiáng)混凝土中纖維也可起著主要增強(qiáng)材的作用，試圖在某些結(jié)構(gòu)中減少鋼筋的用量。再如，當(dāng)前國際上正在大力開發(fā)的“活性粉末混凝土”，在有些國家又稱之為“超高性能混凝土”,實(shí)際上按其纖維摻量、水泥基體的組成，理應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)水泥而不應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)混凝土，在該復(fù)合材料中纖維起著主要增強(qiáng)材的作用，有助于大幅度提高抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊與抗疲勞等力學(xué)性能?！鲋苽涔に嚥煌?分類主要是考慮到因基體的不同，而使纖維與基體的相互制約以及復(fù)合材料的制備工藝等有很大差異，從而影響到復(fù)合材料的一系列性能及其應(yīng)用范圍等。表3對纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土的主要不同點(diǎn)進(jìn)行了對比。根據(jù)此表不難看出將纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分為兩大類是合理的。2、纖維混凝土的特性（1）降低早期收縮裂縫，并可降低溫度裂縫和長期收縮裂縫。（2）裂后抗變形性能明顯改善，彎曲韌性提高幾倍到幾十倍，極限應(yīng)變有所提高。破壞時，基體裂而不碎。（3）高彈模的纖維對混凝土抗拉、抗折、抗剪強(qiáng)度提高明顯，對于低彈模纖維變化幅度不大。（4）彎曲疲勞和受壓疲勞性能顯著提高。（5）具有優(yōu)良的抗沖擊、抗爆炸及抗侵徹性能。（6）高彈模纖維用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，可提高抗剪、抗沖切、局部受壓和抗扭強(qiáng)度并延緩裂縫出現(xiàn)，降低裂縫寬度，提高構(gòu)件的裂后剛度、延性。（7）混凝土的耐磨性、耐空蝕性、耐沖刷性、抗凍融性和抗?jié)B性有不同程度提高。（8）特殊纖維配制的混凝土，其熱學(xué)性能、電學(xué)性能、耐久性能較普通混凝土也有變化。如碳纖維混凝土導(dǎo)電性能顯著提高，并具有一定“壓阻效應(yīng)”；低熔點(diǎn)合成 纖維配制的纖維混凝土在火災(zāi)過程中，細(xì)微纖維熔化可降低混凝土的爆裂。（9）使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比設(shè)計(jì)和拌合工藝上采取相應(yīng)措施，使纖維在基體中分散均勻，拌合料具有良好的工作性。（10）提高混凝土的耐久性。應(yīng)該說明的是，纖維混凝土的上述特性，并非所有纖維混凝土都同時具有這些特性，纖維混凝土的特性與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的粘結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強(qiáng)度等級等因素有關(guān)。二、纖維混凝土研究應(yīng)用的現(xiàn)況（一）研究應(yīng)用概況

研究和應(yīng)用較多是鋼纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維和碳纖維等配制的混凝土，其次是由玻璃纖維、聚酰胺纖維及聚乙烯醇纖維等配制的混凝土。＊鋼纖維生產(chǎn) 我國四大類（切斷型、剪切型、銑削型和熔抽型）鋼纖維都有生產(chǎn)，產(chǎn)量逐年增加，質(zhì)量不斷提高，不但滿足國內(nèi)供應(yīng)還大量出口。據(jù)估計(jì)我國每年鋼纖維的銷量在1～2萬噸，鋼纖維混凝土年用量約30萬m3

。

＊鋼纖維混凝土種類 分屬有鋼纖維普通混凝土、鋼纖維高強(qiáng)高性能混凝土、鋼纖維膨脹混凝土、鋼纖維耐火混凝土、鋼纖維碾壓混凝土、層布鋼纖維混凝土及鋼纖維噴射混凝土等

＊應(yīng)用 公路、隧道、碼頭鋪面、工業(yè)建筑地面、剛性防水、結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力區(qū)、抗沖磨結(jié)構(gòu)等工程中得到了廣泛應(yīng)用。在橋梁工程和隧道工程中的應(yīng)用是卓有成效。

