纖維混凝土的工作性能與應(yīng)用現(xiàn)狀①

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(遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

引言

纖維混凝土是近年來(lái)發(fā)展較快的新型復(fù)合材料。自20世紀(jì)70年代問(wèn)世以來(lái)，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，尤其是美、日、英、法等國(guó)家。近年來(lái)，我國(guó)的許多科研院所和高等院校對(duì)纖維混凝土也進(jìn)行了大量的研究，并應(yīng)用于工程實(shí)踐。纖維混凝土是以混凝土作為基材，均勻地?fù)饺敕沁B續(xù)的短纖維或連續(xù)的長(zhǎng)纖維作為增強(qiáng)材料而形成的水泥基復(fù)合材料。通過(guò)纖維的物理力學(xué)性能來(lái)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不改變混凝土中各材料本身的化學(xué)性能，因而對(duì)混凝土的耐久性沒(méi)有影響。

混凝土具有較高的抗壓能力，但其抗拉能力和塑性性能極低，易發(fā)生脆性破壞。為了克服其缺陷，在混凝土中置入延性較好、抗拉能力強(qiáng)的鋼筋形成鋼筋混凝土構(gòu)件。但要達(dá)到高性能混凝土(High Ptrformance Concrete，HPC)的要求，即保證混凝土的耐久性、工作性及各種力學(xué)性能，纖維混凝土便應(yīng)運(yùn)而生。

目前，常用的纖維混凝土有：鋼纖維混凝土(SFRC)、玻璃纖維混凝土(GFRC)、碳纖維混凝土(CFRC)及合成纖維混凝土(SNFRC)等。在我國(guó)很早就有將稻草拌入泥漿中制造土坯及土墻的歷史。利用纖維來(lái)改善混凝土的性能，可以使其有較高的抗拉及抗裂能力，能夠抑制塑性裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)抗?jié)B水能力，因此它在世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。主要用于建筑、交通、水利、礦山、冶金、軍事、耐火材料工業(yè)等方面。

1 纖維增強(qiáng)的機(jī)理分析

1.1 提高混凝土抗拉強(qiáng)度

目前，在混凝土中均勻任意分布的短纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理有兩種解釋模型：一種是美國(guó)Romualoli提出的“纖維間距機(jī)理”(又稱纖維阻裂機(jī)理)，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的約束作用。認(rèn)為在混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，欲提高強(qiáng)度，必須盡可能地減小缺陷的程度，提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。理論分析和試驗(yàn)證明，當(dāng)纖維的平均間距<7.6 mm時(shí)，纖維混凝土抗拉和抗彎初裂度均得到提高；二是英國(guó)的Swangat等提出的“復(fù)合材料機(jī)理”，其理論出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理，將纖維混凝土看作是纖維化體系，并應(yīng)用混合原理來(lái)推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度，提出了纖維混凝土與纖維摻入量、方向、長(zhǎng)徑比以及粘結(jié)力之間的關(guān)系[1-9]。

1.2 延緩裂縫出現(xiàn)，提高韌性

混凝土在空氣中硬化會(huì)發(fā)生體積收縮。當(dāng)收縮應(yīng)力超出了混凝土本身的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在混凝土內(nèi)部便產(chǎn)生了微小的裂縫。在工程實(shí)踐中，由于缺少必要的防裂、抗裂措施，在外力的作用下，混凝土本身的微裂縫不斷擴(kuò)展并互相搭接，最終形成了貫通裂縫，使結(jié)構(gòu)的耐久性得不到保證，進(jìn)而發(fā)展為結(jié)構(gòu)破壞。

摻入纖維可以有效地延緩裂縫的發(fā)展。纖維以單位體積較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故微裂縫在發(fā)展的過(guò)程中必然遭到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而阻斷裂縫，達(dá)到抗裂的作用。纖維的加入猶如在混凝土中摻入巨大數(shù)量的微細(xì)筋，這些纖維筋抑制了混凝土的開(kāi)裂進(jìn)程，提高了混凝土的斷裂韌性[1]。

用纖維改善混凝土的性能主要是通過(guò)物理力學(xué)作用來(lái)改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并不改變混凝土中各種材料本身的力學(xué)性能，也不影響混凝土的耐久性。

纖維混凝土是一種復(fù)合材料，復(fù)合材料是由若干種不同的材料組合而成，可最大限度地發(fā)揮出各種材料獨(dú)自的特性，并賦予整體以單一材料所不具備的優(yōu)良特性。混凝土本身也是復(fù)合材料，而在普通混凝土中摻加纖維，能夠充分發(fā)揮材料的抗拉強(qiáng)度，并能夠抑制混凝土中原有微裂縫的擴(kuò)展，起到延緩裂縫的作用，提高基材的變形能力，進(jìn)而改善了混凝土的韌性與抗沖擊性能。

1.3 纖維的要求

纖維應(yīng)具有以下幾個(gè)特性：高抗拉強(qiáng)度，與水泥基材的抗拉強(qiáng)度相比，至少要高2個(gè)數(shù)量級(jí)；高彈性模量，纖維與水泥基材的彈性模量比值越高，則受荷時(shí)纖維分擔(dān)的應(yīng)力也越大；高變形能力，與水泥基材的極限延伸率相比，至少要高1個(gè)數(shù)量級(jí)；低泊桑比，一般宜≯0.40；高耐堿性，不受水泥堿性水化產(chǎn)物的侵蝕；高粘結(jié)強(qiáng)度，纖維與水泥基材的界面粘結(jié)強(qiáng)度一般應(yīng)≮1 MPa。

