纤维增强的高延性混凝土——新型建筑材料

纤维增强的高性能混凝土是在混凝土制作过程中工程纤维水泥基复合材料而制作成的。掺加纤维可以在一定程度上增强混凝土材料的抗拉强度、弯曲强度、抗剪强度等抗裂性指标。工程纤维增强水泥基复合材料（简称ECC）最早由美国密歇根大学的Victor.C.Li教授提出。在此基础上国际上又提出了应变硬化水泥基复合材料（简称SHCC）。为了制备低成本高性能的ECC，Li和Kanda将聚乙烯醇（简称PVA）用于纤维增强水泥基复合材料中，制成聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料。近几年的混杂纤维混凝土的研究也是科研工作者正在着手的热点。

作为土建行业最广泛应用的材料，混凝土材料制作而成的各种构建必须满足安全性和耐久性的要求。这里我们主要从高性能纤维混凝土的力学状态与普通混凝土的力学状态对比进行分析来阐述纤维增强的高性能混凝土的优点。

1.抗拉性能。目前拉伸试验是验证ECC各项性能参数的最直接有效的方法。通过拉伸试验我们可以直接得出拉伸弹性模量、开裂荷载、初始裂缝宽度、开裂应变、极限应变以及最大裂缝宽度等。通过延性增强混凝土单轴拉伸性能研究发现掺加不同PVA纤维纤维增强混凝土的拉伸试验，其抗拉强度最终取决于裂缝面上纤维最低的跨越裂缝的桥接作用。在掺有一定量的乱向纤维的纤维混凝土复合材料中，由于非连续的纤维随即在混凝土中分布，在裂纹开展到一定程度时，开裂区的纤维可以有效地起到桥接作用，从而阻止裂纹的开裂程度，约束裂纹继续发展，达到增强效应的目的。

2.抗压性能。纤维增强的高性能混凝土在单轴受压的情况下，纤维的添加改善了受压应力作用下砂浆机体的压缩韧性，实验表明纤维的添加使得单轴受压的棱柱体和立方体的抗压强度都有所提高。实验研究表明，在混凝土制作过程中，粉煤灰的掺加量对其强度影响显著。

3.延性。ECC具有超高延性，这就表明其很少出现类似于普通混凝土的脆性失效的可能，在工程上的表现就是为事故的发生提供可预见性。试验研究表明，在相同的几何尺寸和荷载条件下，ECC的强度最高，延性最大，且具有最强的能量吸收能力和裂缝控制能力。

4.抗弯性能。三点弯曲试验能够很好地描述纤维增强的高性能混凝土构件的性能。大连理工大学徐世烺采用薄板试件和梁试件对PVA纤维增强水泥基复合材料的弯曲性能进行研究。实验研究表明薄板试件能够在峰值荷载时产生很大的变形，但试件的完整性能够得以保持。

5.耐久性。高强混凝土委员会指出为评价高延性混凝土的耐久性，应该按照渗透性与抗裂性两方面进行评定。抗渗性准则用以评价无裂缝混凝土抵抗外界物质包括水、气体等的侵入能力。抗裂性准则用于评定混凝土抵抗裂缝开展及继续发展的能力。现有资料表明，高延性混凝土的抗裂性能要高于普通钢筋混凝土的抗裂性能。高性能纤维在复合材料中的均匀乱向分布形成了一种空间支撑体系，则有助于产生二级加强效应，它的这种分散形式可以抑制混凝土的收缩,吸收开裂释放的能量,减小混凝土初期干燥收缩产生的裂缝,提高其韧性,并且可以减少裂缝引起的钢筋锈蚀。ECC材料具有很好的延展性及抑制裂缝宽度的特性。

关于纤维混凝土的增强理论主要基于两种理论:复合材料理论和纤维间距理论。

1.复合材料理论。复合材料理论就是将高延性纤维混凝土的性能看作是各项单一材料性能的集合，具有各种单一材料的综合性能，因而能够获得较好的延性及其他优良性能，从而使材料的性能得到质的飞跃。

2.纤维间距理论。该理论从线弹性断裂力学出发。认为如果要提高混凝土材料的强度就必须减小或消除其内部本身的固有缺陷,韧性取决于混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。在混凝土基体中纤维可以弥补自身的缺陷,起到减少裂缝源的尺寸和数量,达到提高基体的强度目的，如果纤维的间距越小,则裂缝所引起的应力集中就越小,从而就能够提高复合材料的强度和韧性。

已研究的纤维混凝土材料有：碳纤维和聚丙烯纤维、钢纤维和聚丙烯纤维、抗碱玻璃纤维和聚乙烯纤维增强的混凝土。

实验研究表明：采用高模纤维制作成的混凝土可以获得单一纤维增强混凝土所不能达到的强度和韧性等力学性能。但也可能使由纤维的种类材料差异、配比不同而制成的混杂纤维高性能混凝土出现正负两种不同的混杂效应。

1.用高延性纤维增强的混凝土材料作为结构的主要材料从而提高结构的抗震性能。

2.用高延性纤维混凝土防治桥头跳车。

3.作为油气管道的保护层。

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