＊占主導(dǎo)地位，但鋼纖維的質(zhì)量和纖維混凝土的成本仍是影響工程應(yīng)用的主要因素。1、鋼纖維和鋼纖維混凝土研究和應(yīng)用2、合成纖維混凝土的研究應(yīng)用目前，美國合成纖維混凝土的使用量約占混凝土總量的7%，鋼纖維混凝土使用量約占混凝土總量的3%，合成纖維混凝土數(shù)量已超過先期開發(fā)的鋼纖維混凝土使用量。因此深入研究合成纖維混凝土，尤其是聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維混凝土的材料和構(gòu)件的基本物理力學(xué)性能；研究高溫下合成纖維混凝土的性能十分重要。為了充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢，將鋼纖維與合成纖維或是不同種類和尺度的合成纖維混合使用或組合使用，成為混合纖維增強(qiáng)混凝土或組合纖維增強(qiáng)混凝土，在纖維混凝土技術(shù)方面取得了新的進(jìn)展。3、混合纖維增強(qiáng)混凝土或組合纖維增強(qiáng)混凝土

為了充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢，將鋼纖維與合成纖維或是不同種類和尺度的合成纖維混合使用或組合使用，成為混合纖維增強(qiáng)混凝土或組合纖維增強(qiáng)混凝土，在纖維混凝土技術(shù)方面取得了新的進(jìn)展。

4、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程的編制先后編制和頒布標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程有：《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》CECS13：89《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》CECS83：92《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38：2004《鋼纖維混凝土》JG/T3064—1999《混凝土用鋼纖維》YB/T151—199《公路水泥混凝土纖維材料鋼纖維》JT/T524—2004《公路水泥混凝土纖維材料聚丙稀和聚丙稀腈纖維》JT/T525—2004《銑削鋼纖維混凝土應(yīng)技術(shù)規(guī)程》DBJ08—59—97《鋼纖維高強(qiáng)混凝土施工技術(shù)規(guī)程》BZB001—2003等。

CECS38：2004是對原CECS83：92的修訂補(bǔ)充，不僅適應(yīng)新修訂的我國有關(guān)各類混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范，同時新增了鋼纖維混凝土新應(yīng)用領(lǐng)域和合成纖維混凝土應(yīng)用的有關(guān)技術(shù)規(guī)定。規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)的制訂，不僅為工程的設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，而且對推動我國纖維混凝土技術(shù)發(fā)展起了重要作用。對國際纖維混凝土事業(yè)發(fā)展有著重要影響，《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》在國際纖維混凝土學(xué)術(shù)會議上，獲得了很高的評價(jià)。規(guī)程的頒布將更好地推動纖維混凝土的發(fā)展。（二）纖維混凝土的前沿技術(shù)和最新進(jìn)展前沿技術(shù)是鋼纖維高強(qiáng)高性能混凝土、層布鋼纖維混凝土、聚丙烯粗纖維混凝土、混合和組合纖維混凝土等的研究和應(yīng)用。

漬漿鋼纖維水泥(SIFCON）、滲澆鋼纖維網(wǎng)水泥(SIMCON）、活性粉末水泥(RFC)、纖維增強(qiáng)無宏觀缺陷水泥(FRMDFC)以及PVA纖維增強(qiáng)水泥（或稱工程復(fù)合材料ECC）等的研究和應(yīng)用也是十分創(chuàng)新的內(nèi)容1、鋼纖維高強(qiáng)高性能混凝土由于高強(qiáng)混凝土脆性明顯，采用鋼纖維改善高強(qiáng)混凝土的性能尤為必要。因此鋼纖維高強(qiáng)高性能混凝土，已經(jīng)成為國內(nèi)近年來研究應(yīng)用一個熱點(diǎn)，開展了大量的試驗(yàn)研究。 試驗(yàn)表明,在高強(qiáng)高性能混凝土基體中摻入適量的鋼纖維后,形成的鋼纖維高強(qiáng)高性能混凝土，既具有高強(qiáng)高性能混凝土自身優(yōu)點(diǎn)，又對高強(qiáng)高性能混凝土基體起到增強(qiáng)、增韌和阻裂作用，可顯著地改善其脆性性質(zhì)，并能較大地提高混凝土基體的抗拉、抗折、抗疲勞、抗沖擊爆炸等一系列性能。鋼纖維高性能混凝土最主要的優(yōu)點(diǎn)是在于其拌合料具有良好的工作性，硬化后混凝土又有優(yōu)良的結(jié)構(gòu)密實(shí)性、耐久性和較高的強(qiáng)度。為此，在材料和配合比方面，與鋼纖維普通混凝土相比，水膠比低，膠凝材料用量大，通常在500kg/m3～600kg/m3。如果完全使用水泥，既不經(jīng)濟(jì)，且水化放熱量大，對混凝土微觀結(jié)構(gòu)的形成不利。因此，鋼纖維高性能混凝土要摻入一定量的微細(xì)填充材料來代替部分水泥。目前使用較多的微細(xì)填充材料有硅粉、磨細(xì)礦渣、粉煤灰及沸石粉等。主要應(yīng)用于國防工程和重要的建筑工程及橋梁工程。2、層布鋼纖維混凝土（1）提出背景

