姜趕超 陳 玉

1武漢市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司（430000） 2 重慶長(zhǎng)廈安基建筑設(shè)計(jì)有限公司武漢分公司（430000）

1 纖維混凝土的研究現(xiàn)狀

工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于1992年批準(zhǔn)頒布了由大連理工大學(xué)等單位編制的《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》（CECS 38：92），對(duì)推廣應(yīng)用鋼纖維混凝土起到了重要作用。

武漢東洲鋼纖維發(fā)展有限責(zé)任公司、武漢理工大學(xué)及湖北省恩施州交通局等單位共同研究開發(fā)了一種上、下層布式鋼纖維混凝土路面，在降低鋼纖維混凝土路面造價(jià)和簡(jiǎn)化施工工藝方面取得了重要突破，屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。

武漢理工大學(xué)的李卓球等于1998年首次提出了碳纖維混凝土的Seebeck 效應(yīng)，并于2001年系統(tǒng)地研究了碳纖維混凝土和素混凝土的力電機(jī)敏性，開展了基于力電效應(yīng)的機(jī)敏混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用研究[1]。

2 纖維混凝土的種類及其主要應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 鋼纖維混凝土

2.1.1 簡(jiǎn)介

鋼纖維混凝土 （STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE）簡(jiǎn)稱SFRC，是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微小裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性[2]。

2.1.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

近20年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼纖維混凝土的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能做了大量的研究，并將其用于道路、橋梁、隧道、建筑、港口等工程以及耐火材料結(jié)構(gòu)中。

1）鋼纖維混凝土應(yīng)用于水工建筑物。水工建筑物，特別是其水下部分，對(duì)混凝土的要求具有一定的特殊性。水工建筑物一般都淹沒在水下或處于水位變化區(qū)，這就要求混凝土具有更高的抗?jié)B性、抗裂性和抗凍融性，而鋼纖維混凝土能夠在很大程度上滿足這些要求。

2.2 碳纖維混凝土

2.2.1 簡(jiǎn)介

碳纖維混凝土（CARBON FIBER REINFORCED CONCRETE）簡(jiǎn)稱CFRC，是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而形成的纖維狀的化合物。碳纖維的主要特點(diǎn)是強(qiáng)度和模量高、相對(duì)密度小，其相對(duì)密度不到鋼的1/4，比強(qiáng)度和比模量較鋼材大；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性能，不受酸、鹽等介質(zhì)侵蝕；線膨脹系數(shù)小，甚至為負(fù)值，有很好的耐高溫蠕變性能，一般碳纖維在1900 ℃以上才呈現(xiàn)出永久塑性變形。此外，碳纖維還具有摩擦系數(shù)小，潤(rùn)滑性、導(dǎo)電性高等特點(diǎn)[3]。

2.2.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

目前，大量的基礎(chǔ)性設(shè)施，包括房屋建筑、道路、橋梁、水壩等，已經(jīng)暴露出混凝土開裂問題，而鋼筋銹蝕膨脹又加速了裂縫的發(fā)展。最新研究表明，使用碳纖維和玻璃纖維復(fù)合增強(qiáng)混凝土不但可以有效地扼制開裂，而且還解決了常規(guī)鋼筋的腐蝕問題。

在日照及溫度變化等因素的作用下，混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部會(huì)形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生相應(yīng)的溫度變形。國(guó)內(nèi)外研究表明，碳纖維或碳/芳綸混雜纖維可以有效抑制混凝土的溫度變形。

有關(guān)試驗(yàn)表明，利用中空碳纖維的納米孔洞效應(yīng)和波動(dòng)特性，可以實(shí)現(xiàn)彈性波和聲波在混凝土結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)力衰減。該研究對(duì)建筑物的減振降噪、橋梁的減振處理、城市道路和高速公路的消能降噪都具有深遠(yuǎn)的意義。

