1纖維混凝土的前沿技術(shù)和最新進展
1.1鋼纖維高強、高性能混凝土
?。?）由于高強混凝土脆性明顯，采用鋼纖維改善高強混凝土的性能尤為必要。因此鋼纖維高強高性能混凝土，已經(jīng)成為國內(nèi)近年來研究應(yīng)用一個熱點，開展了大量的試驗研究。 （2）試驗表明,在高強高性能混凝土基體中摻入適量的鋼纖維后,形成的鋼纖維高強高性能混凝土，既具有高強高性能混凝土自身優(yōu)點，又對高強高性能混凝土基體起到增強、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)密實性、耐久性和較高的強度。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500 kg/m3～600 kg/m3。如果完全使用水泥，既不經(jīng)濟，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填充材料來代替部分水泥。目前使用較多的微細填充材料有硅粉、磨細礦渣、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。
1.2層布鋼纖維混凝土
?。?）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,路面工程的總造價一般比同類混凝土路面要高10%～20%，從經(jīng)濟分析角度看,造價相應(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)良的彎拉強度、抗裂性能、韌性、抗沖擊性能及彎拉疲勞強度等性能。層布鋼纖維混凝土比鋼纖維普通混凝土造價較低，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。
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行有效增強,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)點是鋼纖維用量少，單位水泥用量降低，工程造價低、施工工藝簡便易行，有顯著的社會經(jīng)濟效益，對進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)計以簡支小梁標(biāo)準(zhǔn)試件的彎拉強度為主要指標(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，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，需要增強的部位以配置，不需要增強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)揮其抗拉強度高的最大效用，用少量鋼纖維即可使路面達到增強、增韌、阻裂目的。
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，提高了彎拉強度。
1.3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Forta Ferro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粗纖維抗拉強度為620 MPa～758MPa，彈性模量為6GPa，密度為0.90～0.92 g/cm3，纖維橫截面尺寸為1.6mm×0.6mm，長度為30 mm、42 mm和48mm，纖維表面有凹凸形的壓紋如圖2（a）。DC粗纖維抗拉強度為530MPa，彈性模量為7GPa，密度為0.95 g/cm3，纖維直徑為0.91mm，長度為30 mm、40 mm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。
粗合成纖維與細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、細合成纖維相比，具有下列的優(yōu)點：
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行力學(xué)性能試驗，在同樣配合比下，粗合成纖維摻量為6 kg/m3～13kg/m3, 鋼纖維摻量為 40 kg/m3 ～ 60kg/m3，試驗結(jié)果表明：
1）DC粗纖維的界面粘結(jié)強度為3.1MPa, 與剪切鋼纖維的粘結(jié)強度相近。
2）當(dāng)粗合成纖維的摻量為6 kg/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6 kg/m3 ～13kg/m3時，DC粗纖維混凝土彎拉強度比普通混凝土約提高3～16％；Baichip粗纖維混凝土彎拉強度比普通混凝土提高10～24％；鋼纖維摻量為40 kg/m3 ～60kg/m3時，彎拉強度比普通混凝土提高了8～34％。
4）抗拉強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6 kg/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)濟比較，由試驗結(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粗纖維的費用比鋼纖維降低33%。
1.4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作用是有限的，而不同尺度和不同性質(zhì)的纖維混合增強，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)、相互補充、取長補短，達到進一步提高阻裂、抗收縮、抗?jié)B、抗疲勞、抗變形及強度等性能的目的。
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。混合纖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混凝土，是新近提出來的一種纖維增強混凝土。如鋼纖維與腈綸纖維組合增強混凝土與普通混凝土、鋼纖維混凝土相比，其顯著優(yōu)點是：
鋼纖維—腈綸纖維組合增強混凝土，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，提高混凝土彎拉強度和彎曲疲勞強度；
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。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，充分發(fā)揮不同纖維的優(yōu)點，使它們互相取長補短，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、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。
1.5纖維增強水泥
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度高韌性復(fù)合材料,其鋼纖維體積率5％～20％?？箟簭姸冗_100 MPa～250MPa，抗拉強度可達38MPa，彎拉強度可達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)
采用水泥、超細粉料（硅粉、石英粉）及石英細砂和細短鋼纖維、超塑化劑、極低水灰比經(jīng)蒸壓養(yǎng)護制成的一種超高強復(fù)合材料，抗壓強度可達200MPa和800MPa，彎拉強度最高可達60 MPa～140MPa，現(xiàn)處于開發(fā)階段。
4）纖維增強無宏觀缺陷水泥(FRMDFC)
采用碳化硅纖維或是芳綸纖維、水泥、水和水溶性聚合物等制作成的復(fù)合體內(nèi)無宏觀缺陷。
5）PVA纖維增強水泥（ECC）
密歇根大學(xué)工程學(xué)教授維克托·李，將經(jīng)過等離子處理PVA纖維加入水泥砂漿中，制成了一種重量輕，并且更具有耐久性的可彎曲材料，如圖3所示，這種纖維增強材料，使脆性材料轉(zhuǎn)為韌性更好的材料，在承受巨大壓力時，它會彎曲而不是斷裂。
