纖維增強(qiáng)混凝土的研究進(jìn)展

翟建錦

摘要：跟蹤當(dāng)前國(guó)內(nèi)外纖維混凝土發(fā)展的最新進(jìn)展，闡述了纖維材料改善混凝土受力性能的基本原理，詳細(xì)給出了三種應(yīng)用廣泛的纖維材料對(duì)混凝土的受力性能以及耐久性的影響程度，并提出了當(dāng)前纖維增強(qiáng)混凝土研究中存在的問(wèn)題和今后研究的方向。

關(guān)鍵詞：纖維；增強(qiáng)；混凝土；物理力學(xué)性能；阻裂

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，其抗壓強(qiáng)度很高，但是抗拉抗折等能力較弱，在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了改善混凝土性能，常常在混凝土中摻入纖維。

纖維增強(qiáng)混凝土是一種基于混凝土材料，以金屬纖維、無(wú)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。在纖維增強(qiáng)混凝土中，纖維對(duì)基體起著阻裂、增韌的作用。本文通過(guò)查閱、收集國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料，總結(jié)概述了纖維對(duì)混凝土性能影響的研究進(jìn)展。

1纖維增強(qiáng)混凝土作用機(jī)理及影響因素

由于混凝土凝結(jié)硬化的特性，使得混凝土成為一種非均勻的宏觀堆聚結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部存在著尺寸不同的大量原生微裂縫、空隙和缺陷。這使得混凝土的破壞多是從內(nèi)部裂紋開(kāi)始，逐步發(fā)展、擴(kuò)張為宏觀裂縫，最終破壞。將纖維摻入到混凝土中，纖維可以阻止裂縫擴(kuò)展，同時(shí)，纖維與漿體握裹、橋接良好，可以起到抗裂作用。在荷載作用下混凝土結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)裂縫，而纖維良好的連接作用將抑制裂縫的開(kāi)展?；炷量估瓘?qiáng)度較低，荷載作用下極易開(kāi)裂，一旦混凝土發(fā)生開(kāi)裂，連接裂縫兩端的纖維將承擔(dān)拉應(yīng)力，從而起到抑制開(kāi)裂的作用。當(dāng)纖維的摻加量達(dá)到一定限值，纖維增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)能夠繼續(xù)在高荷載、大變形條件下工作，一旦纖維達(dá)到抗拉極限值或纖維與混凝土之間的粘結(jié)遭到破壞，結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞。由此可知，纖維增強(qiáng)混凝土抗拉強(qiáng)度高于普通混凝土的抗拉強(qiáng)度，尤其普通混凝土的韌性性能有巨大的提高。[2]

2纖維對(duì)混凝土受力性能的影響

2.1鋼纖維

鋼纖維增強(qiáng)混凝土改善了普通混凝土很多方面的受力性能，不僅提高了混凝土的抗彎、抗裂、抗拉和耐磨性，而且同時(shí)提高了普通混凝土的抵抗沖擊性能和韌性，明顯改善了混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞性及結(jié)構(gòu)耐久性。另外，鋼纖維混凝土制作方便，材料經(jīng)濟(jì)性高，因此被廣泛應(yīng)用于公路路面、橋面鋪裝、混凝土跑道等基建工程。

秦鴻根通過(guò)試驗(yàn)研究了鋼纖維對(duì)混凝土材料受力性能的影響，研究結(jié)果表明，鋼纖維摻加量逐漸增加到2.0%，提高了混凝土多方便的受力性能。尤其混凝土抗剪性能、抗折性能有顯著的增加，對(duì)于抗壓強(qiáng)度的改善不是特別明顯。研究結(jié)構(gòu)還表明，鋼纖維摻加量越大，鋼纖維混凝土抑制開(kāi)裂的能力與初始抗彎強(qiáng)度也增大，混凝土的脆性系數(shù)明顯降低，彎曲韌性呈數(shù)量級(jí)增加。

2.2玄武巖纖維

玄武巖纖維是采用熔融拉絲制作方法獲得的一種高性能無(wú)機(jī)纖維，玄武巖礦石的化學(xué)性能與制備工藝決定了玄武巖纖維的基本性能。玄武巖纖維具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐酸堿、吸濕性低、絕緣性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

