Fibrereinforcedcement-based(FRC)compositesafterove

纤维增强水泥基(FRC)复合材料40年来在建筑和土木工程中的发展安佐兹M布兰特基础技术研究所，波兰科学院，华沙，波兰摘要：纤维很早以前就被用于加强脆性基质：例如，在黏土中混入秸秆和马鬃可以制成砖块和地板。科技发展到现代，Romualdi在他1963年、1964年的两篇文章中首次提出将分散的钢纤维用来加固混凝土。从此以后，在水泥基中分散纤维这个概念得到了很大的发展：在建筑和土木工程领域中，全世界出现数以百计的书籍、报纸，以及许多论文和实际应用。站在四十年后的今天去回顾纤维增强水泥基技术和知识，就会觉得很有趣。成就和不足之处的平衡发展无疑是积极的，基于理论与实践的知识变得相当的丰富和强大，从高强度的复合材料演变而来的试验方法也是非常高效的。然而由于最初的发展并不是完全针对这个未知的领域，所以实际应用并没有那么多。本文是针对纤维增强水泥基复合材料的主要应用领域进行讨论和展望。在对各种纤维和应用技术进行简短的回顾后，值得注意的是计算方法和复合材料的设计方法。由于基于性能的相关标准发展不足，往往使得大量纤维增强水泥基在建筑中的实际应用受到了阻碍。当然，我们得承认纤维加固的成本和相关的技术手段也无疑使得纤维增强水泥基在普通结构的使用受到了很大的阻碍。另一方面，成功的应用总是对结构有些特殊的要求，或许以后我们会往这方面发展。关键词：纤维、水泥基、纤维增强混凝土(FRC)、高性能混凝土(HPC)1.绪论混凝土是目前最重要的建筑材料，全世界每个国家和地区对它的需求量都在上升，原因有很多：混凝土的原材料不仅易于获取而且廉价，生产工艺也比较简单，它的使用范围覆盖了各种各样的建筑和民用基础设施工程。另外，在最近30年里，混凝土的发展有了新的突破，那就是高性能混凝土(HPC)的出现，这种新型建筑材料被定义为一种为特定应用和环境开发特定功能的混凝土，这些功能不仅包括混凝土的强度，还有更高的耐久性，更好的抵抗各种外部作用，硬化快等等。混凝土唯一的缺点就是它的脆性，相对而言，它的抗拉性能和抗裂性能较差。分散纤维加固在与类似混凝土的材料发展中起了很大作用。在很早以前甚至可以追溯到3500年前，一些脆性的建筑材料就是用马鬃、草和其他植物纤维来加强的，比如粘土砖。但是纤维加固的概念是在近代才提出来的，在1900年左右，人们用石棉纤维来加固水泥砂浆，与此同时，人们发明出了被称之为Hatschek的技术来制造屋面板、管道等等，随后Biryukovichs又提出了利用玻璃纤维来加固水泥砂浆[1]。普通的玻璃纤维在强碱性Portland水泥中缺乏抗抗力和耐久性，因此Majumdar和Ryder发明了添加有氧化锆的耐碱性(AR)玻璃纤维[2]，而由Romualdi和他的合伙人发表的论文则是第一次对钢纤维水泥产生的重大影响[3,4]。混凝土作为一种如此优越的材料，并且通过对外加剂和掺合料进行改进，以及预制和现浇方法的长足发展，再加上高难度测试方法的开发，在经过30年后将纤维加固水泥、纤维加固混凝土应用到各种各样的优秀建筑材料来满足各类功能也就不足为奇了。本文的目的是描述纤维增强水泥基知识与技术的现状，并讨论其应用的主要方向，主要是高层建筑、大跨度桥梁、高速公路和机场道路以及其他种种杰出结构中的混凝土，原因很明显，虽然普通混凝土没有纤维但质量经过改进后可以用于低性能结构和非结构构件。2.基质和纤维在过去的40年里，水泥基质产生了很大发展，它的主要成分仍然是Portland水泥和各种粗细骨料，还有一些其它成分如高效减水剂、外加剂和填充物，但是这些成分的配比却发生了变化。根据不同的用途有多种Portland水泥可以选择，国内和各种国际公司可以提供各种水泥，包括高强水泥、低强水泥、早硬水泥、低水化热水泥、高耐硫酸水泥、低𝐶3𝐴水泥以及各种各样的混合水泥，如粉煤灰和炉渣含量达到70%的水泥。