建筑结构抗震材料—纤维增强混凝土(FRC)

 水泥基材料是当今最 大宗的人造建筑材料，发展至今已有170多年的历史。强度一直是混凝土作为重要结构材料的主要性能指标，混凝土高强化是混凝土研究与发展多年来的努力方向。但是混凝土固有的弱点—抗拉、抗弯、抗冲击、抗爆以及韧性差等却仍限制着其优势的充分发挥，并且随着混凝土强度的不断提高，这一弱点也愈益突出。通常认为，混凝土强度越高，其韧性越差，脆性越高，结构延性和抗裂能力越不足，给建筑结构抗震性能带来的安全隐患。因此，长期以来许多学者不断探索改善混凝土上述性能的方法和途径。

 纤维增强混凝土，就是近年来研究和应用最广的新型混凝土之一。它是以水泥浆、砂浆、粗骨料为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料，它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。目前纤维增强混凝土主要有两种：一是高弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是钢纤维；二是低弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是聚丙烯和尼龙纤维。

纤维在水泥基材中的作用主要体现在三个方面：增强、阻裂和增韧作用。

1 / 增强作用

混凝土的抗拉能力只有抗压能力的十分之一左右，在外荷载的作用下往往呈现脆性破坏，从混凝土劈裂试验中可以很明显的看出，普通混凝土试块在达到其极限荷载时突然断裂成两半，是一种脆性破坏（图1）。纤维的掺入,可以有效的提高混凝土的抗拉强度,当基体混凝土出现裂缝时,一部分荷载转移到纤维上,从而提高了混凝土的抗拉能力。掺有纤维的混凝土试块，其劈裂抗拉强度试验的破坏过程呈现出很好的假延性，在达到极限抗拉强度值时并没有突然断裂成两半，而是在中线附近延主裂缝延伸出去很多条微裂缝，但整个试块始终被纤维约束在一起（图2）。

图1 普通混凝土断裂

图2 纤维混凝土断裂

2/ 阻裂作用

 当水泥基材处于塑性状态时,就很容易产生微细裂缝，在硬化过程中则因水分的散失导致干缩裂缝的扩大并产生新的裂缝，纤维加入到水泥基材中可以阻止基材中原有裂缝的扩展并延缓裂缝的产生，从而使复合材料的抗渗、抗冻等性能比基材有显著的提高。普通的水泥基材在硬化以后，当荷载达到基体的开裂荷载时，基体迅速开裂，并沿着主裂缝迅速扩展开导致贯通这个梁截面的脆性断裂。而纤维混凝土由于大量短切纤维的存在，当基体开裂后仍然可以由纤维来继续承担荷载，使纤维增强混凝土呈现出较高的延性，破坏前具有一定的征兆。

张佚伦，邓宗才分别对聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维的早期抗裂性能进行了试验研究，试验结果表明：纤维对混凝土和砂浆的抗裂效果显著，并且在一定范围内随着纤维掺量的增加效果更显著。高性能混凝土，由于水灰比低，自收缩主要发生在早期，会导致混凝土表面形成大量的微裂缝。巴恒静通过试验发现：1 天内自收缩占28 天自收缩值的50%-60%，是高性能混凝土早期开裂的主要原因，在高性能混凝土中掺入一定量的纤维是解决早期开裂的理想途径。清华大学庞新锋采用平板试验的方法，研究了改性聚丙烯腈纤维对高性能混凝土的早期抗裂性能的影响，发现这种改性的聚丙烯腈纤维和砂浆能够很好的粘结在一起，掺入0.12%的纤维可以明显地抑 制混凝土的早期裂缝。

3 / 提高混凝土的变形能力（增韧作用）

纤维增强混凝土在受拉（弯）时，即使基材中已经出现大量的裂缝，仍可以继续承受一定的荷载并具有假延性（pseudo-ductility），从而使复合材料的韧性与抗冲击性得以明显提高。纤维混凝土的这种假延性使得其变形能力比普通混凝土高很多。韩嵘等人采用对比试验的方法，研究了钢纤维混凝土的抗拉应变。试验结果显示出钢纤维混凝土的应力-应变曲线具有明显的下降段，具有很好的假延性。

图3 纤维掺量对混凝土轴心受拉应力—应变曲线的影响

混凝土材料的韧性，即混凝土材料的变形性能和能量吸收能力，对混凝土结构是非常重要的，尤其是提高结构的抗震能力，有着非常重要的意义。研究表明，纤维的加入可显著改善混凝土的弯曲韧性，且随着纤维掺量的增大，混凝土的弯曲韧性指标和剩余强度指标都在增加。

纤维混凝土的弯曲韧性指标通常按照《CECS 13-2009 纤维混凝土试验方法标准》进行测定。

CONTROLS纤维混凝土弯曲韧性试验单元

纤维混凝土弯曲韧性试验（切口梁法）

弯曲韧性以不同挠度下的能量吸收值表示

CONTROLS压力试验机进行FRC纤维混凝土弯曲韧性试验