成濤華的研究表明，玄武巖纖維對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度具有顯著的增強(qiáng)效果，增強(qiáng)效果隨纖維的長(zhǎng)徑比和摻量變化而變化。研究結(jié)構(gòu)指出，玄武巖纖維無(wú)法有效改善混凝土抗壓強(qiáng)度，甚至長(zhǎng)徑比增大會(huì)降低混凝土材料的抗壓強(qiáng)度。李為民的研究也證明了玄武巖纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)、增韌效果較好，在沖擊載荷下，玄武巖纖維的體積分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，C50混凝土的增強(qiáng)、增韌效果達(dá)到最佳水平。

2.3碳纖維

碳纖維是一種在高溫惰性氣體環(huán)境中將有機(jī)纖維進(jìn)行碳化而得到的纖維狀化合物。瀝青纖維與聚合物纖維是制作碳纖維的基本原料?，F(xiàn)階段，碳纖維增強(qiáng)混凝土材料已經(jīng)被應(yīng)用于某些高層結(jié)構(gòu)物，得到了一致的好評(píng)。碳纖維混凝土復(fù)合材料中碳纖維分布錯(cuò)亂，其能夠防止混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)且抑制已經(jīng)開(kāi)展裂縫的發(fā)展。因此碳纖維混凝土的抗剪、抗彎、抗拉、抗扭強(qiáng)度和抗沖擊韌性等較普通混凝土均有明顯改善。

張其穎研究了碳纖維含量與增強(qiáng)作用的相關(guān)性。在一定的范圍內(nèi)，隨著纖維含量的增大，碳纖維能夠明顯改善混凝土材料的受力性能，二者呈線(xiàn)性關(guān)系；當(dāng)碳纖維含量超過(guò)某個(gè)限值時(shí)，混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)中存在集中分布，其改善效果達(dá)不到期望值，甚至降低了碳纖維混凝土復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度值。

3展望

隨著混凝土的不斷發(fā)展，應(yīng)用纖維來(lái)提高混凝土性能成為一種必然趨勢(shì)，同時(shí)纖維混凝土理論和應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越成熟，纖維增強(qiáng)混凝土行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不斷完善，以及實(shí)際工程中對(duì)混凝土的力學(xué)性能和耐久性要求越來(lái)越高。目前的纖維增強(qiáng)混凝土也存在著一些問(wèn)題，當(dāng)纖維材料摻加進(jìn)混凝土材料中，會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的工作性下降，施工不便，需要采取其它措施改善避免這一問(wèn)題的出現(xiàn)，比如改善復(fù)合材料的配合比與拌合工藝。另外，新型纖維增強(qiáng)混凝土的出現(xiàn)不斷豐富纖維混凝土工程材料的應(yīng)用范圍，其發(fā)展前景十分富有生機(jī)，但是新型纖維混凝土復(fù)合材料的對(duì)于混凝土的改善程度有待進(jìn)一步的研究。

綜上所述，纖維增強(qiáng)混凝土作為一種富有發(fā)展活力的新型復(fù)合材料，其具有廣闊的發(fā)展空間，雖然現(xiàn)階段仍存在亟待解決的理論問(wèn)題與應(yīng)用技術(shù)問(wèn)題，但是以其大大改善混凝土材料受力性能與提高結(jié)構(gòu)耐久性的優(yōu)點(diǎn)，纖維增強(qiáng)混凝土必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]程云虹，王宏偉，王元.纖維增強(qiáng)混凝土抗凍性試驗(yàn)研究[J].公路，2012（3）：179182.

[2]程慶國(guó)，徐蘊(yùn)賢，盧祖文.鋼纖維砼本構(gòu)理論的研究、工程應(yīng)用及發(fā)展[J].混凝土與水泥制品，2000（s1）：59.

[3]李為民，許金余.玄武巖纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)和增韌效應(yīng)[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2008，36（4）：476481.

[4]陳麗紅，孟宏睿，惠雅莉.碳纖維在混凝土中的應(yīng)用[J].混凝土，2006（4）：2931.

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[6]張其穎.碳纖維增強(qiáng)水泥混凝土復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J].纖維復(fù)合材料，2001，18（2）：4950.