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1824年英国建筑工人约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）发明了水泥并取得了波特兰水泥的专利权，水泥混凝土应运而生。经过近二百年的发展，水泥混凝土已成为土木工程各个领域应用最为广泛的材料。众所周知，水泥混凝土不仅原材料来源广泛，而且具有良好的抗压性能，可很好地满足工程结构抗压承载的要求，但其抗拉强度低、韧性较差、容易出现开裂，从而限制了其在一些特殊工程中的应用。为了克服混凝土抗拉性能差的缺点，促使了一种复合材料“纤维混凝土”的产生。 纤维混凝土，又称纤维增强混凝土（英文名为Fiber Reinforced Concrete，简称FRC），通常以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，掺入适量的非连续的短纤维或连续的长纤维增强材料，形成的一种新型增强建筑材料。相关研究表明：纤维混凝土不仅具有传统混凝土的优良特性，而且还弥补了传统混凝土的众多缺陷。我国纤维混凝土的强度等级通常采用CF表示，如CF30，即表示强度等级为30的纤维混凝土。  1 FRC发展概况及工作机理 1.1 FRC发展概况 FRC的发展可追溯到20 世纪初，钢纤维混凝土(SFRC)是最早出现在人们视野中的FRC。早在1910年，美国学者Porter就着力于SFRC的理论研究，并最早发表了关于SFRC的论文。不久后，美国学者Graham将SFRC应用到实践当中，验证了其优良特性。20世纪40年代，各国学者开始关注和研究FRC，并取得了一定成果。20世纪70年代，FRC得到了快速发展，并出现了碳纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维和植物纤维等新型FRC。20世纪90年代，FRC的研究与应用发生了质的飞跃。我国关于FRC的研究起步较晚。1992年，中国工程建设标准化协会颁布了《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》（CECS38∶92），标志着我国FRC在工程实践中正式推广与应用。目前，FRC已广泛应用于道路、桥梁、地铁、隧道、港口、水利等土木工程的各个领域。我国常用的几种纤维如图1~图5所示，其中，玄武岩纤维（basalt fiber）是具有我国自主知识产权并得到国家大力支持而发展起来的一种纤维材料。  图1 常用钢纤维  图2a 碳纤维短丝  图2b 碳纤维长丝  图3 聚丙烯纤维  图4 玄武岩纤维  图5a 玻璃纤维切纱  图5b 玻璃纤维 1.2 FRC的工作机理 FRC问世以来，关于其增强机理的理论研究一直受到各国学者的密切关注。目前，关于增强机理较成熟的理论有两种：其一，美国J.P.Romualdi提出的“纤维间距理论”（fiber spacing theory）。该理论利用线弹性断裂力学解释纤维对混凝土性能的改善作用。它认为：混凝土内部存在孔隙和缺陷，在外力作用下会产生应力集中现象，导致混凝土开裂。采用间距紧密的纤维作为阻裂体加入混凝土中，可以减小混凝土内部裂纹尖端的应力强度因子，抑制裂纹的扩展，从而提高初裂强度。并提出纤维混凝土的初裂强度与纤维间距平方根成反比关系的结论。由此可见，纤维弥补了混凝土内部的缺陷，提高了混凝土的韧性，极大地减少了应力集中，改善了混凝土性能。纤维间距理论是在假定纤维与基体材料完全粘合的基础上得出的，而实际情况并不能满足该假定条件，因此存在一定缺陷。其二，英国Swamy Mamgat等提出了“复合材料机理”（composite materials mechanism）。它根据复合材料力学的受力机理来说明FRC的增强机理。