2014届
本科毕业英文翻译
英文文献题目：
Fibre reinforced cement-based (FRC) composites after over 40 years of development in building and civil engineering
中文翻译题目：纤维加强水泥基（FRC）复合材料在民用建筑
中四十多年的发展
姓名：学号： 2
专业班级：土院部：建筑工程学院
指导教师：黄娟
纤维加强水泥基（FRC）复合材料在
民用建筑中四十多年的发展
摘要：纤维很早就用来加强脆性基质：例如，稻草和马鬃与黏土混合起来制作砖和地板。在现代技术中，Romualdi 在1963、1964 年在他的两篇文章中首次提出将钢纤维分散加固混凝土，从那开始，在水泥基中分散纤维的概念就得到了相当的发展：全世界出现数以百计的书籍和论文,以及有关在房屋建筑和土木工程结构的章。
过去四十年后回顾,令人高兴的是目前的对纤维加固混凝土的认识和技术、成就和不足之处的相互发展当然是积极地。我们拥有大量基于理论解决和实验研究上的认知，从高强复合材料演变而来的试验方法也是相当有效的。但是由于当初的发展并不是针对这个领域，所以实际应用并不是很多。
本文主要是对针对纤维加强水泥基复合材料的测试方法和未来的发展前景进行讨论。在简短的各种分布纤维的认识和应用技术之后，我们将关注一下计算方法和设计途径。由于缺乏基于性能的标准，阻碍了纤维加强水泥基在结构工程中的大量实际应用。我们不得不承认纤维坚强混凝土的花费和相关技术手段也是妨碍它在普通结构工程中应用的一大障碍。但是另一方面纤维加强混凝土在拥有特殊要求的结构中的成功应用也是令人满意的，或许未来的发展也会在这个方向上。
关键词:纤维；水泥基；纤维增强混凝土(FRC)；高性能混凝土(HPC)
1.介绍
混凝土是目前为止最重要的建筑材料而且它的使用量也是在全球所有国家和地区呈增长趋势。其原因是多重的:它的组件可以随处得到并且相对便宜,其生产工序比较简单,其应用范围覆盖了多种多样的建筑和民用基础设施。此外,由于最近的30 年里,它的发展有了新动向:高性能混凝土(HPC)。这种新型建筑材料的定义是“一种混凝土为特定的环境和应用而开发其中特定的性能”，这种特定性能不仅是指高强度，也包括提高耐久性、对各种外部荷载的抵抗力、硬化速率、更好的外观等。
混凝土唯一的缺点是它的脆性,即抗拉强度相对较低以及对裂纹的产生和扩
展抵抗力差。在与混凝土类似的脆性材料的发展中，分散纤维加固发挥着重要作用。在圣经时代，大约3500 年以前，像粘土砖这样的脆性材料便已经采用了马鬃和其他植物纤维来进行加固了。纤维加固的概念在现代有了进一步发展，如脆性的水泥基用石棉纤维来加固，并用1900 年的Hatschek 技术来制造屋面板和管道等等。后来Biryukovichs 提出采用玻璃纤维来进行脆性水泥基的加固，可普通的玻璃纤维在强碱性的勃兰特水泥中没有足够的抵抗性和耐久性，接着Majumdar 和Ryder 通过添加锆石氧化物发明了具有耐碱性的玻璃纤维（AR）并且Romualdi 和他的合作者第一次发表的论文，对钢纤维加固混凝土产生了重大的影响。