纖維的發(fā)展及應(yīng)用極其迅速。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)各種纖維的廠家很多，美國(guó)的杜拉纖維在我國(guó)也得到了廣泛應(yīng)用。

杜拉纖維(Durafiber)是美國(guó)希爾兄弟化工公司的產(chǎn)品。它是一種以聚丙烯為原料，以獨(dú)特工藝制造的高強(qiáng)聚丙烯單絲纖維，可以極有效地控制混凝土(砂漿)塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止和抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大改善了混凝土的阻裂抗?jié)B性能、抗沖擊和抗震能力[5-8]，被大量使用于地下工程防水、工民建工程屋面、墻體、地坪、水池等以及道路和橋梁工程中，其顯著效果已被大量的實(shí)踐所證明。

2 纖維的應(yīng)用

2.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維主要有碳素鋼纖維以及不銹鋼纖維。目前，國(guó)內(nèi)制備鋼纖維混凝土用于承重結(jié)構(gòu)使用的是普通鋼纖維，主要使用低碳鋼的鋼纖維，而制備鋼纖維耐火混凝土則必須使用不銹鋼纖維。鋼纖維通常以短纖維的形式亂向隨機(jī)分布于混凝土或水泥砂漿基體中，而利用電效應(yīng)定向分布鋼纖維的方法因費(fèi)用昂貴等原因仍停滯于研究階段。鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的物理力學(xué)性能，在土木、水利、建筑等各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)各生產(chǎn)廠家已生產(chǎn)出各種型號(hào)、規(guī)格的鋼纖維，廣泛應(yīng)用于各類混凝土工程，但鋼纖維混凝土的成本比較高。

2.2 玻璃纖維混凝土

由于硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物對(duì)中堿與無(wú)堿玻璃纖維有強(qiáng)烈的侵蝕，因此工程中使用的主要是抗堿玻璃纖維，其有較好的耐火性、抗沖擊性，其長(zhǎng)期耐久性正在進(jìn)一步考查，現(xiàn)階段主要用于制作非承重與次要承重的構(gòu)件或制品。

2.3 碳纖維混凝土

碳纖維是一種高性能纖維，具有很高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土的粘結(jié)性能良好。目前，我國(guó)的碳纖維研制與生產(chǎn)還處于較低水平，主要表現(xiàn)在：一是性能不是很穩(wěn)定，離散系數(shù)相對(duì)較大，與國(guó)外同類纖維相比要大1倍；二是國(guó)產(chǎn)碳纖維大部分表面未經(jīng)過(guò)處理，制成的復(fù)合材料剪切強(qiáng)度偏低，不能用作有高性能要求的復(fù)合材料增強(qiáng)劑；三是價(jià)格偏貴，成本組成需要改變。

上海某混凝土碳纖維布有限公司生產(chǎn)的碳纖維布(Carbon Fiber Cloth)用于結(jié)構(gòu)的修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)的效果較好。

2.4 合成纖維混凝土

合成的聚合纖維是一種有機(jī)聚合物，在硅酸鹽水泥混凝土中進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)并使用的聚合纖維有：聚丙烯尼龍(酰胺纖維)、聚酯和聚乙烯等。以聚丙烯為代表的如中國(guó)紡織科學(xué)研究院自主研制開(kāi)發(fā)的抗裂合成纖維(CTA Fiber)系列產(chǎn)品。

CTA Fiber砂漿混凝土抗裂合成纖維是用于水泥砂漿及混凝土中的次要加強(qiáng)筋，其材料為100%的改性聚丙烯，能夠提高混凝土的抗裂性能，提高混凝土的防水、抗?jié)B能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗沖擊及抗震能力，增強(qiáng)抗凍能力等，適用范圍廣泛。例如濟(jì)南某公司生產(chǎn)各種的纖維繩、聚乙烯圓絲繩(PE Round-silk Rope)、聚丙烯等系列產(chǎn)品。TH-Ⅰ和TH-Ⅱ型高強(qiáng)聚丙烯復(fù)合水泥增強(qiáng)纖維網(wǎng)作為混凝土的增強(qiáng)材料，在全國(guó)各地建筑工地均有使用。鞍山某碳纖維公司以石油瀝青為原料批量生產(chǎn)碳纖維，價(jià)格低廉。

活性碳纖維(Activated Carbon Fibers)主要用于空氣凈化、廢氣與廢水處理、放射性吸附以及防毒、防化服、防毒面具等。瀝青基碳纖維(Pitch-based Carbon Fiber)則用于摩擦、增強(qiáng)防電、防磁材料等。

聚乙烯纖維的彈性模量低，因而對(duì)其的研究也較少。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，纖維混凝土已最大限度地應(yīng)用于工程實(shí)際中，并按照不同的工程設(shè)計(jì)要求，選用不同性能及摻量的纖維。如飛機(jī)跑道、地鐵、公路、橋梁、核反應(yīng)堆外殼、隧道等場(chǎng)所。在建筑物中主要用于受力核心部位，如框架結(jié)點(diǎn)、樁尖、樁帽等部位。在大體積混凝土中也得到了廣泛應(yīng)用，例如用于結(jié)構(gòu)防水及補(bǔ)強(qiáng)。隨著纖維混凝土研究及工程應(yīng)用的不斷深入，纖維混凝土的應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。

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