關于水泥混凝土中化學合成纖維的運用研究

張 付 東

（駐馬店市達遠路橋勘察設計院，河南 駐馬店 463000）

關于水泥混凝土中化學合成纖維的運用研究

張 付 東

（駐馬店市達遠路橋勘察設計院，河南 駐馬店 463000）

化學合成纖維混凝土是近年來迅速發(fā)展的一種新型混凝土材料，能顯著提高混凝土的抗拉韌性、抗凍性、耐磨性等，幵且能有效地防止混凝土早期裂縫的問題。簡要地介紹了纖維混凝土這種新型的建筑材料，就聚丙烯纖維混凝土的抗摻性能、抗凍性能以及抗拉性能等開展試驗研究。

水泥混凝土；化學合成纖維；研究

混凝土破壞過程是其內(nèi)部原有的微裂紋在外界因素作用下，形成宏觀裂紋的過程，普通混凝土內(nèi)各種微裂縫比較多，因此嚴重影響到混凝土結構的耐久性和使用壽命。然而在混凝土中摻人化學合成纖維后，因而使復合材料的抗拉與抗折強度以及斷裂能力與未增強的水泥基體相比較有明顯的提高。

1 化學合成纖維混凝土的分類

纖維作為建筑材料使用已有相當長的歷史，早期人們就把天然纖維，例如稻草、麥稈、棉、麻等添加到墻體建設材料中，以增加墻體的強度和韌性?，F(xiàn)在化學合成纖維混凝土通常是以水泥凈漿或者砂漿為基體，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長纖維做增強材料所組成的水泥基復合材料。

1.1 按應用材料的分類

1.1.1 金屬纖維——鋼纖維

鋼纖維是當今世界各國普遍采用的混凝土增強纖維材料。它具有抗沖擊性能強、抗裂、耐磨強度高等特點，同時也具有良好的水泥親和性好。只需經(jīng)過一定的施工工藝可以可增加混凝土構件的強度；但值得注意的是，剛纖維混凝土自重大、振搗澆注時往往會沉于混凝土下部，此外攪拌時易結團，不適合大體積混凝土的施工。

1.1.2 無機纖維

（1）碳纖維

碳纖維是20世紀60年代開發(fā)研制的一種高性能纖維。具有抗拉強度和彈性模量高、化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有與混凝土粘結良好的優(yōu)點。在所有的合成纖維中，碳纖維的增強效果最好，只需摻入較低含量碳纖維的就能明顯提高水泥制品的彈性模量，但是碳纖維的主要缺點是價格高，致使工程應用中受到很大限制。

（2）耐堿玻璃纖維

耐堿玻璃纖維具有高抗拉強度，延伸性低，很高的抗變形能力的特點。玻璃纖維在道路混凝土工程施工中，其與路面混合料具有良好的相容性。但采用玻璃纖維混凝土存在的問題在于，暴露于大氣中一段時間后，耐堿玻璃纖維強度和韌性會有大幅度下降，影響耐久度。

1.1.3 有機纖維

（1）合成纖維

常用的大多數(shù)合成纖維，如經(jīng)機械、表面活性劑、氧氟等表面處理后，其短纖維都可用于混凝土的改性；而且價格低廉，生產(chǎn)工藝先進，且施工方便，被廣泛應用于廣場、機場等大面積混凝土工程中。

（2）玄武巖纖維

玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維。比重為

2.639～2.89 g/cm3，用它與水泥混凝土和砂漿混合時易于分散，新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩(wěn)定、耐久性好，耐酸又耐堿，具有優(yōu)越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性，抗彎強度。

1.2 按彈性模量分類

1.2.1 高彈性模量纖維混凝土

高彈性模量纖維混凝土具有無毒、質(zhì)輕、耐酸、耐堿等優(yōu)點，由于高彈性模量纖維混凝土主要是纖維受力，因此即使混凝土開裂之后，復合材料承載能力也不會降低。由于其價格較高，對其廣泛應用仌然存在一定的制約。