●層布鋼纖維混凝土是指在構(gòu)筑物混凝土截面的頂層和底層或底層約20mm厚度內(nèi),撒布適量的鋼纖維澆筑而成的混凝土，稱為層布鋼纖維混凝土。層布鋼纖維混凝土適用于面板類結(jié)構(gòu)工程，如路面、橋面、地坪等。

●應(yīng)用表明,鋼纖維普通混凝土(SFPC)路面的厚度，當(dāng)鋼纖維體積率為0.8%～1.5%，約為同類混凝土路面厚度的40%～60%。使路面的物理力學(xué)性能有明顯改善，厚度可大幅度減薄，但是,路面工程的總造價(jià)一般比同類混凝土路面要高10%～20%，從經(jīng)濟(jì)分析角度看,造價(jià)相應(yīng)要高,影響了鋼纖維混凝土在路面的推廣應(yīng)用。 ●層布鋼纖維混凝土的提出是考慮到鋼纖維普通混凝土的造價(jià)較高，這已經(jīng)成為當(dāng)前推廣應(yīng)用鋼纖維普通混凝土路面的瓶頸，同時施工不甚方便，如果施工方法不當(dāng)，易引起鋼纖維的結(jié)團(tuán)和裸露在混凝土路面的表面，導(dǎo)致鋼纖維的銹蝕，影響路面的表觀等缺陷。試驗(yàn)表明，層布鋼纖維混凝土比普通混凝土有著優(yōu)良的彎拉強(qiáng)度、抗裂性能、韌性、抗沖擊性能及彎拉疲勞強(qiáng)度等性能。層布鋼纖維混凝土比鋼纖維普通混凝土造價(jià)較低，在保證與鋼纖維普通混凝土性能相當(dāng)?shù)那闆r下，鋼纖維的用量約可節(jié)省70％。 近年，由武漢理工大學(xué)等單位提出了一種稱為上、下層布式鋼纖維混凝土路面，即分別在普通混凝土路面板的下層(底層)和上層(頂層)鋪撒適量的鋼纖維，形成一種新的復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，如圖1所示，acbhLSFCLSFCPC

h—試件高度;a、c—上、下層布鋼纖維 混凝土(LSFC)厚度;b—普通混凝土(PC)厚度。圖1通過研究和應(yīng)用表明，用少量的鋼纖維對普通混凝土路面板承受最大彎拉應(yīng)力易斷裂的薄弱處進(jìn)行有效增強(qiáng),可減薄混凝土路面的厚度,提高混凝土路面的耐久性和承載能力，此種路面不僅優(yōu)于普通混凝土路面，而且也勝于鋼纖維普通混凝土路面，突出的優(yōu)點(diǎn)是鋼纖維用量少，單位水泥用量降低，工程造價(jià)低、施工工藝簡便易行，有顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益，對進(jìn)一步推廣我國的鋼纖維混凝土面類結(jié)構(gòu)工程（路面、道面、橋面、地面等）的應(yīng)用有重要作用。 該技術(shù)尤其在降低鋼纖維混凝土路面造價(jià)和簡化施工工藝方面有重要突破，屬國內(nèi)首創(chuàng)，已在我國的105、107、209、312、318國道部分路段及湖北、湖南、河南、江西、浙江、云南、安徽、天津、新疆、廣東、海南、山西等省市部分一、二級公路路段，相繼修筑了層布鋼纖維混凝土路面大約300余公里，取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。為了更好地推廣應(yīng)用這一新技術(shù)，已將有關(guān)層布鋼纖維混凝土路面的內(nèi)容，列入中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS38-2004，必將有良好的應(yīng)用前景。(2)作用原理