混凝土作为一种如此优秀的建筑材料，通过对外加剂和掺和料的改进，通过预制和现场浇注方法的不断改进，再加上与开发的尖端测试方法的应用，纤维加固混凝土导致30 多年后出现里一批又一批优秀的满足各种不同要求的建筑也绝对不足为奇。
本篇文章的目的在于描述纤维加固混凝土的理论和技术的现状并且讨论它们应用的主要方向：主要是集中在高层建筑、大跨度桥梁、高速公路、机场道路以及其他各种突出建筑的结构混凝土上。原因很明显，因为除改性混凝土外普通混凝土已经可以满足低性能建筑结构和非结构构件的要求。
2.基质和纤维
水泥基质在最近的40 年里已经有了相当的发展，但是主要组件还是勃兰特水泥和各种不同种类粗细骨料，以及其他几种成分如高效减水剂、外加剂和细微填充物。但是各种成分的比例却已经改变了。根据不同的用途有多种型号的勃兰特水泥进行选择，国内或国际公司提供各种改性的水泥：高强水泥、低强水泥、高强早硬水泥、低水化热水泥、耐酸性水泥、低CA3 水泥和各种各样的混合水泥。如外加剂含量达到70%的粉煤灰和矿渣水泥。接下来介绍的是外加剂和掺和料，可以改变水泥搅拌时和硬化后的性质。有：高效减水剂，引气剂，微型填充物和二次胶结材料：粉煤灰、火山灰、稻草灰等等。其实二元三元或四元水泥主要是根据不同的胶结复合材料来区分的。作为骨料,不仅使用碎石与天然碎石沙子，也要关注各种个人造材料，精心挑选的骨料按照确定的比例混合。在混凝土中有很多废料可以使用，包括可再生骨料用以降低花费并满足日益严格的生态环境和可持续发展要求。因此，混凝土尤其是满足特殊要求的混凝土变成了相当复杂的
材料，必须精确制造以提供合格的比例来满足特定的工程。这种混凝土的设计需要很深的认识和丰富的经验；同样让人担心的是相应技术手段的采用，在任一阶段都要有能胜任的技术人员。
一般来说现在的混凝土比20 世纪前半期的更具脆性，具有更高的强度和更高的水化热，所以经常有较差的耐久性，比如不进行特殊设计的话，对外界环境的强烈作用有更差的抵抗力。所以就有了高性能混凝土作为补救措施，后面描述的混凝土一般都有不同形式的纤维加强。这些短纤维分布的主要作用就是控制裂缝的开展和扩张。结构混凝土中几种基本的纤维根据它们的材料进行了分类：—不同形状和尺寸的钢纤维和微型纤维；
—玻璃纤维，在水泥基质中仅使用抗碱纤维；
—合成纤维，不同材质制成：丙纶,、聚乙烯和聚烯烃、聚乙烯醇(PVA)等；—碳、沥青和聚丙烯腈（PAN）纤维。
自然植物纤维不适用于高性能结构混凝土，但是可以用于普通混凝土。石棉纤维因为他们对人体健康有害而完全不用于结构当中，而用聚合物纤维等代替。当然钢纤维仍是结构混凝土中最重要的，下面图1 中举了一些例子：两端弯起钩
子并且制造出各种形状用来加强和水泥基质的粘结，来提高有效率。
图1：变形后钢纤维举例，Sujivorakul 和 Naaman
纤维对水泥基质开裂的影响解释于图2，由于纤维的存在原本大的裂缝被微型的裂缝群所取代，使裂缝控制在安全性和感官方面均可接受的范围。从表1 的数据中可清楚地了解到纤维所起的作用。分布在水泥基中纤维的数量用纤维的体积分数来表示，只有体积分数达到3%才予以考虑，因为过高的体积分数需要如下的特殊技术才能达到；细小的纤维由于在水泥基质中密布，可以有效控制微裂缝的
产生和发展。达到50—80mm 的较长的纤维可以控制大的裂缝并最终加强纤维击鼓混凝土的强度，如图3、4.