1.2.2 低彈性模量纖維混凝土

譬如聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯醇纖維等都屬于低彈性模量纖維，它們與鋼纖維的相似點是不受水化產(chǎn)物的侵蝕，同時具有良好的施工性能、抗早期塑性干燥收縮、抗爆、抗沖擊、抗疲勞性能以及良好的裂后韌性的特點。但是易發(fā)生較大的蠕變，在持續(xù)的較高應力作用下，復合材料會產(chǎn)生顯著的伸長或撓曲，對材料的性能造成一定的影響，因此這類纖維常用于基體一般不會發(fā)生開裂的地方。

2 化學合成纖維的添加對混凝土性能的影響

2.1 阻裂

在裂縫較小階段，由于合成纖維的變形能力大，它對微小裂縫的阻滯效果不明顯，因此，粗合成纖維對混凝土加載初期性能的提高幅度顯著小于加載后期性能；在裂縫較大階段，粗合成纖維的彈性變形能力大及根數(shù)較多，它與基體不易發(fā)生脫黏，合成纖維極大地延緩了裂縫的擴展，因此能有效延緩新裂縫的出現(xiàn)。

2.2 防滲

通過阻裂提高水泥基體的密實性，以防止外界水分侵入混凝土，改善水泥基體抗凍，抗疲勞等性能，提高混凝土的耐久性。

2.3 抗沖擊

在使用高彈性模量纖維前提下，可以起到提高基體的抗拉強度的作用。提高水泥基體的耐受變形的能力．仍而改善其韌性和抗沖擊性。

3 聚丙烯纖維混凝土的性能的研究

3.1 抗?jié)B性能試驗

試驗依據(jù)GB／T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》的規(guī)定進行。參照生產(chǎn)企業(yè)的建議（每方混凝土纖維摻量為 0.9～1.8 kg、長度為12～19 mm)，其中本試驗用于抗?jié)B試驗的試件數(shù)量為 5×6=30個(試件尺寸為：上口徑 175 mm，下口徑185 mm，高150 mm)；試驗采用的聚丙烯工程纖維長度為19 mm，此外混凝土配合比為水泥∶石子∶砂∶水=360∶1065∶720∶205。使用同一臺攪拌機，纖維加在集料之間。干拌30 s左右,然后加水泥和水進行強制攪拌。在進行攪拌的過程中，當6個試件中有3個試件表面出現(xiàn)滲水時, 試驗結束，幵記錄此時的水壓，同時根據(jù)相關公式計算抗?jié)B等級。

通過實驗發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后, 大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，摻量越大，抗?jié)B性能等級越高[1]。

3.2 抗彎性能試驗

對聚丙烯纖維混凝土抗彎韌性試驗在Instronl343伺服系統(tǒng)機上采用三分點加載方式進行，試件跨度為300 mm，采用恒定位移控制加載，加載速率為0.10 mm·s。撓度測定時將夾式引伸儀置于試件的中性軸來測定試件的撓度，計算機自動記錄數(shù)據(jù)，幵自動繪制荷載——撓度曲線。試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。制作試件時，先將稱好的砂、水泥、石依次放入攪拌機，干拌2 min，再將水分2次或3次加入，將纖維分散加入幵攪拌3 min左右，混凝土攪拌好后倒入模具內(nèi)振搗幵抹平，澆注24 h后脫模幵在標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，試驗前3 h仍養(yǎng)護室取出晾干。

實驗結果表明：聚丙烯纖維在混凝土中的摻量對試件抗彎韌性有一定的影響，同時單摻或混摻不同幾何尺寸粗合成纖維后，試件具有很好的韌性，呈延性破壞；抗彎韌性指數(shù)隨纖維摻量的增加而增大；基體強度提高時，抗彎韌性指數(shù)略有上升；纖維直徑不同時，抗彎韌性指數(shù)變化不明顯。