1）根據(jù)路面板的受力狀態(tài)，路面板的設(shè)計(jì)以簡支小梁標(biāo)準(zhǔn)試件的彎拉強(qiáng)度為主要指標(biāo)，小梁試件中和軸以下承受彎拉應(yīng)力的作用，而且離板中和軸向下愈遠(yuǎn)，彎拉應(yīng)力愈大，直至下層邊緣,承受的彎拉應(yīng)力最大，將鋼纖維層布在承受彎拉應(yīng)力最大處的下層是合理，同時考慮到路面板上層的板角、板邊有時在荷載及溫度的作用下也承受彎拉應(yīng)力，另外為了防止混凝土表面產(chǎn)生收縮裂縫，在上層也撒布一層鋼纖維。而在板的中和軸附近，承受彎拉應(yīng)力和壓應(yīng)力最小，可不配置鋼纖維，因此，鋼纖維的配置是根據(jù)路面板的受力狀態(tài)按需要分配，需要增強(qiáng)的部位以配置，不需要增強(qiáng)的部位或者說鋼纖維不能發(fā)揮作用的部位，則可以不配，以減少鋼纖維用量。鋼纖維的配置真正符合“好鋼用在刀刃上”的原則，使需要配置的鋼纖維充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度高的最大效用，用少量的鋼纖維即可使路面達(dá)到增強(qiáng)、增韌、阻裂的目的。2）層布鋼纖維混凝土的上、下層鋼纖維的分布基本是呈二維分布（面分布），根據(jù)理論的推算，鋼纖維二維分布時的有效利用系數(shù)為0.637，而鋼纖維普通混凝土中的鋼纖維呈三維分布，三維分布的鋼纖維有效利用系數(shù)為0.5，比前者的有效利用系數(shù)低27%。3）層布鋼纖維混凝土可比鋼纖維普通混凝土的鋼纖維長徑比大，其長徑比可為80～100，長徑比增大后，增大了鋼纖維與混凝土粘結(jié)界面，提高了彎拉強(qiáng)度。３、聚丙烯粗纖維混凝土過去研究應(yīng)用較多的是聚丙烯細(xì)纖維（當(dāng)量直徑10μm～100μm）混凝土，近年來國內(nèi)外對聚丙烯粗纖維（當(dāng)量直徑10μm～1000μm）研究應(yīng)用，十分熱門。聚丙烯粗纖維按形態(tài)基本上可分為單絲纖維與纖維束兩種，如圖2所示。在纖維束中許多單絲纖維相互纏繞在一起，與混凝土拌合時再分散成為單絲。聚丙烯粗纖維在混凝土中的體積率為0.3%～2.0%。目前在工程中使用較多的有日本產(chǎn)的Barchip粗纖維、美國產(chǎn)的FortaFerro粗纖維與HPP152纖維，新近我國浙江寧波大成新材料股份有限公司研制的大成（DC）粗纖維，試驗(yàn)表明，具有優(yōu)良的性能?，F(xiàn)簡要介紹由Barchip和DC粗纖維配制的纖維混凝土的力學(xué)性能、耐久性和工程應(yīng)用情況。Barchip粗纖維抗拉強(qiáng)度為620MPa～758MPa，彈性模量為6GPa，密度為0.90～0.92g/cm3，纖維橫截面尺寸為1.6mm×0.6mm，長度為30mm、42mm和48mm，纖維表面有凹凸形的壓紋如圖2（a）。DC粗纖維抗拉強(qiáng)度為530MPa，彈性模量為7GPa，密度為0.95g/cm3，纖維直徑為0.91mm，長度為30mm、40mm和50mm，橫截面為五葉形，長度方向有波浪形壓紋，如圖2（b）所示。（a）Barchip粗合成纖維（b）大成DC粗合成纖維

圖2兩種粗合成纖維的外形（1）粗合成纖維與細(xì)合成纖維和鋼纖維比較粗合成纖維是一種新型阻裂增韌材料，與鋼纖維、細(xì)合成纖維相比，具有下列的優(yōu)點(diǎn)：1）質(zhì)輕；2）易于均勻分散；3）無腐蝕；4）明顯改善混凝土的韌性；5）顯著提高混凝土的抗沖擊性能；6）改善混凝土的抗疲勞性能；7）更適合用作噴射混凝土。(2)粗合成纖維混凝土的性能

DC和Barchip粗纖維、盾形鋼纖維配制的纖維混凝土及普通混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，在同樣配合比下，粗合成纖維摻量為6kg/m3～13kg/m3,