图:2：受拉情况下加强混凝土和纤维加强混凝土裂缝情况
表1：加强混凝土的微裂缝和纤维体积分数关系
图3：长短纤维控制裂缝开展后结构性质
图4：长短纤维控制微裂缝及其对应力—裂缝开孔曲线的影响随着纤维体积率和有效率的增加，纤维对刚纤维加强混凝土的影响使其在荷载作用下的表现完全不同，如图5 和应力应变图所示。普通的钢纤维加强混凝土的特征是一开始应力接近线性增长，在第一个裂缝形成之后有一个缓慢的下降，
即所谓的分支软化。相反，在纤维加固比较充足的地方，第一个裂缝出现后会有应变硬化阶段，伴随着多处开裂能够有效的吸收大量能量，接着出现分支软化。在图5 中一般加强混凝土和高性能纤维加强水泥基复合材料的主要区别非常明显，纤维加强在弯曲作用下对混凝土表现的影响见图6，该图说明了怎样才能设计出满足特殊要求的梁。
除了钢纤维以外，还有具有高抗拉强度的聚乙烯醇纤维或是单根的聚丙烯纤维，长度从10 到80mm，直径从0.5 到1.5mm 不等，利用高体积分数(0.5-2.0%)来加强混凝土的强度和韧度，以及混凝土构件的抗冲击和疲劳强度。低弹性模量的聚丙烯纤维有两种不同的应用。少量应用（1.0 公斤/立方米）来控制最初几小时内早期混凝土的收缩龟裂。在这个初始阶段内，早期混凝土的杨氏弹性模量和分布纤维的很接近。聚丙烯纤维也用于分布在公寓建筑的剪力墙内，因为在火灾或高温情况下，纤维融化制造出空间缓解内部压力，延缓混凝土的破坏。
3.特殊种类的高性能纤维加强混凝土
特殊混凝土一般包括工程延性复合材料（ECC）和活性粉末混凝土（RPC），这种混凝土利用体积分数相对较低的随机合成短纤维和大量勃兰特水泥以及其它辅助粘合材料和高效脱水剂形成非常高的混凝土性能。举例来说，不得不提的是天才产品Ductal and BSI。在20 世纪90 年代早期的法国已经出现了超高强混凝土（UHC），使得获得抗压强度达到800MPa 抗拉强度达到100MPa 的混凝土成为可能。这种混凝土没有粗骨料，最大尺寸的骨料也只有0.3mm。为了增加其耐久性，钢纤维的体积分数达到5%，并加入了不到3mm 的微纤维；其他组分包括硅粉，石英，高效减水剂，以及大量勃兰特水泥（1000 公斤/立方米）。这种混凝土以Ductal 命名在法国Lafarge生产，强度达到100—200MPa，用于制造混凝土桥和预制构件。一般混凝土和Ductal 混凝土在压力下的应力挠度曲线对比见图7。
图 7：普通混凝土和 Ductal 混凝土在压力下的应力挠度曲线对比另一种类似的混凝土是BSI，一种固化纤维加固混凝土，用于制作针对特殊应用的预混干组件，由Eiffage Construction（法国）公司推出。BSI不需要热养护，可以直接浇铸成型。28天后，便由于内部纤维的作用而拥有8—10MPa的抗拉强度，并且具有150MPa的特征抗压强度。这种混凝土不用被动的加固措施，因此用BSI混凝土可以制造出厚度不到1英寸的结构构件来。自压实混凝土（SCC）和自调平混凝土（SLC）可以本身流平而不需要外界的震动或搅拌，因而减少了成分离析和应力集中的产生。较高含量的细骨料和高强水泥再加上水合高效减水剂的适当比例可使体积降低到270mm。SCC混凝土便可以毫无困难的穿过密集的分布加强纤维。混凝土的延性也随着微型纤维的加入而得以加强。SLC在厂房楼板没有额外的场地进行校平时非常有用。这些高性能混凝土混合加固是用不同尺寸的钢纤维,这有助于产生不同的力学性能,增加控制裂纹的抗拉强度、改善延性等。细微纤维的加入对混凝土的抗压强度有很大的影响，但是对抗拉强度影响不是很明显。长的钢纤维则产生另种性质，更高的强度和更好的韧性。在混合纤维加固系统中，两者则有着相互协调的作用。