3.3 疲勞試驗

疲勞試驗對于混凝土的性能鑒定起著重要的作用，在疲勞試驗前，必須采用三分點加載法先對混凝土小梁進行靜載彎曲破壞試驗以測得混凝土的抗折強度。幵且對材料的選取方面，要保證每種材料取6根試件，幵求平均強度。試驗先對普通混凝土進行，試件齡期為28 d，疲勞試驗的應力比(疲勞荷載與破壞荷載之比)取0.5、0.55、0.6、0.7、0.8 五種。每個應力比作3到4個試件。由于應力比0.5時疲勞循環(huán)次數(shù)很大，造成儀器出現(xiàn)一定故障，該應力比僅完成了一個試件。

實驗結果表面：在相同應力比下，纖維混凝土的疲勞壽命高于普通混凝土；聚丙烯腈纖維混凝土的疲勞壽命是普通混凝土的2.02～2.33倍，平均為2.16倍。

3.4 混凝土的養(yǎng)護

試驗養(yǎng)護環(huán)境分別為自然環(huán)境、室內(nèi)養(yǎng)護室、及干燥養(yǎng)護箱。試驗期間日最高氣溫 36 ℃，日最低氣溫 7～28 ℃，空氣相對濕度 21%～96%；GZ一在養(yǎng)護箱中迚行，溫度為(20±2)℃、相對濕度為60%±5%，通過相關試驗發(fā)現(xiàn)：

（1）相比室內(nèi)養(yǎng)護條件，自然和干燥養(yǎng)護條件下，普通混凝土的收縮變形分別增加了 270%和302%。并且隨著養(yǎng)護條件的劣化，混凝土的收縮率也加大。此外在室內(nèi)養(yǎng)護的環(huán)境下，普通混凝土的收縮變形曲線并不隨著養(yǎng)護的齡期增長有顯著地變化，這有效地表明了保持混凝土表面的濕度能夠有效降低混凝土的干燥收縮變形，增強混凝土的性能。

（2）無論是室內(nèi)養(yǎng)護、還是自然養(yǎng)護，或者是水養(yǎng)7 d后再迚行干燥養(yǎng)護，聚丙烯纖維和改性聚酯纖維混凝土的收縮率均小于普通混凝土，說明摻入合成纖維能夠減少各種養(yǎng)護環(huán)境下混凝土的收縮。同時結合疲勞試驗的結果，在室內(nèi)標準養(yǎng)護條件下，聚丙烯纖維混凝土的疲勞壽命是普通混凝土的1.8～2.6倍左右。在室外養(yǎng)護條件下，提高幅度更大，這對延長道面混凝土的使用壽命有重要意義[2]。

4 結論與建議

化學合成纖維在混凝土中的應用，能很大程度上提高混凝土的性能，然而其性能好壞以及性能的提高幅度與所摻纖維品種、摻量的大小等有關，也與養(yǎng)護條件有關。在對纖維混凝土的開發(fā)與應用是，需要考慮多方面因素的影響。

［1］公路:鄧宗才，何唯平，孫成棟．聚丙烯纖維增強水泥混凝土的抗彎性能[J]．2004(2)：129-134.

［2］混凝土:詹鎮(zhèn)峰. 合成纖維混凝土組成與性能的試驗研究[J]. 2005(2)：32-35．

Research on Application of Chemical Synthetic Fibers in Cement Concrete

ZHANG Fu-dong
（Zhumadian Dayuan Highway Bridges Survey and Design Institute, Henan Zhumadian 463000，China）

Synthetic fiber reinforced concrete is a new type of concrete material which has obtained rapid development in recent years. Synthetic fibers can significantly improve the concrete tensile toughness, frost resistance, abrasion resistance, and can effectively prevent early crack problems of concrete. In this article, synthetic fiber reinforced concrete as a new type of building material was briefly introduced. Mixing performance, frost resistance and tensile properties of polypropylene fiber concrete were tested.

Cement concrete; Chemical synthetic fibers; Study

TQ 172

A

1671-0460（2014）10-2084-03

2014-07-09

張付東（1973-），男，高級工程師，畢業(yè)于北京建筑工程學院道橋?qū)I(yè)，研究方向：現(xiàn)從事公路橋梁勘察設計等相關工作。