本文針對(duì)爪極永磁式交流測(cè)速電機(jī)，設(shè)計(jì)了一種寬范圍實(shí)時(shí)濾波測(cè)速算法。首先，闡述了該型測(cè)速電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理；其次，針對(duì)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱條件下測(cè)速電機(jī)的特性，建立了測(cè)速模型；然后，針對(duì)基于測(cè)速電機(jī)的傳統(tǒng)測(cè)速電路得到的轉(zhuǎn)速測(cè)量值是1個(gè)或多個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)半波的平均有效值，無法準(zhǔn)確反映實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值，以及存在低速測(cè)速盲區(qū)的問題，提出了一種交互雙模自適應(yīng)降階無跡卡爾曼濾波算法，以期能夠?qū)崟r(shí)、寬范圍估計(jì)被測(cè)轉(zhuǎn)速，提高測(cè)速的精度和魯棒性；最后，通過仿真驗(yàn)證了本文所提測(cè)速方法的有效性。

2.3 玻璃纖維混凝土

2.3.1 簡(jiǎn)介

玻璃纖維水泥基復(fù)合材料 （Glass Fiber Reinforced Cement or Concrete）簡(jiǎn)稱GFRC，是一種具有相當(dāng)大潛力的新型建筑材料；它是一種用水泥砂漿作為母材、抗堿玻璃纖維作為增強(qiáng)材料的混合材料。

2.3.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

玻璃纖維混凝土在水利水電工程中有良好的應(yīng)用前景，如渠道防滲、水工混凝土的加固和修補(bǔ)、邊坡的支護(hù)、地下工程和道路工程等?；谧罹o密堆積理論制備的玻璃纖維混凝土，具有抗折性能好、耐磨性好、收縮小等特點(diǎn)。另外，玻璃纖維混凝土亦可用于建筑裝飾工程，它具有類似石材的質(zhì)感，造型細(xì)膩逼真；強(qiáng)度高、堅(jiān)固耐用、力學(xué)性能好，是一種優(yōu)秀的新型建筑裝飾材料[4]。

2.4 合成纖維混凝土

2.4.1 簡(jiǎn)介

20 世紀(jì)60年代前期，國(guó)外已經(jīng)有人在研究用合成纖維作為水泥砂漿增強(qiáng)材料的可能性，發(fā)現(xiàn)摻入尼龍、聚丙烯、聚乙烯等纖維有助于提高砂漿的抗沖擊性。合成纖維能有效改善混凝土性能，而且成本不高，具有較高的性價(jià)比。目前應(yīng)用較多的合成纖維有碳纖維以及聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺類、芳族聚酰胺和聚酯類纖維。另外，還有聚乙烯、聚丙烯腈纖維。

2.4.2 主要應(yīng)用領(lǐng)域

合成纖維混凝土在渠道防滲工程中應(yīng)用較多。普通的水泥混凝土常常會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫，這不僅加大了渠道的滲漏損失，而且影響渠道的使用壽命。合成纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度高，用其作為渠道防滲材料時(shí)可以適當(dāng)減小混凝土的厚度，所節(jié)省的工程投資基本上可以抵消因使用合成纖維混凝土而增加的費(fèi)用，在不增加工程投資的情況下，混凝土的抗裂能力和抗?jié)B能力明顯得到提高，因而可以提高工程的經(jīng)濟(jì)效益、延長(zhǎng)工程的使用壽命[5]。

3 纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理

纖維間距理論和符合力學(xué)理論從不同的角度解釋了纖維增強(qiáng)水泥基體性能的機(jī)理，纖維的加入使混凝土中的原始缺陷減少，細(xì)、微觀結(jié)構(gòu)得到改善，從而使混凝土的抗?jié)B性、抗沖擊性和耐久性得到提高。

3.1 纖維間距理論

纖維間距理論由美國(guó)學(xué)者Romualdi 提出，其根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)原理，分析纖維對(duì)混凝土中裂縫的阻裂作用，得出纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式：

