姜赶超 陈 玉

1武汉市规划设计有限公司（430000） 2 重庆长厦安基建筑设计有限公司武汉分公司（430000）

1 纤维混凝土的研究现状

工程建设标准化协会于1992年批准颁布了由大连理工大学等单位编制的《钢纤维混凝土结构设计与施工规程》（CECS 38：92），对推广应用钢纤维混凝土起到了重要作用。

武汉东洲钢纤维发展有限责任公司、武汉理工大学及湖北省恩施州交通局等单位共同研究开发了一种上、下层布式钢纤维混凝土路面，在降低钢纤维混凝土路面造价和简化施工工艺方面取得了重要突破，属国内首创。

武汉理工大学的李卓球等于1998年首次提出了碳纤维混凝土的Seebeck 效应，并于2001年系统地研究了碳纤维混凝土和素混凝土的力电机敏性，开展了基于力电效应的机敏混凝土结构应用研究[1]。

2 纤维混凝土的种类及其主要应用领域

2.1 钢纤维混凝土

2.1.1 简介

钢纤维混凝土 （STEEL FIBER REINFORCED CONCRETE）简称SFRC，是在普通混凝土中掺入乱向分布的短钢纤维所形成的一种新型的多相复合材料。这些乱向分布的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微小裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性[2]。

2.1.2 主要应用领域

近20年来，国内外对钢纤维混凝土的力学和结构性能做了大量的研究，并将其用于道路、桥梁、隧道、建筑、港口等工程以及耐火材料结构中。

1）钢纤维混凝土应用于水工建筑物。水工建筑物，特别是其水下部分，对混凝土的要求具有一定的特殊性。水工建筑物一般都淹没在水下或处于水位变化区，这就要求混凝土具有更高的抗渗性、抗裂性和抗冻融性，而钢纤维混凝土能够在很大程度上满足这些要求。

2.2 碳纤维混凝土

2.2.1 简介

碳纤维混凝土（CARBON FIBER REINFORCED CONCRETE）简称CFRC，是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而形成的纤维状的化合物。碳纤维的主要特点是强度和模量高、相对密度小，其相对密度不到钢的1/4，比强度和比模量较钢材大；具有良好的化学稳定性能，不受酸、盐等介质侵蚀；线膨胀系数小，甚至为负值，有很好的耐高温蠕变性能，一般碳纤维在1900 ℃以上才呈现出永久塑性变形。此外，碳纤维还具有摩擦系数小，润滑性、导电性高等特点[3]。

2.2.2 主要应用领域

目前，大量的基础性设施，包括房屋建筑、道路、桥梁、水坝等，已经暴露出混凝土开裂问题，而钢筋锈蚀膨胀又加速了裂缝的发展。最新研究表明，使用碳纤维和玻璃纤维复合增强混凝土不但可以有效地扼制开裂，而且还解决了常规钢筋的腐蚀问题。

在日照及温度变化等因素的作用下，混凝土结构物的内部会形成较大的温度梯度，从而产生相应的温度变形。国内外研究表明，碳纤维或碳/芳纶混杂纤维可以有效抑制混凝土的温度变形。

有关试验表明，利用中空碳纤维的纳米孔洞效应和波动特性，可以实现弹性波和声波在混凝土结构中的强力衰减。该研究对建筑物的减振降噪、桥梁的减振处理、城市道路和高速公路的消能降噪都具有深远的意义。

本文针对爪极永磁式交流测速电机，设计了一种宽范围实时滤波测速算法。首先，阐述了该型测速电机的机械结构和工作原理；其次，针对结构不对称条件下测速电机的特性，建立了测速模型；然后，针对基于测速电机的传统测速电路得到的转速测量值是1个或多个感应电动势半波的平均有效值，无法准确反映实时转速值，以及存在低速测速盲区的问题，提出了一种交互双模自适应降阶无迹卡尔曼滤波算法，以期能够实时、宽范围估计被测转速，提高测速的精度和鲁棒性；最后，通过仿真验证了本文所提测速方法的有效性。

2.3 玻璃纤维混凝土

2.3.1 简介

玻璃纤维水泥基复合材料 （Glass Fiber Reinforced Cement or Concrete）简称GFRC，是一种具有相当大潜力的新型建筑材料；它是一种用水泥砂浆作为母材、抗碱玻璃纤维作为增强材料的混合材料。

2.3.2 主要应用领域

玻璃纤维混凝土在水利水电工程中有良好的应用前景，如渠道防渗、水工混凝土的加固和修补、边坡的支护、地下工程和道路工程等。基于最紧密堆积理论制备的玻璃纤维混凝土，具有抗折性能好、耐磨性好、收缩小等特点。另外，玻璃纤维混凝土亦可用于建筑装饰工程，它具有类似石材的质感，造型细腻逼真；强度高、坚固耐用、力学性能好，是一种优秀的新型建筑装饰材料[4]。

