纖維混凝土在工程中的裂紋影響與應用

彭 帥 靳力勇 胡耀廣

（河北建設勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031）

1 研究背景

水泥混凝土是近代最廣泛使用的建筑材料，也是當前最大宗的人造材料，具有良好的耐水性、可塑性和原料來源廣、生產工藝簡單、生產成本低、應用方便等優點，一直為工程界所青睞。但混凝士的自身缺陷也限制了它的應用范圍和效果，所以一直以來人們都在探索高性能混凝土的開發與應用。

1.1 普通混凝土的缺陷

工程中常用的混凝土都不同程度的存在缺陷，從而限制了它的應用范圍和效果，普通混凝土的這些缺陷更為明顯。主要表現在以下幾個方面：

(1)混凝土抗變形能力差；

(2)混凝土耐磨性能差；

(3)混凝土抗滲性能差。

1.2 纖維混凝土優點

(1)提高基體的抗拉強度；

(2)阻止基體中原有缺陷的擴展并延緩新裂縫的出現；

(3)提高基體的變形能力，并能夠改善其韌性及抗沖擊性。

2 纖維對混凝土的裂紋影響

2.1 混凝土破壞機理分析

長期以來對混凝土特性的研究，大多停留在唯象方面，由試驗結構來總結材料的性能，而這些試驗成果很難推廣為材料的屬性，只適用于部分情況。所以進行材料性能的理論研究以期全面了解材料的力學性能對工程應用是非常重要的。

常見的研究混凝土破壞機理的幾個基本觀點：

(1)結構層次觀點

首先考慮材料內部結構單位聚集的層次，根據研究的目的不同分析混凝土的結構與性能之間的關系。在宏觀層次上分析可略去粗、細集料，水泥水化產物，孔洞，裂縫等差別，將其視為均勻的、連續的材料，這是結構工程的任務。在微觀層次上分析則需要考慮粗、細集料，水泥水化產物中結晶結構及水的分子結構，此時混凝土被視為粗、細集料，水泥水化產物，孔洞、裂縫等組成的多相復合材料，它的不均勻，但是連續的。目前對混凝土破壞機理的研究，重點放在細觀層次上。

(2)復合材料觀點

考慮混凝土的性能取決與各相的行為、體積分數及相的幾何特性，要詳細描述一種材料需要考慮下列一些參數：分散相的形狀、尺寸及尺寸分布，方向，空間分布，分散相與基相界面粘結特性。為了簡化分析，往往將多相復合材料作為多級二相復合材料處理。

(3)斷裂力學觀點

混凝土的破壞是有裂縫擴展而造成的，雖然由于混凝土的不均質形，裂縫擴展過程與理想脆性材料不完全相同，目前直接將線彈性斷裂力學應用于混凝土還存在不少問題，但是，自從1961 年Kaplan 首先試探將斷裂力學應用于混凝土以來，關于混凝土斷裂力學的研究工作非常活躍。

2.2 混凝土的破壞階段及原因

混凝土的破壞過程就是基體中裂紋形成過程和發展過程。混凝土的試塊所表現出的宏觀力學性能是與混凝土內部裂紋的發展相連的。一般來說，混凝土的裂紋擴展存在一下4 個階段：

(1)預存裂紋階段；(2)裂紋的起裂階段；(3)裂紋的穩定擴展階段；(4)裂紋的不穩定擴展階段。

3 鋼纖維混凝土的工程應用

纖維混凝土克服了普通混凝土的缺點，在工程應運中提現出新的功能和特性。在以下方面中使用較為理想。

(1)鐵路工程

在鐵路工程方面，鋼纖維混凝土主要用于預應力鋼纖維混凝土鐵路軌枕、雙塊式鐵路軌枕及搶修鐵路橋面防水保護層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數萬次的振動，所以要求混凝土必須具有較高的強度、較高的抗沖擊性及較大的塑性。鋼纖維混凝土的應用，使維修工作量大為減少，并提高了線路的使用壽命，效果良好。

(2)港口及海洋工程

鋼纖維混凝土在海洋工程中的使用主要是鋼纖維混凝土的腐蝕問題，所以有待進一步研究，但在日本和挪威的使用經驗是令人鼓舞的。日本鋼鐵俱樂部采用鋼纖維混凝土作鋼管樁防腐層，在海水中浸泡10 年，鋼纖維混凝土防腐完好，鋼管表面無銹蝕，仍有金屬光澤。

(3)水利工程

鋼纖維混凝土在水利工程中的應用比較廣泛，主要將其用于受高速水流作用以及受力比較復雜的部位，如溢洪道、泄水孔、有壓疏水道、消力池、閘底板和水閘、船閘、渡槽、大壩防滲面板及護坡等工程都能起到良好的效果。

(4)建筑工程

鋼纖維混凝土在建筑工程中的影響越來越廣泛，一般應用于房屋建筑工程、預制樁工程、框架節點、屋面防水工程、地下防水工程、道路工程、地基處理工程等工程領域中。如抗震框架節點中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節點對強度、延性、耗能等方面的要求，而且還能提供類似于箍筋約束混凝土的作用，并解決節點區鋼筋擠壓使混凝土難于澆注的施工問題。

(5)道路和橋梁工程

鋼纖維混凝在道路和橋梁工程方面，主要廣泛應用于路面、橋梁、機場跑道等工程中，包括新建及修補工程。鋼纖維混凝土較普通混凝土有較好的韌性，抗沖擊、抗疲勞性。它可使面層厚度減少，伸縮縫間距加長，使用性能提高，維修費用減低、壽命延長。面層較普通混凝土可減少30—50%，公路伸縮縫間距可達30—100m，機場跑道的伸縮縫間距可達30m。路面及橋面修補，其罩面厚度僅為3—5cm。

纖維混凝土作為新型材料之一，以后在工程應用中將會更加的廣泛。為提供提高了使用價值，在某些程度上提高了工程的經濟價值。

4 結語

本文主要首先從對纖維混凝土的研究方向和價值做出初步了解。之后對纖維混凝土的基本概念和分類了解，做到更詳細的認識。緊接著對纖維混凝土的特性進行充分了解，與普通混凝土形成鮮明的對比，纖維混凝土比普通混凝土具有更多優點，從而對纖維混凝土研究的價格更為肯定。