纖維混凝土高溫性能研究的概述

褚選選 陶少華

摘 要：纖維混凝土在各項(xiàng)工程中得到日益廣泛的應(yīng)用，對改善工程質(zhì)量并提高長期耐久性發(fā)揮了很好的作用。纖維混凝土是當(dāng)代迅速發(fā)展的新型復(fù)合建筑材料，可克服水泥基體材料的抗拉強(qiáng)度等力學(xué)缺點(diǎn)，滿足工程要求。對纖維混凝土高溫性能的研究，應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值將會(huì)十分可觀。

關(guān)鍵詞：纖維混凝土；高溫性能；生產(chǎn)建設(shè)

1 纖維混凝土

1.1 纖維混凝土定義

以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬纖維、無機(jī)非金屬纖維、合成纖維或天然有機(jī)纖維為增強(qiáng)材料組成的復(fù)合材料的統(tǒng)稱。水泥石、砂漿與混凝土的主要缺點(diǎn)是：抗拉強(qiáng)度低、極限延伸率小、性脆，加入抗拉強(qiáng)度高、極限延伸率大、抗堿性好的纖維，可以克服這些缺點(diǎn)。

1.2 分類

所用纖維按其材料性質(zhì)可分為：①金屬纖維。如鋼纖維、不銹鋼纖維（適用于耐熱混凝土）。②無機(jī)纖維。主要有天然礦物纖維（溫石棉、青石棉、鐵石棉等）和人造礦物纖維（抗堿玻璃纖維及抗堿礦棉等碳纖維）。③有機(jī)纖維。主要有合成纖維（聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龍、芳族聚酰亞胺等）和植物纖維（西沙爾麻、龍舌蘭等），合成纖維混凝土不宜使用于高于60℃的熱環(huán)境中。以其基體的不同，可分為，①纖維水泥。由纖維與水泥漿或摻有細(xì)粉活性材料或填料的水泥漿組成的復(fù)合材料，多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、玻璃纖維水泥墻板等。②纖維砂漿。在砂漿中摻有纖維，多用于防裂、防滲結(jié)構(gòu)。如聚丙烯纖維抹面砂漿。

1.3 纖維與水泥的作用

1.3.1 纖維的作用

①阻裂作用。纖維可阻止水泥基體中微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。這種阻裂作用既存在于水泥基體的未硬化的塑性階段，也存在于水泥基體的硬化階段。當(dāng)水泥基體硬化后，內(nèi)部產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，纖維可承載一部分應(yīng)力，從而減少裂縫的產(chǎn)生。②增強(qiáng)作用。添加纖維可以彌補(bǔ)水泥基體本身的不足，如抗拉強(qiáng)度低、內(nèi)部缺陷等，在一定程度上提高其強(qiáng)度。③增韌作用。當(dāng)水泥基體在外荷載作用下，發(fā)生開裂，纖維可使材料具有一定的延性，不至發(fā)生脆性破壞。

1.3.2 水泥的作用

水泥基體在在纖維混凝土中起著三方面的作用，①粘結(jié)纖維。與纖維粘結(jié)在一起，成為一體，保護(hù)纖維。②承受荷載。水泥基體可使復(fù)合材料有較高的抗壓強(qiáng)度。③傳遞應(yīng)力。在外荷載作用下，最初與纖維共同承受拉應(yīng)力，復(fù)合材料呈現(xiàn)彈性變形，一旦基體發(fā)生開裂后，通過與纖維的界面粘結(jié)將拉應(yīng)力傳遞給纖維，減少了裂縫的產(chǎn)生。

1.3.3 纖維與水泥的相互影響

在纖維混凝土中，纖維與水泥基體通過各種因素，既相互復(fù)合、取長補(bǔ)短，又在一定范圍內(nèi)相互影響，相互制約。①纖維的最大摻量。在水泥凈漿和砂漿中，纖維的摻量可顯著大于混凝土，這是因?yàn)榛炷林泻休^多的粗集料，是纖維的摻量受到很大的限制。纖維增強(qiáng)水泥的纖維體積率高于纖維混凝土。②纖維的長度。纖維長度必須超過水泥基體中最大粒子的直徑才能發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。一般纖維最小長度在水泥凈漿和砂漿均低于在混凝土中的長度。但是在混凝土中纖維的最大長度也受到一定限制，不宜大于50mm，否則纖維可能會(huì)打團(tuán)，新拌的混凝土也不宜密實(shí)。③纖維的取向。在水泥凈漿或砂漿中，纖維增強(qiáng)體可處于一維定向或二維定向或二維亂向，而在混凝土中絕大多數(shù)情況下只能限于三維亂向。當(dāng)纖維體積率相同時(shí)，纖維在水泥凈漿和砂漿中的利用率顯著高于在混凝土中。