式中：fft為纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度；K是由纖維與混凝土集體界面黏結(jié)強(qiáng)度決定的常數(shù)；S為界面纖維的平均間距（S=13.8df，df為鋼筋纖維直徑，P為纖維的體積率，P=100ρf）；SC為鋼纖維產(chǎn)生增強(qiáng)作用的間距上限值；ft是基體的抗拉強(qiáng)度。

纖維間距理論假定，纖維和基體間的黏結(jié)是完好的。該理論認(rèn)為，在混凝土內(nèi)部存在著不同尺度及不同形狀的孔縫、微裂紋等缺陷；當(dāng)受到外力作用時(shí)，這些缺陷部位將產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而引起裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)被過早破壞。要提高混凝土的強(qiáng)度，必須減小混凝土中原始缺陷的數(shù)量和尺寸；當(dāng)纖維的間距小于某一值時(shí)，混凝土的抗拉強(qiáng)度就會(huì)提高[6]。

3.2 復(fù)合力學(xué)理論

復(fù)合力學(xué)理論由英國(guó)學(xué)者Swamy 提出，其出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理。復(fù)合力學(xué)理論是基于線彈性、勻質(zhì)順向配置連續(xù)纖維混凝土復(fù)合材料而提出的。該理論將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系，并應(yīng)用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度。在水泥基體與纖維完全黏結(jié)的條件下，假設(shè)基體和連續(xù)纖維構(gòu)成的復(fù)合體上的纖維是同方向配置于基體中，并同時(shí)拉伸受力，則該水泥基體與纖維的復(fù)合體的強(qiáng)度，是由纖維與基體的體積比和應(yīng)力所決定的，表達(dá)式為：

式中：σf，σm分別為纖維混凝土和基體的抗拉強(qiáng)度；σm為纖維混凝土達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)纖維的拉應(yīng)力；P為單位體積內(nèi)的基體體積和纖維體積，P=100ρf。

該理論應(yīng)用混合原理推定纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度，提出了纖維混泥土的抗拉強(qiáng)度與纖維的摻入量、方向、徑長(zhǎng)比及黏結(jié)力之間的關(guān)系。纖維與基體界面黏合，沿纖維方向承受力；外力通過基體傳遞給纖維，使纖維混凝土復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和彈性模量有所增加，從而改善了混凝土的各項(xiàng)性能指標(biāo)，延長(zhǎng)了混凝土的使用壽命。

4 纖維混凝土的發(fā)展前景

從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果來看，纖維的摻加將大幅改善混凝土的品質(zhì)，提高混凝土的綜合性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，已解決了纖維混凝土拌合物攪拌困難、纖維與混凝土的黏結(jié)力較弱等問題。目前，纖維混凝土在重要的道路路面，防裂和抗沖磨要求高的工程及防水要求高的工程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。在混凝土中加入纖維，能夠有效抑制混凝土收縮，從而減少混凝土收縮裂縫，提高混凝土的抗裂性和韌性；還可以改變混凝土的破壞形態(tài)。纖維增強(qiáng)混凝土的基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用已取得了較大成就，但仍有許多問題有待深入研究，如目前還沒有關(guān)于纖維混凝土應(yīng)用的詳細(xì)的規(guī)范和技術(shù)性文件；纖維在水泥基材料中的均勻分散性仍是纖維混凝土應(yīng)用中的難題；對(duì)纖維混凝土的微觀力學(xué)分析則更少，需加強(qiáng)對(duì)增強(qiáng)機(jī)理的研究。隨著對(duì)纖維混凝土的理論、試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用研究的不斷深入，纖維混凝土將會(huì)有非常廣闊的發(fā)展前景[7]。

5 結(jié)語

在混凝土中加入纖維能夠有效控制混凝土收縮，減少混凝土裂縫，提高混凝土的抗裂性和韌性。相較于普通混凝土，各種結(jié)構(gòu)形式的纖維混凝土都具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是目前在實(shí)際應(yīng)用方面還存在一定的局限性，需要進(jìn)一步的研究和探討。