接下来要介绍的混凝土成分是可以改变混凝土搅拌和硬化性质的外加剂和掺合料，有高效减水剂、引气剂、填充物和二次胶结材料，如粉煤灰、天然火山灰、稻草灰、偏高岭土等等，其实通常情况下人们就是通过胶结物的不同来区分二元、三元和四元混凝土的。制作骨料时，不仅要掺入碎石和天然砂砾，还要精确选择各种人造材料混合起来，从而形成良好的级配。有时候为了降低成本，满足日益增长的需求与生态可持续性，还可以在混凝土中使用各种各样的废料，比如再生骨料。因此，混凝土尤其是要满足特定功能的混凝土，成为了相当复杂的材料，并且必须通过定制来满足具体项目里所需求的必要的功能。这种混凝土的设计往往需要大量的知识和经验，同样让人担心的是技术手段的采用，任何时候高级技术人员都是非常必要的。一般说来，现代混凝土比20世纪上半叶的的脆性更强，同时具有较高的强度和水化热，耐久性也较差，如果不经特殊设计的话，耐腐蚀性也会更差，鉴于这些原因，就有了更多特殊的混凝土——高性能混凝土，这些混凝土基本上都有不同形式的纤维加强，分散短纤维的主要作用是控制裂缝的开裂和扩散。Brandt将纤维的基本组应用到了结构混凝土中，并将它们按照材料进行了分类[5]：——不同形状和尺寸的钢纤维以及微纤维；——在水泥中仅用作耐碱的玻璃纤维；——用聚丙烯、聚乙烯、聚烯烃和聚乙烯醇(PVA)等材料制成的合成纤维；——碳纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维。虽然天然植物纤维在高性能结构混凝土中并不适用，但它可以用在普通混凝土中；由于石棉纤维容易对人的健康产生不利影响，如今建筑中已经不用石棉纤维了，它已经被其他种类的纤维取代了，如聚合物。当然对结构混凝土来说最重要的依然是钢纤维，图1给出了一些例子，将两端弯起并将钢筋制成各种各样的形状可以改善纤维基质的粘结性能并提高纤维的工作效率。纤维对水泥基质开裂的影响由图2可以看出来：纤维的存在使得大的裂缝被小的裂缝群所取代，不论是从安全性还是耐久性来讲，都变得比较合理。表1的数据清楚地展示了纤维的作用，用纤维的体积分数来表示一立方厘米中包含的纤维数量，只考虑纤维量达到3%的，因为更高的纤维量需要如下所示的特殊技术才能实现。细纤维密集的分布在水泥基质中，从而控制微裂缝的产生和发展；长达50-80mm的纤维不仅可以控制大的裂缝，而且有助于提高FRC的极限强度，如图3、图4所示。随着纤维体积和工作效率的提高，纤维对钢纤维混凝土构件的影响使其在负荷下的表现形式完全不同，如图5中的应力-应变图所示。传统钢纤维混凝土构件的特点是在一开始应力增长呈线性，在第一道裂缝产生后会产生缓慢的下降，这就是所谓的分枝软化。相比之下，在加固比较充分的情况下，第一个裂缝出现后会有一个伴随着多个裂缝的应变硬化的阶段，这些裂缝吸收了大量的能量，吸收能量的多少和曲线下的面积呈正比，软化分支也出现在这个阶段。如图5所示，传统的纤维增强水泥基和高性能纤维增强水泥复合材料(HPFRCC)的主要区别是显而易见的。纤维加强对混凝土在弯曲作用下的影响见图6，同时也表明了这种混凝土是通过满足特定目的来设计的。除了钢纤维以外，还有长度10-80mm，直径0.5-1.5mm单丝柔荑花序或原纤化丙纶的高强聚乙烯醇纤维在高体积分数(0.5-2.0%)中被用来提高强度和韧性，同时影响着结构混凝土构件的强度。低模量的聚丙烯纤维有两个不同的应用程序低模量的聚丙烯纤维有两个不同的应用方面，它们被小批量（高达1.0kg/m3）地用于控制浇筑时间在几个小时以内的被称为早期混凝土的收缩干裂，在早期的时候，早期混凝土的杨氏模量与这些纤维比较相似[11]。聚丙烯纤维也分散用于公寓建筑的混凝土墙内，因为当遇上高温时纤维可以作为散热通道，缓解内部压力，有助于延缓混凝土的破坏。