鋼纖維摻量為40kg/m3

～60kg/m3，試驗(yàn)結(jié)果表明：1）DC粗纖維的界面粘結(jié)強(qiáng)度為3.1MPa,與剪切鋼纖維的粘結(jié)強(qiáng)度相近。2）當(dāng)粗合成纖維的摻量為6kg/m3

～13kg/m3時，纖維混凝土梁的初裂、破壞沖擊次數(shù)比普通混凝土梁分別提高了0.77倍～1.94倍、1.84倍～21.5倍；鋼纖維摻量為40～60kg/m3時，初裂、破壞沖擊次數(shù)比普通混凝土分別提高了3.24倍～3.43倍、4.73倍～5.95倍。表明鋼纖維對混凝土初裂時沖擊的性能提高優(yōu)于粗合成纖維，這與鋼纖維的高彈性模量有關(guān)；但粗合成纖維混凝土破壞沖擊性能明顯優(yōu)于鋼纖維混凝土。3）當(dāng)纖維摻量為6kg/m3

～13kg/m3時，DC粗纖維混凝土彎拉強(qiáng)度比普通混凝土約提高3～16％；Baichip粗纖維混凝土彎拉強(qiáng)度比普通混凝土提高10～24％；鋼纖維摻量為40kg/m3

～60kg/m3時，彎拉強(qiáng)度比普通混凝土提高了8～34％。4）抗拉強(qiáng)度比普通混凝土約提高11.6～20.5%；極限拉伸應(yīng)變提高40～83%；斷裂能提高150～210%。

5）粗合成纖維對混凝土的增韌效果優(yōu)于鋼纖維。粗合成纖維摻量為6kg/m3

～13kg/m3時，韌性指數(shù)I5和I10分別比普通混凝土提高2.7～3.0倍和5.1～5.9倍，當(dāng)DC粗纖維摻量為6kg/m3,鋼纖維摻量為60kg/m3時，混凝土的韌性指數(shù)I10分別為6.25和5.18,增韌效果比鋼纖維提高21%。

6）DC粗纖維混凝土的疲勞性能比普通混凝土有明顯提高，當(dāng)應(yīng)力水平0.5時，DC粗纖維混凝土200萬次未破壞，普通混凝土疲勞壽命70.2萬次。

DC粗纖維混凝土與鋼纖維混凝土疲勞性能的相比，當(dāng)應(yīng)力水平0.5時，前者200

萬次未破壞，鋼纖維混凝土疲勞壽命115萬次，疲勞壽命至少提高74%。

7）經(jīng)濟(jì)比較，由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)摻量6kg/m3時的DC粗纖維混凝土與摻量60kg/m3的鋼纖維混凝土的性能接近計(jì)算，假定DC粗纖維40元/kg，鋼纖維6元/kg，則每m3混凝土中纖維費(fèi)用：DC粗纖維混凝土240元/m3；鋼纖維360元/m3,可見,在混凝土性能相當(dāng)時,每m3混凝土中DC粗纖維的費(fèi)用比鋼纖維降低33%。

4、混合和組合纖維混凝土

結(jié)合不同纖維的優(yōu)勢，將鋼纖維與合成纖維或是不同種類的合成纖維混合在一起摻入混凝土，配制成混合纖維混凝土，由于單一纖維的增強(qiáng)作用是有限的，而不同尺度和不同性質(zhì)的纖維混合增強(qiáng)，使其在水泥基材中不同結(jié)構(gòu)和不同性能層次上逐級阻裂與強(qiáng)化，充分發(fā)揮各纖維的尺度和性能效應(yīng)，并在不同的尺度和性能層次上相互激發(fā)、相互補(bǔ)充、取長補(bǔ)短，達(dá)到進(jìn)一步提高阻裂、抗收縮、抗?jié)B、抗疲勞、抗變形及強(qiáng)度等性能的目的。

自20世紀(jì)60年代以來，利用不同纖維的作用和功能，將多種纖維同時摻入混凝土中，以進(jìn)一步提高混凝土的性能，稱此種混凝土為混合（混雜）纖維混凝土?；旌侠w維混凝土中纖維是有其內(nèi)在規(guī)律性和按一定的比例關(guān)系摻入，才能發(fā)揮效用。

