纖維混凝土在工程中的裂紋影響與應(yīng)用

彭 帥 靳力勇 胡耀廣

（河北建設(shè)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(dāng)前最大宗的人造材料，具有良好的耐水性、可塑性和原料來(lái)源廣、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用范圍和效果，所以一直以來(lái)人們都在探索高性能混凝土的開(kāi)發(fā)與應(yīng)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(yīng)用范圍和效果，普通混凝土的這些缺陷更為明顯。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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?jié)B性能差。

1.2 纖維混凝土優(yōu)點(diǎn)

(1)提高基體的抗拉強(qiáng)度；

(2)阻止基體中原有缺陷的擴(kuò)展并延緩新裂縫的出現(xiàn)；

(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(duì)混凝土的裂紋影響

2.1 混凝土破壞機(jī)理分析

長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)混凝土特性的研究，大多停留在唯象方面，由試驗(yàn)結(jié)構(gòu)來(lái)總結(jié)材料的性能，而這些試驗(yàn)成果很難推廣為材料的屬性，只適用于部分情況。所以進(jìn)行材料性能的理論研究以期全面了解材料的力學(xué)性能對(duì)工程應(yīng)用是非常重要的。

常見(jiàn)的研究混凝土破壞機(jī)理的幾個(gè)基本觀點(diǎn)：

(1)結(jié)構(gòu)層次觀點(diǎn)

首先考慮材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)單位聚集的層次，根據(jù)研究的目的不同分析混凝土的結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。在宏觀層次上分析可略去粗、細(xì)集料，水泥水化產(chǎn)物，孔洞，裂縫等差別，將其視為均勻的、連續(xù)的材料，這是結(jié)構(gòu)工程的任務(wù)。在微觀層次上分析則需要考慮粗、細(xì)集料，水泥水化產(chǎn)物中結(jié)晶結(jié)構(gòu)及水的分子結(jié)構(gòu)，此時(shí)混凝土被視為粗、細(xì)集料，水泥水化產(chǎn)物，孔洞、裂縫等組成的多相復(fù)合材料，它的不均勻，但是連續(xù)的。目前對(duì)混凝土破壞機(jī)理的研究，重點(diǎn)放在細(xì)觀層次上。

(2)復(fù)合材料觀點(diǎn)

考慮混凝土的性能取決與各相的行為、體積分?jǐn)?shù)及相的幾何特性，要詳細(xì)描述一種材料需要考慮下列一些參數(shù)：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(jié)特性。為了簡(jiǎn)化分析，往往將多相復(fù)合材料作為多級(jí)二相復(fù)合材料處理。

(3)斷裂力學(xué)觀點(diǎn)

混凝土的破壞是有裂縫擴(kuò)展而造成的，雖然由于混凝土的不均質(zhì)形，裂縫擴(kuò)展過(guò)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(xué)應(yīng)用于混凝土還存在不少問(wèn)題，但是，自從1961 年Kaplan 首先試探將斷裂力學(xué)應(yīng)用于混凝土以來(lái)，關(guān)于混凝土斷裂力學(xué)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(guò)程就是基體中裂紋形成過(guò)程和發(fā)展過(guò)程。混凝土的試塊所表現(xiàn)出的宏觀力學(xué)性能是與混凝土內(nèi)部裂紋的發(fā)展相連的。一般來(lái)說(shuō)，混凝土的裂紋擴(kuò)展存在一下4 個(gè)階段：

(1)預(yù)存裂紋階段；(2)裂紋的起裂階段；(3)裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展階段；(4)裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

3 鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用

纖維混凝土克服了普通混凝土的缺點(diǎn)，在工程應(yīng)運(yùn)中提現(xiàn)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(yù)應(yīng)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(hù)層中。鐵路工程承受較大的荷載、較高的速度和數(shù)萬(wàn)次的振動(dòng)，所以要求混凝土必須具有較高的強(qiáng)度、較高的抗沖擊性及較大的塑性。鋼纖維混凝土的應(yīng)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(wèn)題，所以有待進(jìn)一步研究，但在日本和挪威的使用經(jīng)驗(yàn)是令人鼓舞的。日本鋼鐵俱樂(lè)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(wú)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(yīng)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(fù)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(hù)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(lái)越廣泛，一般應(yīng)用于房屋建筑工程、預(yù)制樁工程、框架節(jié)點(diǎn)、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(lǐng)域中。如抗震框架節(jié)點(diǎn)中使用鋼纖維混凝土，能代替箍筋滿足節(jié)點(diǎn)對(duì)強(qiáng)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(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋擠壓使混凝土難于澆注的施工問(wèn)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(yīng)用于路面、橋梁、機(jī)場(chǎng)跑道等工程中，包括新建及修補(bǔ)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(zhǎng)，使用性能提高，維修費(fèi)用減低、壽命延長(zhǎng)。面層較普通混凝土可減少30—50%，公路伸縮縫間距可達(dá)30—100m，機(jī)場(chǎng)跑道的伸縮縫間距可達(dá)30m。路面及橋面修補(bǔ)，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(yīng)用中將會(huì)更加的廣泛。為提供提高了使用價(jià)值，在某些程度上提高了工程的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要首先從對(duì)纖維混凝土的研究方向和價(jià)值做出初步了解。之后對(duì)纖維混凝土的基本概念和分類了解，做到更詳細(xì)的認(rèn)識(shí)。緊接著對(duì)纖維混凝土的特性進(jìn)行充分了解，與普通混凝土形成鮮明的對(duì)比，纖維混凝土比普通混凝土具有更多優(yōu)點(diǎn)，從而對(duì)纖維混凝土研究的價(jià)格更為肯定。