该理论认为纤维混凝土的强度是由纤维和基体的体积比和应力来决定的。 2 FRC特性 近些年来，关于纤维混凝土的理论研究及工程实际应用均取得了长足进展。随着合成纤维材料的创新，出现了多种纤维混凝土。目前，比较成熟的有钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维和玻璃纤维等组成的纤维混凝土。 2.1 钢纤维混凝土（SFRC） SFRC是指在混凝土中掺入适量的钢纤维形成的一种新型复合材料。与普通混凝土相比，其抗拉强度、抗弯强度、耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。 总括而言，SFRC具有的优良性能主要体现在： ①较高的抗拉、抗剪强度。钢纤维具有良好的抗拉性能，与混凝土的抗压性能形成互补，使SFRC具有较高的抗拉和抗剪强度。 ②抗弯性能较好。SFRC兼有钢纤维和混凝土优良性能并形成互补。钢纤维在混凝土内部呈不规则分布，能有效提高混凝土结构的抗弯性能。研究表明：SFRC的抗弯性能比混凝土提高0.5~1.5倍。 ③具有卓越的抗冲击性能和耐疲劳性能。钢纤维混凝土在抵抗冲击或振动荷载作用时，钢纤维会吸收较多能量，提高其冲击韧性。相关研究表明：SFRC的抗冲击性能约为素混凝土的5~10 倍。钢纤维无规则地分布在混凝土内部，极大地提高了其抗疲劳性能。 ④耐腐蚀性能得到改善。SFRC可能出现的腐蚀性问题与钢筋混凝土一样，主要体现在两个方面：一是混凝土自身损伤破坏；二是钢材锈蚀。因钢纤维具有良好的抗拉性能，阻碍了混凝土裂缝的形成与发展，使得腐蚀介质难以进入混凝土内部，故SFRC耐腐蚀性能得到很好的改善。 2.2 聚丙烯纤维混凝土（PFRC） 聚丙烯纤维混凝土是将切成一定长度的聚丙烯纤维（polypropylene fiber）均匀地分布在水泥砂浆或普通混凝土的基材中，用以增强基材的物理力学性能的一种复合材料。它具有轻质、抗拉强度高、抗冲击、抗裂、耐酸和耐碱等优良特性。 聚丙烯纤维混凝土是研究与应用最多的合成纤维混凝土。随结晶度不同，聚丙烯纤维的密度范围为0.90～0.92 g/cm3，熔点低，一般在165~173℃之间。根据纤维形状和构造不同，聚丙烯纤维可分为单丝纤维、并行的原纤化纤维束和薄膜纤维。单丝纤维有较高的长径比，并行的原纤化纤维束能方便地在水泥基体中分散，虽化学键连接有限，但机械粘结好，可使纤维受力时不被拔出。 研究表明，聚丙烯纤维混凝土有以下优越性能： ①提高混凝土的抗裂性能。在混凝土搅拌过程中，聚丙烯纤维受到水泥和集料的冲击就会散开，均匀分布于混凝土中，约束了混凝土的颗粒下沉，降低了由于混凝土中水溢出形成的毛细通道数量，降低了混凝土体积的变化和泌水现象，从而抑制了混凝土微裂缝的产生，提高混凝土的抗裂性能。 ②提高混凝土的抗渗性能。聚丙烯纤维的掺入能有效抑制混凝土的塑性收缩，阻止原有裂缝的发展和延伸，减缓混凝土和受力钢筋被潮湿气体、氯化物等有害物质的侵蚀，采用聚丙烯纤维混凝土的建筑物，其使用寿命得以延长。同时，抗渗能力的提高也间接地提高了聚丙烯纤维混凝土的抗冻能力。 ③增强了混凝土的强度和冲击韧性。素混凝土试件在抗压试验过程中，当荷载施加到一定程度时，压裂后立即完全破碎。聚丙烯纤维混凝土试件在抗压试验过程中，压裂后并不破碎，由于掺入的聚丙烯纤维均匀分布于混凝土中，能显著提高聚丙烯纤维混凝土的变形性能，使得荷载加至最大后仍不破碎。建筑结构中使用聚丙烯纤维混凝土，在遭受地震破坏时能提高人员和财产的安全性。 ④提高混凝土的抗冻融性能。混凝土的抗冻融性能也是耐久性的一种体现，北方寒冷地区混凝土的抗冻融性能是最基本的材料性能之一。有研究者将掺入较低掺量短切聚丙烯纤维的混凝土试件进行冻融试验，经过二十五次反复冻融循环后，没有发现分层、龟裂等现象。事实上，聚丙烯纤维随机均匀分布于混凝土内部各个方向，类似于混凝土内部微加筋的作用，减缓了混凝土内部温度应力作用和温度裂缝的发展。 ⑤提高混凝土的耐磨损性能。聚丙烯纤维的掺入提高了混凝土的抗冲磨强度。研究者对聚丙烯纤维混凝土采用不同的试验方法进行抗冲磨试验，均证实聚丙烯纤维混凝土的耐磨损性能较素混凝土有显著提高。 ⑥提高混凝土的弯曲疲劳性能。聚丙烯纤维混凝土和素混凝土一样具有较好的抗压强度，且其抗弯曲强度较素混凝土有所提高，提高程度与聚丙烯纤维的掺量有关。某试验研究显示，聚丙烯纤维混凝土中聚丙烯纤维的掺入量为0.8kg/m3时，其抗弯强度仅提高7.6%，表明低掺量的聚丙烯纤维对提高混凝土抗弯曲强度的影响效果甚微。 除此之外，聚丙烯纤维在酸性、碱性环境下基本上不发生变化，使得掺入聚丙烯纤维的混凝土在海水环境下的耐腐蚀性较好。聚丙烯纤维的熔点低，火灾高温下能迅速熔化，在混凝土内形成气体通道，可有效防止高强度混凝土的爆炸。 2.3 碳纤维混凝土（CFRC） 碳纤维混凝土是指在普通混凝土的原材料中按一定用量和方式掺入短（或长）碳纤维（carbon fiber），在搅拌机的拌和过程中，使纤维在水泥和骨料的冲击混合作用下，随机分布于混凝土中而形成的新型混凝土复合材料。 碳纤维混凝土具有以下优良性能： ①碳纤维改善了混凝土的力学性能。在碳纤维混凝土中随机分布的碳纤维能阻止混凝土内部微裂缝的扩展，并阻滞宏观裂缝的产生和扩大，从而改善其抗裂、抗渗、冲击韧性等性能，更符合现代高新建筑对工程材料的要求。 ②碳纤维混凝土具有良好的电学性能。混凝土中碳纤维之间未水化的水泥颗粒水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒（Potential Energy Barrier）构成了具有一定电阻的导电网络，可使其电阻率急剧下降，具有显著的导电性能。国内外研究者先后提出在水泥净浆、砂浆或混凝土中掺入各种碳纤维材料制备具有典型压敏效应的水泥基智能材料，包括普通短切碳纤维、碳纳米管、纳米碳纤维三种碳材料。基于材料性能与成本分析，纳米碳纤维最具有推广应用前景。 2.4 玻璃纤维混凝土（GFRC） 玻璃纤维增强混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete），简称GFRC（本文用此简写）或GRC，是将弹性模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀地分布于水泥砂浆、普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。由于玻璃纤维的直径一般在20μm以内，几乎与水泥的颗粒相接近，使用玻璃纤维时，所用的结合材料为水泥浆，或者在其中掺入细砂来使用，较少使用粒径大的粗骨料，用这种素材制作而成的复合材料，又称为增强补强水泥。 由于硅酸盐水泥的水化产物对中碱与无碱玻璃纤维有强烈的侵蚀，致使玻璃纤维抗拉强度大幅度下降、失去韧性而变脆，因此，采用抗碱玻璃纤维制备玻璃纤维混凝土。为大幅度提高玻璃纤维混凝土的使用寿命，可使用硫铝酸盐水泥。自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把玻璃纤维混凝土技术引向新的发展阶段。GFRC采用特种低碱水泥与特种玻璃纤维复合材料经过多种工序精制而成，其具有高强度、抗老化、质量轻、成型多样化、施工简单、耐火、耐酸碱等优点。如此制成的GFRC与混凝土有同等性能及寿命，使其成为欧陆式建筑外观造型及景观等工程的新宠。 归纳起来，GFRC具有如下特点： ①防裂抗渗。由于耐碱玻璃纤维的单丝直径仅为11µm～15µm，与其他纤维相比具有较大的比表面积，因而同等质量的耐碱玻璃纤维可以握裹更多的水泥基材料，与水泥基体有更紧的结合力，同时纤维在水泥基体内部形成一种均匀的三维乱向分布支撑体系，从而产生一种有效的加强效果，防止微裂缝的产生与扩展，达到抗渗防渗的目的，典型的应用为玻璃纤维喷射混凝土。 ②力学性能好。用耐碱玻璃纤维增强的混凝土，可使GFRC的抗拉、抗弯、抗冲击、耐磨性、抗弯曲疲劳等性能得到较大改善。 ③耐火抗冻。耐碱玻璃纤维是一种完全不燃烧的材料，软化点约为860℃，其使用环境温度范围大，可抗冻融循环100次以上，有适应骤冷骤热、干湿交替的能力。 ④绿色环保。耐碱玻璃纤维原材料来源于硅酸盐类矿物质，不产生有害气体，对人体、大气无害；生产玻璃纤维混凝土的工厂和建筑工地废料可直接加以利用，也可用作混凝土中的人工集料，尤其是在没有足够或合适集料的地区。 3 纤维混凝土的工程应用 纤维混凝土由于其优良特性已广泛应用于工程之中，利用钢纤维、聚丙烯纤维、碳纤维、耐碱玻璃纤维等制成的纤维混凝土在工程中广泛应用。 3.1 钢纤维混凝土的工程应用 随着经济和社会的迅速发展，车辆数量不断增多，载重加大，人们对道桥的依赖性日益提高，这就要求道桥有更好的耐久性、安全性和适用性。普通水泥混凝土路面脆性大、容易开裂、路面板块容易受弯折而产生断裂，无法满足日益增加的交通流量对道桥的要求。鉴于钢纤维混凝土较普通混凝土的各项力学性能、韧性及抗裂性能都有显著改善，在道桥中的应用前景不可限量，是路面、桥面及机场跑道的理想材料。 在新建道桥工程中，钢纤维混凝土主要用于路面施工和桥面铺装。对于损坏的普通混凝土路面可以采用钢纤维混凝土进行修复。在新建路面工程中采用钢纤维混凝土可使双车道的路面不设纵缝，延长路面使用寿命。在桥面铺装中应用钢纤维混凝土，可大幅度提高桥面的抗裂性能、耐磨性能以及舒适度，从而确保桥梁工程的施工质量。在桥梁结构加固过程中，针对受动载影响而产生的桥梁表面损坏、裂缝出现以及桥梁墩台的情况，采用喷射机喷射一定厚度的钢纤维混凝土，能改善桥梁受力状况，起到加固桥梁整体结构的作用。除了在道桥中的应用，钢纤维混凝土也可用于隧道和边坡的防护加固等。 3.2 聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用 聚丙烯纤维混凝土在公路工程和水利工程中的应用十分广泛。在公路路面、机场跑道中应用聚丙烯纤维混凝土，其塑性龟裂能得以有效控制，可提高其抗疲劳性能、耐冲击破碎性能和耐磨损能力，延长路面的使用寿命。在国外，停机坪、机库、机场跑道、地下传输管道等工程的综合加固措施中已广泛应用聚丙烯纤维混凝土。在水利工程中应用聚丙烯纤维混凝土，可显著改善现代水利工程对水工混凝土的抗渗、防裂、耐磨、抗冲击韧性和耐久性等高性能的要求。在大中型水利水电工程的施工期内，对装备重型或超重型汽车的需求量较大，现场施工道路路面要满足施工运输的要求，鉴于用钢纤维铺设的路面造价较高且存在磨损轮胎问题，以及聚丙烯纤维混凝土良好的耐磨损和抗冲击疲劳特点，可采用聚丙烯纤维混凝土铺设路面。 3.3 碳纤维混凝土在工程中的应用 与普通混凝土相比，碳纤维混凝土不仅保持了抗压性能，还改善了混凝土的力学性能和电学性能，从而在工程中得以广泛的应用。碳纤维混凝土用作混凝土的增强材料，其抗拉强度和抗弯强度比混凝土提高5~10倍，在同等强度下，质量更轻，更为经济。土木工程中大量基础性设施暴露于空气中，钢筋锈蚀膨胀和混凝土自身收缩易产生裂缝，碳纤维混凝土可以有效遏制开裂，并解决钢筋腐蚀问题。碳纤维混凝土可以用于修复加固混凝土结构，由于碳纤维增强复合材料强度高、质量轻、适应变形能力强、施工方便，目前碳纤维修复补强混凝土结构技术在工程中应用广泛。碳纤维导热系数比混凝土大，热传导性能都比较好，在其纤维方向具有负的热膨胀系数，纤维受热收缩对混凝土产生压力，混凝土的膨胀就会受到纤维的抑制，混凝土中掺入碳纤维后，就可以有效控制混凝土的温度变形。 在智能材料结构系统的研发过程中，碳纤维混凝土良好的导电性能使其在大型混凝土健康监测技术中得以广泛应用。