第二章 國內外規範與文獻回顧
第八節 纖維混凝土之發展與應用
十八世紀初人類發明波特蘭水泥以來，就正式開啟了混凝土材料的利用。由於混 凝土具備耐久性、耐火性能、高抗壓性、易塑性、經濟性等優點，它已成為土木、建 築、水利等構造物的主要材料。惟混凝土強度愈高時，其脆性破壞行為愈顯著，因而 嚴重危及結構體的安全（Metha 及 Monteiro（2006））。巨觀上，混凝土為水泥漿體、
填充材及少量氣泡（孔隙）所組成，透過隨時間及溫度而變的水泥水化作用，將水、
水泥、骨材與摻料等性質迴異的材料凝結組成一多相複合材料。換言之，混凝土性質 可由設計、組成材料之選擇及品質控制來事先決定。鑑此，長久以來已有許多學者探 討改善混凝土抗拉強度、撓曲強度及韌性的方式。其中，在混凝土中添加纖維材料，
可有效提升混凝土的力學性能，尤其是韌性、抗衝擊性、抗裂、疲勞及撓曲強度等工 程性質。
纖維加強混凝土或簡稱纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，FRC）就是採用纖 維提高鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）的性能，使混凝土的抗拉強度、變形 能力、耐動態荷重能力明顯提高。為減少混凝土之裂縫（因乾縮或自體收縮所產生）
及增加抗張延展性和耐火性，市面上已開發出許多不同種類及型式之纖維，並已廣泛 應用在各營建工程。許多專家學者已朝混合不同種類及型式之纖維來研發，期能獲得 更佳的混凝土工程特性，以解決傳統纖維混凝土高纖維含量所衍生的問題（自重增加、
揪結效應等）及增強韌性。例如，Naaman 與 Reinhardt 探討纖維添加量，並最佳化漿 體及纖維間的握裹關係，使其受直接拉力時能呈現類似鋼材般的應變硬化行為，此具 受拉力應變硬化的纖維水泥質複合材料即稱為高性能纖維混凝土（High Performance Fiber Reinforced Concrete，簡稱為 HFRC），如圖 2-19 所示（Naaman 及 Reinhardt
（1996））。有關纖維混凝土之發展與應用，謹列述如下。
圖 2-19 HFRC 與傳統 FRC 之比較
（資料來源：Naaman 及 Reinhardt（1996））
壹、纖維混凝土之發展
RC 是由鋼筋、水泥及骨材所組成，而 FRC 則是在混凝土基材中摻入適量不連續 且均勻分 散之纖纖 維與添加 劑所拌和 而成的一 種複合材 料（ Metha 及 Monteiro
（2006））。事實上，自古以來人類就具有以纖維來補強建築材料的觀念。例如，在泥 磚中加入稻草增加其抗拉強度，或者是以石棉補強黏土柱。隨著科技進步，建築房屋 漸蛻變為使用 RC 來構築，並於二十世紀初期開始研究添加纖維在混凝土中。在 FRC 中，因纖維均勻且亂向分佈，在受載過程中限制與滯後混凝土基材（Matrix）的裂縫 發展，使脆性混凝土變為具有良好韌性的水泥基複合材料，從而具有較高抗震、抗拉 等性能。惟直到 1960 年代以後，FRC 才逐漸應用於實際工程上。至於纖維之種類，
按其材料性質可分為金屬纖維：如鋼纖維、不銹鋼纖維；無機纖維：主要有天然礦物 纖維與人造礦物纖維；有機纖維：主要有合成纖維與植物纖維（沈榮熹等（2006））。
有關各種纖維之典型性質，如抗拉強度、彈性模數、極限伸長率及比重如表 2-9 所示
（ACI Committee 544（1982））。以鋼纖維為例，可按其外型、截面形狀、生產方式、
材料品質及施工用途來分類，而其外型又有長直形圓截面、雙截面、波紋形、啞鈴型、
彎鉤型、平直形、凹凸形、凸痕形、球痕形等（如圖 2-20所示）。
表 2-9 纖維之典型性質
Fiber type Tensile strength (ksi) Young’s modulus (103 ksi) Ultimate elongation (%) Specific gravity
Acrylic 30-60 0.3 25-45 1.1
Asbestos 80-140 12-20 ~0.6 3.2
Cotton 60-100 0.7 3-10 1.5
Glass 150-550 10 1.5-3.5 2.5