根據(jù)近年來的應(yīng)用發(fā)展?fàn)顩r和纖維摻入的方法不同,可將其分為混合纖維混凝土與組合纖維混凝土。1）混合纖維混凝土 混合纖維混凝土是指用兩種或兩種以上不同尺寸或不同品種的纖維，適量摻入混凝土組分材料中，按一定程序經(jīng)混合攪拌而成整體的混凝土?；旌侠w維混凝土可分為兩種：同一種類（相同品種、質(zhì)量）但不同尺寸的混合纖維混凝土和不同種類的混合纖維混凝土。如在混凝土中摻入不同尺寸的鋼纖維，構(gòu)成的混合鋼纖維混凝土。不同種類纖維混凝土又可分為尺寸相同的纖維、尺寸不同的纖維、作用不同的纖維構(gòu)成的混合纖維混凝土。如其尺寸相近和尺寸不同的鋼纖維和合成纖維構(gòu)成的混合纖維混凝土。2）組合纖維混凝土 組合纖維混凝土是指用兩種或兩種以上作用和功能不同的纖維，其中有的纖維摻入主要是為了增強(qiáng)和增韌，有的纖維主要是為了阻裂。摻入的纖維有的與混凝土各組分材料混合攪拌，有的纖維并不與混凝土各組分材料混合攪拌，而是將纖維分布于不同結(jié)構(gòu)層次，將不同功能的纖維組合應(yīng)用并與混凝土拌合料結(jié)合，構(gòu)成整體的纖維混凝土，稱為組合纖維混凝土。 層布鋼纖維和合成纖維組合增強(qiáng)混凝土，是新近提出來的一種纖維增強(qiáng)混凝土。如鋼纖維與腈綸纖維組合增強(qiáng)混凝土與普通混凝土、鋼纖維混凝土相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是： 鋼纖維—腈綸纖維組合增強(qiáng)混凝土，充分發(fā)揮了兩種纖維的各自優(yōu)勢，將鋼纖維層布于路面面層的底部，顯著提高混凝土彎拉強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度； 將腈綸纖維均勻分散在混凝土中，提高混凝土的抵抗早期塑性收縮和抗裂性能，增強(qiáng)抵抗溫度應(yīng)力和疲勞應(yīng)力的能力，從而提高混凝土的抗磨、抗凍融、抗沖擊和抗?jié)B性能，減少和防止混凝土板的斷裂和板角開裂現(xiàn)象。并可大量減少鋼纖維用量，降低工程造價(jià)。這是一種新的混凝土面類結(jié)構(gòu)形式，具有良好的應(yīng)用前景。

混合纖維混凝土與組合纖維混凝土的作用原理

通過合理的設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)點(diǎn)，使它們互相取長補(bǔ)短，在不同的結(jié)構(gòu)層次和受力階段，既發(fā)揮各單一纖維的作用和功能，又發(fā)揮多種纖維復(fù)合的疊加作用，可明顯提高或改善原先單一纖維混凝土的若干性能，以取得優(yōu)良的綜合能，并可降低其成本。如用彈性模量高、長而粗的鋼纖維或碳纖維與短而細(xì)的合成纖維混合摻入混凝土，在受力時，高模量的纖維在基體出現(xiàn)較小與中等寬度的裂縫時，可發(fā)揮最佳的增強(qiáng)作用，而低模量纖維在基體出現(xiàn)大裂縫才充分發(fā)揮其增強(qiáng)、增韌作用，與采用單一的纖維混凝土相比，既可提高混凝土的強(qiáng)度，又能明顯提高其韌性、抗沖擊性、耐疲勞及抗裂等性能，并可降低成本。5、纖維增強(qiáng)水泥1）漬漿鋼纖維水泥(SIFCON)

將水泥漿或水泥砂漿滲澆到鋼纖維堆體中的高強(qiáng)度高韌性復(fù)合材料,其鋼纖維體積率5％～20％?？箟簭?qiáng)度達(dá)100MPa～250MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)38MPa，彎拉強(qiáng)度可達(dá)84MPa。彎曲韌性較普通混凝土提高三個數(shù)量級。

2）滲澆鋼纖維網(wǎng)水泥（SIMCON）， 將水泥漿或水泥砂漿滲澆到預(yù)置定向分布的鋼絲網(wǎng)。其增強(qiáng)增韌效果比SIFCON成倍提高。SIFCON和SIMCON對于承受重復(fù)荷載作用和爆炸作用的結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)越性，用于軍事工程、保險(xiǎn)庫、防爆倉庫容器、橋面接縫等結(jié)構(gòu)。

3）活性粉末水泥(RFC)

采