2.4 合成纤维混凝土

2.4.1 简介

20 世纪60年代前期，国外已经有人在研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能性，发现掺入尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。合成纤维能有效改善混凝土性能，而且成本不高，具有较高的性价比。目前应用较多的合成纤维有碳纤维以及聚丙烯、聚乙烯醇、聚酰胺类、芳族聚酰胺和聚酯类纤维。另外，还有聚乙烯、聚丙烯腈纤维。

2.4.2 主要应用领域

合成纤维混凝土在渠道防渗工程中应用较多。普通的水泥混凝土常常会出现不同程度的裂缝，这不仅加大了渠道的渗漏损失，而且影响渠道的使用寿命。合成纤维混凝土的抗拉强度高，用其作为渠道防渗材料时可以适当减小混凝土的厚度，所节省的工程投资基本上可以抵消因使用合成纤维混凝土而增加的费用，在不增加工程投资的情况下，混凝土的抗裂能力和抗渗能力明显得到提高，因而可以提高工程的经济效益、延长工程的使用寿命[5]。

3 纤维混凝土的增强机理

纤维间距理论和符合力学理论从不同的角度解释了纤维增强水泥基体性能的机理，纤维的加入使混凝土中的原始缺陷减少，细、微观结构得到改善，从而使混凝土的抗渗性、抗冲击性和耐久性得到提高。

3.1 纤维间距理论

纤维间距理论由美国学者Romualdi 提出，其根据线弹性断裂力学原理，分析纤维对混凝土中裂缝的阻裂作用，得出纤维混凝土的抗拉强度计算公式：

式中：fft为纤维混凝土的抗拉强度；K是由纤维与混凝土集体界面黏结强度决定的常数；S为界面纤维的平均间距（S=13.8df，df为钢筋纤维直径，P为纤维的体积率，P=100ρf）；SC为钢纤维产生增强作用的间距上限值；ft是基体的抗拉强度。

纤维间距理论假定，纤维和基体间的黏结是完好的。该理论认为，在混凝土内部存在着不同尺度及不同形状的孔缝、微裂纹等缺陷；当受到外力作用时，这些缺陷部位将产生应力集中，从而引起裂纹扩展，进而导致混凝土结构被过早破坏。要提高混凝土的强度，必须减小混凝土中原始缺陷的数量和尺寸；当纤维的间距小于某一值时，混凝土的抗拉强度就会提高[6]。

3.2 复合力学理论

复合力学理论由英国学者Swamy 提出，其出发点是复合材料构成的混合原理。复合力学理论是基于线弹性、匀质顺向配置连续纤维混凝土复合材料而提出的。该理论将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。在水泥基体与纤维完全黏结的条件下，假设基体和连续纤维构成的复合体上的纤维是同方向配置于基体中，并同时拉伸受力，则该水泥基体与纤维的复合体的强度，是由纤维与基体的体积比和应力所决定的，表达式为：

式中：σf，σm分别为纤维混凝土和基体的抗拉强度；σm为纤维混凝土达到抗拉强度时纤维的拉应力；P为单位体积内的基体体积和纤维体积，P=100ρf。

该理论应用混合原理推定纤维混凝土的抗拉强度，提出了纤维混泥土的抗拉强度与纤维的掺入量、方向、径长比及黏结力之间的关系。纤维与基体界面黏合，沿纤维方向承受力；外力通过基体传递给纤维，使纤维混凝土复合材料的抗拉强度和弹性模量有所增加，从而改善了混凝土的各项性能指标，延长了混凝土的使用寿命。

4 纤维混凝土的发展前景

从国内外相关研究成果来看，纤维的掺加将大幅改善混凝土的品质，提高混凝土的综合性能。随着技术的发展，已解决了纤维混凝土拌合物搅拌困难、纤维与混凝土的黏结力较弱等问题。目前，纤维混凝土在重要的道路路面，防裂和抗冲磨要求高的工程及防水要求高的工程中已经发挥了重要的作用。在混凝土中加入纤维，能够有效抑制混凝土收缩，从而减少混凝土收缩裂缝，提高混凝土的抗裂性和韧性；还可以改变混凝土的破坏形态。纤维增强混凝土的基础理论研究和工程应用已取得了较大成就，但仍有许多问题有待深入研究，如目前还没有关于纤维混凝土应用的详细的规范和技术性文件；纤维在水泥基材料中的均匀分散性仍是纤维混凝土应用中的难题；对纤维混凝土的微观力学分析则更少，需加强对增强机理的研究。随着对纤维混凝土的理论、试验研究及工程应用研究的不断深入，纤维混凝土将会有非常广阔的发展前景[7]。

5 结语

在混凝土中加入纤维能够有效控制混凝土收缩，减少混凝土裂缝，提高混凝土的抗裂性和韧性。相较于普通混凝土，各种结构形式的纤维混凝土都具有明显的优点，但是目前在实际应用方面还存在一定的局限性，需要进一步的研究和探讨。