Nylon (high tenacity) 110-120 0.6 16-20 1.1
Polyester (high tenacity) 105-125 1.2 11-13 1.4
Polypropylene ~100 0.02-0.06 ~10 0.95
Polyethylene 80-110 0.5 ~25 0.90
Rayon (high tenacity) 60-90 1.0 10-25 1.5
Rock wool (Scandinavian) 70-110 10-17 ~0.6 2.7
Steel 40-400 29 0.5-35 7.8
（資料來源：ACI Committee 544（1982）及本研究整理）
圖 2-20 鋼纖維之型式
（資料來源：本研究整理）
一般而言，鋼纖維長徑比（即纖維長度與直徑的比值）約介於 50~100，摻量一般 為 1~2%（體積百分比）。以低碳鋼或不銹鋼所製成的圓形鋼纖維，其直徑介於 0.25~1 mm 之間；將圓鋼線剪成片狀或壓扁所製成的扁平鋼纖維，其厚度介於 0.15~0.40 mm 之間（湯兆緯等（2002））。玻璃纖維通常都捻成束狀，每一束都包含著數百條的細線。
抗鹼玻璃纖維使用於建築用混凝土嵌板和屋頂版的製造，這些纖維具有高抗拉強度和
彈性模數；但若水泥中的鹼侵蝕玻璃纖維，則強度性質方面的改善將會喪失（湯兆緯 等（2002））。聚丙烯與尼龍纖維的開發起因於石油化學和紡織工業的研究與發展，它 們被視為“軟”纖維，因其彈性模數遠小於玻璃纖維或鋼纖維。當這些纖維加入的體積 百分比很低時（<0.2%），對強度沒有任何的改善；若百分比超過 2%時，則所有的強 度性質都可改善（湯兆緯等（2002））。研究結果已證實，人造纖維可控制塑性縮收裂 縫且有效減少乾縮裂縫；此外，纖維含量愈高，乾縮裂縫可更進一步地減少。這些纖 維的添加量在 0.44 kg/m3以上時，可改善混凝土的韌性，但常導致混凝土的膠結性降 低和坍度損失（湯兆緯等（2002））。每種纖維各有其優缺點，可選擇符合需求的纖維，
將其在混凝土拌合階段加入，並確保其均勻分佈，即成為纖維加強混凝土。
混凝土基材是一種多相、多組分、非勻質的顆粒型脆性複合材料，其拉壓比只有 十分之一左右，致使其阻裂能力相當低。而纖維的摻入，可抑止裂縫引發，進而減少 與縮小裂縫源尺度與數量；在受力過程中，不僅抑制裂縫的引伸與擴展，亦緩和裂縫 尖端應力集中程度。影響 FRC 抗拉強度的因素很多，其中最關鍵的包括纖維、基材特 性及纖維含量。FRC 為一種典型的複合材料，其增強相（纖維）與基材（水泥漿、水 泥砂漿或混凝土）間的區域稱之為界面。界面起著在纖維與基材間傳遞應力的作用，
且破壞通常從界面開始，可見界面特性主宰著複合材料的整體力學性能。在探討 FRC 力學行為方面，可追朔於 1960 年代 Cottrel 與 Wells 等學者對鋼鐵材料之裂縫開裂位移
（Crack Opening Displacement）研究開始（Wells（1961）；Cottrell（1961）；Wells（1963））。 而自 1970 年代至今，學者們先後運用靜動態加載實驗與火害方式，以探討不同材質、
形狀、長徑比及含量之纖維對混凝土基材力學性質或 FRC 構件韌性的影響（Naaman 及 Reinhardt（1996）；Song 及 Hwang（2004）；Maeder 等（2004）；O’Leary 等（1973）；
Swamy（1976）；Hughes（1977）；Velazco 等（1980）；Mindess 及 Bentur（1983）；Khaloo 及 Kim（1996）；Graybeal 及 Davis（2008）；Seung 等（2012））。
為提升傳統混凝土之撓曲能力及改善其工作性，現已發展出具有高流動性及高性 能之 FRC。現今廣受市場接受應用的 FRC 有鋼纖混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC）、玻璃纖維強化混凝土（Glass Fiber Reinforced Concrete，GFRC）、