硅是一种活性很强的成分，可以提高混凝土的强度，也可以代替5% - 10%的普通硅酸盐水泥获得一种高性能混凝土。当混凝土长期暴露在外界并受各种各样的气候条件影响时，对各种有害成分和水的渗透性的提高就显得格外重要。SF用来防止碱性骨料反应（AAR），降低碳元素和氯离子的侵入，控制与延迟钙矾石的形成。除了SF还有其他微型纤维的使用，例如：偏高领土。碳纤维增强砂浆(CFRM)和碳纤维加固混凝土(CFRC)都是很具有吸引力的材料，因为它们具有很高的抗弯强度、韧性和较低的干缩性，以及它们的良好的电敏性能。沥青碳纤维的成本相对较低因而广泛应用于桥梁及其它土木工程中。在海水腐蚀性较强的和风力较大的地区考虑到耐久性等问题也可能采用钢纤维。
SIFCON（渗透浆纤维混凝土）是一种很强的复合材料，它利用新技术在其内含有相当高的钢纤维体积率。纤维预先放置在模具里面利用水泥浆的渗透来形
成。纤维体积率可达到8-12%,有时甚至更高，100—200mm的纤维也被使用。水泥渗透浆里面填满细砂、微型骨料以及其它特殊的添加剂，例如粉煤灰和硅灰等。对于模具里面的致密的纤维来说，渗透浆的高流动性（低粘度）是非常必要的。用SIFCON制造的构件能很好的抵抗高强的局部作用和渗透作用。当用草柳苇竹垫代替单根的纤维使用时产生了SIFCON这个名词。两种材料的主要应用领域有重型人行道、反恐盾牌,地方国债银行的墙壁,等可以接受材料以及特殊技术的额外费用的地方。
4.纤维加强混凝土材料的设计与组成
对于纤维加固混凝土复合材料的各种应用中，如果没有必要验证强度，那么设计的时候可以采用试验获得的结果纤维加固的影响与纤维的体积率和有效度成正比例关系。由于加固纤维占成本的很大一部分，所以普通的应用（工业楼板，人行道路等）体积率一般控制在0.5%或更低。另外随着体积率的增加正确分布纤维的难度也有提高，而且这方面的原因经常要考虑到。纤维加强混凝土材料的弯曲韧性传统方法通过ASTMC 1018，为此，对梁在弯曲作用下进行了标准试验，荷载挠度曲线见图8，所谓的弯曲韧性指标I5, I10, I30可计算得出。结果可一定量估计纤维如何影响荷载挠度曲线。但是对其精度指标存在几种异议，但是这种方法还是得到了广泛的应用。该方法也适用于纤维后其它混合组成对挠度影响的效率。在结构构件当中，在拉应力需要核实的地方，一些程序用于确定所谓的等效强度Feq。例如，根据日本规范，等效强度是通过梁的弯曲等效计算的。
其中Tb表示梁的挠度达到跨度的1/150时梁端的弯矩值，b表示梁的宽度，h表示梁的高度。
图8.梁在弯曲作用下的荷载挠度曲线
由于缺乏普遍认可的计算方法，现在的纤维加固混凝土材料各个行业各自的规范和试验方法也是该材料在设计当中有较大突破的一个障碍。对钢纤维和其他纤维(玻璃纤维、碳纤维等),提出了几种不同的实验方法，应用于不同的承包商和纤维生产商。
5.纤维加固混凝土材料在土木工程中的应用
钢纤维分散加固在很多国家的工业厂房和人行道路中都有很广泛的应用，这也可能是最重要的一个领域。也有一些结构构件将刚欣慰和钢筋共同使用，例如经常受到冲击和疲劳破话影响的构件，处于地震带的建筑物的柱和一些耐火结构等。玻璃纤维用于外部包覆、立面板块和其它结构构件当中，这些时候就需要她的加强效果，特别是施工期间。天然植物纤维（纤维素浆、竹、麻、亚麻、黄麻、苎麻纤维等等）在一些植物随处可得的国家和地区有广泛的使用，应用植物纤维的构件在发展中国家和地区是非常重要的。在最近几年，一些分布钢纤维混凝土成功应用于预应力混凝土桥梁，在图9当中是法国一座桥梁的横断面。
6.总结
各种各样的高性能混凝土、超高性能混凝土、纤维加强混凝土的快速发展导致了一批又一批优秀建筑材料的产生。如今，很多优秀的结构和特殊情况下的结