2 纖維混凝土高溫性能的研究現(xiàn)狀

2.1 研究

研究表明，800℃ 時(shí)，混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率約15%，明顯高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率（約6%）；抗壓強(qiáng)度剩余率約15% ，與基準(zhǔn)混凝土的強(qiáng)度剩余率相當(dāng)（約15%）； 劈裂抗拉強(qiáng)度剩余率約20%，明顯高于基準(zhǔn)混凝土的抗折強(qiáng)度剩余率（約10%）。另外混雜纖維明顯提高了混凝土的抗爆裂性能。20世紀(jì)70年代，很多學(xué)者對普通混凝土高溫性能的研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)受熱過程中可能發(fā)生毀壞性爆裂， 對于脆性和密度更大、滲透性更低的一般高強(qiáng)高性能混凝土，爆裂更易產(chǎn)生， 導(dǎo)致材料強(qiáng)度損失甚至構(gòu)件坍塌，而且應(yīng)力越大， 這種破壞越嚴(yán)重。通過許多學(xué)者對混雜纖維改善混凝土高溫性能的研究，通常認(rèn)為混凝土受熱爆裂的過程， 就是混凝土中水分從混凝土內(nèi)部逸出的過程。對于高強(qiáng)度混凝土，由于其密實(shí)度高，孔隙率低，蒸發(fā)通道不暢，使水不能足夠快地逸出，從而產(chǎn)生幾乎達(dá)到飽和蒸汽壓的過高蒸汽分壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混凝土抗張強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土不能抵御這種過大的內(nèi)部壓力而發(fā)生爆裂。高性能混凝土加入混雜纖維后，情況發(fā)生了變化。

2.2 現(xiàn)狀

針對纖維混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)，學(xué)者作了大量研究試驗(yàn)，纖維混凝土的高溫性能在逐漸的改善。最近的研究表明，在混凝土內(nèi)摻入一定量聚丙烯纖維可以起到防爆作用，歐洲一些學(xué)者的試驗(yàn)也證明了這點(diǎn)?；谶@些研究成果，大量學(xué)者采用低熔點(diǎn)（聚丙烯纖維） 及高熔點(diǎn)纖維（鋼纖維） 混雜，從增強(qiáng)混凝土高溫力學(xué)性能及防爆裂方面進(jìn)行了研究。隨著研究的不斷深入，技術(shù)水平也在不斷提升，但是有許多不足有待完善。

3 影響高溫性能的因素

鋼纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量的影響較小。在溫度升高時(shí)， 混凝土試塊將產(chǎn)生較多微裂縫，隨著鋼纖維摻量的增加， 鋼纖維對裂縫開展具有一定的抑制作用，從而其高溫后強(qiáng)度較素混凝土的高溫后強(qiáng)度降低要小。在高溫作用下，鋼纖維主要是通過阻止混凝土溫度裂縫開展、增強(qiáng)抗裂性能起作用，對高溫后抗拉強(qiáng)度的降低作用小于抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)聚丙烯纖維對溫度的反映不同，不同溫度下，聚丙烯纖維均不同程度的降低了混凝土殘余抗壓強(qiáng)度。當(dāng)溫度超過聚丙烯纖維的熔點(diǎn)，混凝土內(nèi)的聚丙烯纖維就會(huì)揮發(fā)逸出，并在混凝土中留下相當(dāng)于纖維所占體積的均勻孔道，這對于混凝土內(nèi)由于溫度升高所產(chǎn)生的水蒸氣和熱量的排出都是很有利的，可以降低孔壓力，改善混凝土的抗爆裂性能.基于以上特點(diǎn)，聚丙烯纖維被廣泛用于提高高溫下混凝土的抗爆裂性能。

4 結(jié)語

本文通過對已有研究結(jié)果的分析，歸納，總結(jié)了纖維混凝土高溫性能的研究現(xiàn)狀以及不同纖維種類對混凝土強(qiáng)度的影響。目前國內(nèi)對纖維混凝土的認(rèn)識(shí)還需要很大的研究和投入。纖維混凝土高溫性能的研究，在以后都生產(chǎn)建設(shè)與科學(xué)研究中，具有指導(dǎo)性的意義，同時(shí)要對該領(lǐng)域不斷的進(jìn)行探索。

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