碳 纖 維 混 凝 土 （ Carbon Fiber Reinforced Concrete ， CFRC ）、 聚 丙 烯 纖 維 混 凝 土
（ Polypropylene Fiber Reinforced Concrete ， PFRC ）、 高 性 能 纖 維 混 凝 土 （ High
Performance Fiber Reinforced Concrete，HFRC）、超高性能纖維混凝土（Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete，UHFRC）等。以 HFRC 或 UHFRC 為例，在直 接拉力作用下，可展現出類似鋼材般的應變硬化行為（如圖 2-21所示），其位於 B 點 的後開裂強度（pc）較 A 點的初開裂強度（cc）來得大（Seung 等（2012））。換言之，
後開裂強度與初開裂強度之比值（pc/cc）須大於 1，才能展現應變硬化行為，且會伴 隨著多重裂縫產生。相較之下，應變軟化 FRC 在初裂後雖不至馬上破壞，但其拉力強 度卻於初裂後有一陡降，並隨著裂縫增大而緩步降低，即為所謂的應變軟化。
圖 2-21 FRC 之應變軟化與應變硬化行為
（資料來源：Seung 等（2012））
實務應用上，混凝土中添加纖維的首要優點是在於減少早期的收縮裂縫。除此之 外，纖維鋼筋混凝土可應用在各種工程上，如隧道襯砌（噴凝土施作）、岩石邊坡穩定、
鋪面、級配支承版、牆嵌板及樓版；此外，亦可用於建築嵌板、屋頂系統（磁磚或屋 頂版）、橋台、儲存槽、停車地版、車道和預鑄桿件等之製造；尤其是，使用於需吸收 大量能量的結構桿件，如抵抗爆炸載重的結構物（湯兆緯等（2002））。
貳、纖維混凝土之增強機理 (1). 增強受拉應力之機理
FRC 強度主要是由水泥漿、骨材、纖維及界面鍵結強度四者所支配。本質上，纖 維與混凝土間之應力傳遞係藉由兩者界面之剪應力與纖維拉應力為之。尤其界面區域 之力學性能及界面的應力傳遞過程，對整個複合材料的宏觀力學性能產生重要影響。
基材開裂前，複合材料所承受之外載力由纖維與基材共同承擔。當基材開裂後，承載 外力之傳遞方式改變，轉由基材經纖維表面界面轉換區將剪力傳遞至鄰近的纖維上。
因纖維抗拉強度與混凝土界面握裹強度不同，造成纖維的破壞模式可分為下列三類（如 圖 2-22所示）（財團法人台灣營建研究中心（1983））：
拉脫破壞：當纖維所承受拉應力大於纖維與基材間之容許剪應力時，即發生剝離 現象。若纖維剝離情形持續，纖維受拉過長，因柏松比作用致使纖維體積側向收 縮，導致混凝土基材與纖維間之握裹力減少，則纖維終被拉脫，造成滑脫破壞。
拉斷破壞：混凝土基材開裂後，雖然纖維之拉應力低於界面容許剪應力，但因纖 維含量少於臨界纖維體積，致使拉應力超過纖維本身的抗拉強度，造成拉斷破壞。
剪力破壞：受到剪應力時，由混凝土基材與纖維共同分擔。若纖維之長徑比過大，
則其抗剪面積小，對纖維混凝土抗剪能力的貢獻不大。一旦剪應力大於纖維本身 的抗剪強度，就會造成剪力破壞。
圖 2-22 纖維之破壞模式
（資料來源：財團法人台灣營建研究中心（1983））
一般而言，為確保最低之抗拉脫力，除使纖維長度大於其臨界長度（lc）外，還可 增加纖維斷面積或表面摩擦阻抗係數，如圖 2-23所示（Domone 及 Illston（2010））。
圖 2-23 纖維臨界長度之示意圖
（資料來源：Domone 及 Illston（2010））
在載重作用下，複合材料內形成許多微裂紋或裂縫，須透過大量短纖維之橋接作 用（Bridge Action），避免造成大的局部應變。短纖維的均勻分佈，可以提高複合材料 的強度與延展性，如圖 2-24所示（Metha 及 Monteiro（2006））。在較大載重作用時，
需要長纖維來橋接離散的大裂縫，如圖 2-24所示。然而，長纖維的體積百分比常較短 纖維者小得多（Metha 及 Monteiro（2006））。此外，長纖維的存在常顯著降低漿體的
需要長纖維來橋接離散的大裂縫，如圖 2-24所示。然而，長纖維的體積百分比常較短 纖維者小得多（Metha 及 Monteiro（2006））。此外，長纖維的存在常顯著降低漿體的