美国D D L Chung等在1989年首先对掺短切碳纤维水泥基材料的机敏特性展开试验研究，发现碳纤维水泥基材料具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能。掺适量短切碳纤维可使水泥砂浆或混凝土的力学、电学性能显著改善，可以用于制作结构健康监测的传感元件。我国学者研究发现碳纤维混凝土的电阻变化率三向受压时是单轴受压条件下的两倍，且所得的压敏特性比单轴受压时更理想。基于此，可将碳纤维混凝土作为传感器，用于监测高速公路上过往车辆载重的情况，及时掌控道路的服役状态。 3.4 玻璃维混凝土在工程中的应用 作为一种具有经济潜力和多种良好性能的建筑材料，GFRC在土木建筑领域得到了较快的推广和应用，在道桥工程、建筑工程、市政工程、农业水利工程、建筑辅助材料等领域都得到了较为广泛的应用。 补强加固。一般砌体的水泥砂浆抹面层在墙体受力变形，沿砌筑灰缝剪切破坏时，将发生脆性的粗大裂缝而无法承担剪切抗力。因此，在设计计算中不能考虑抗剪承载力。而GFRC抹面层，由于其优良的抗拉性能及阻裂作用，不但能延缓裂缝的出现，控制裂缝的宽度，还能分担砌体的剪切荷载，延缓剪切破坏的过程。因此提高了砌体的抗剪强度并使其具有一定的延性。亦可用于破损路面、桥面的补强加固等。 防水处理。在地下工程结构的内外表面作防水砂浆抹面防水，是我国传统简便有效的防水方法，至今仍广为采用，特别是结构自防水或外贴卷材防水失败后，往往采用这种方法进行补救。GFRC的抗渗性能正好能满足防水砂浆的要求，用玻璃纤维掺量2~3%的玻璃纤维砂浆代替普通砂浆，既能防止砂浆开裂，又能增强抗渗性能，可获得更好的防水效果。 管道系统。地下工程需要通风设备，但传统的钢材通风管道自重大、安装施工复杂，而GFRC通风管道以其重量轻、占地面积小、安装施工方便等优点，近年来发展十分迅猛，在北京、大连等地应用十分广泛。GFRC良好的轻质、抗腐蚀性能使其在给排水管道中也得到了应用。  4 纤维混凝土工程应用实例 广东佛山东平大桥位于佛山市禅城区南部，跨越东平河，是佛山市中央组团新城区的重要桥梁（见图6）。该桥由四川省交通厅公路规划勘察设计研究院设计，于2006年9月18日竣工。大桥全长1427米，道路等级为城市主干道Ⅰ级（双向八车道）；设计速度60km/h；桥梁宽度48.6m；设计基本风速27.9m/s；通航净空：通航净高大于18m，双向通航孔净宽180m；地震烈度Ⅵ度（主桥按Ⅶ度设防）。桥型采用了造型别致、线形优美的组合体系，主孔跨径300m、边跨跨径为95.5m的钢拱—连续梁协作体系桥。桥面梁由三道主纵梁（即钢系杆）、两道次纵梁和主、次横梁组成格子桥面梁；桥面梁上设置8mm厚钢板，再现浇12cm厚钢纤维混凝土，形成钢—钢纤维混凝土组合桥面板。组合桥面板已服役10余年，状态良好。 图6 广东佛山东平大桥（采用钢—SFRC组合桥面板） 京航运河邳州高架桥—SFRC斜拉桁架连续梁桥于2001年建成通车。该桥全长1912 m，其中主桥长163m，主孔结构采用43.5 76 43.5m三跨一联的双塔双索面预应力特种CF55现浇SFRC斜拉下承式连续梁桥，如图7所示。 图7 京航运河邳州高架桥—SFRC斜拉桁架连续梁桥 南京青奥会会议中心（见图8）由大名鼎鼎的英国建筑大师扎哈·哈迪德所设计，该项目地上总面积逾四十万平米，包括了二栋超高层建筑，分别为258m的58层和315m的68层。会议中心高约47m，内部包含一个二千座的大会议厅，一个五百座的音乐厅，三个多功能厅，以及中小会议室、贵宾室等配套设施。 该项目外观的一大特点是外墙的材料采用GFRC，通过GFRC板的预制，扎哈得以在建筑形体上展现大量的双曲面，其复杂度甚至超过了北京的鸟巢。 图8 南京青奥会会议中心 |
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