纖維增強(qiáng)混凝土綜述

(貴州順康路橋咨詢有限公司 貴州 貴陽(yáng) 550000)

一、纖維的發(fā)展

1990年，奧地利人Ludwing Hatschek在偶然的情況下發(fā)明了石棉水泥板，1912年Mazza又制成了石棉水泥管，此后，石棉水泥制品在各國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。雖然后來(lái)發(fā)現(xiàn)石棉具有毒性，其應(yīng)用受到限制，但卻打開(kāi)了制作現(xiàn)代意義上的纖維混凝土的大門。20世紀(jì)50年代末，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中堿玻璃纖維水泥砂漿和混凝土進(jìn)行了研究，前蘇聯(lián)Birykovich等人對(duì)無(wú)堿玻璃纖維水泥砂漿進(jìn)行了研究，雖因堿腐蝕纖維而未獲得成功，卻促進(jìn)了玻璃纖維混凝土(GRC)的發(fā)展；隨后，英國(guó)建筑研究所和皮爾頓公司合作開(kāi)發(fā)了抗堿玻璃纖維，世界范圍內(nèi)掀起了開(kāi)發(fā)玻璃纖維混凝土的熱潮，國(guó)內(nèi)學(xué)者在后續(xù)的研究過(guò)程中堅(jiān)持抗堿玻璃增強(qiáng)低堿度水泥的雙保險(xiǎn)技術(shù)路線，這使得國(guó)內(nèi)GRC技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平。1953年-1954年期間，蘇聯(lián)成功開(kāi)發(fā)出了性能優(yōu)異的玄武巖纖維，并于1985年在現(xiàn)今的烏克蘭實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，2002年玄武巖纖維項(xiàng)目列入國(guó)家863計(jì)劃，從此，我國(guó)的玄武巖纖維進(jìn)入快速發(fā)展階段，并形成了俄羅斯、烏克蘭和中國(guó)在國(guó)際上三足鼎立的局面。1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson發(fā)表了一系列關(guān)于鋼纖維混凝土的作用機(jī)理及其研究成果，奠定了現(xiàn)代鋼纖維混凝土發(fā)展的基礎(chǔ)，后來(lái)，美國(guó)的Battelle公司開(kāi)發(fā)了鋼纖維熔抽技術(shù)，降低了鋼纖維原材料的價(jià)格，推廣了鋼纖維混凝土的應(yīng)用范圍。1964年美國(guó)聯(lián)合碳公司用黏膠纖維制成了高強(qiáng)度、高模量的碳纖維，但工藝復(fù)雜、成本較高、性能較差，隨后英國(guó)皇家飛機(jī)研究所用聚丙烯腈為原料和日本用瀝青做原料都研制出了碳纖維，使生產(chǎn)碳纖維的工藝得到簡(jiǎn)化，成本得到降低，性能得到很大提升。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)又開(kāi)發(fā)了合成纖維混凝土以及注漿纖維混凝土，使混凝土中摻加纖維的種類得到很大的擴(kuò)展。

二、纖維的物理性質(zhì)

纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果主要取決于纖維的種類、纖維的長(zhǎng)度、纖維的長(zhǎng)徑比、纖維的體積率、纖維的彈性模量和抗拉強(qiáng)度、纖維外形和表面狀況等。目前，工程中常用的纖維主要有鋼纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、碳纖維和合成纖維。其物理性質(zhì)對(duì)混凝土的影響主要有以下幾點(diǎn)：(1)纖維的種類不同，各種纖維的物理參數(shù)相差相對(duì)較大。(2)纖維的長(zhǎng)徑比和長(zhǎng)度影響著纖維在混凝土中的分散均勻性。纖維的長(zhǎng)度越大，長(zhǎng)徑比越大，在混凝土中，其分散均勻性越差；反之，纖維長(zhǎng)度越小，長(zhǎng)徑比越小，在混凝土中，其分散均勻性越好。(3)纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量影響著混凝土的力學(xué)性能。纖維的抗拉強(qiáng)度越高，彈性模量越大，纖維混凝土受荷時(shí)，纖維分擔(dān)的應(yīng)力也就越大，其纖維混凝土的力學(xué)性能越好；反之，纖維的抗拉強(qiáng)度越低，彈性模量越小，纖維混凝土受荷時(shí)，纖維分擔(dān)的應(yīng)力也就越小，其纖維混凝土的力學(xué)性能越差。

三、幾種纖維在混凝土中的作用

(一)鋼纖維混凝土

鋼纖維主要通過(guò)鋼板剪切、鋼錠銑削、熔抽或鋼絲切斷的方式生產(chǎn)，根據(jù)學(xué)者研究成果[1-9]，鋼纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、松柏比、彈性模量影響不大，但對(duì)混凝土的抗拉、抗彎強(qiáng)度及韌性均有顯著的提高，并改善了混凝土的抗沖擊性能、抗裂性能、抗炭化和抗凍性，能夠抑制混凝土的高溫爆裂等，且隨著摻量的增加，其增強(qiáng)和改善效果越明顯。鋼纖維在混凝土中也存在著一些問(wèn)題：(1)鋼纖維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，在混凝土中容易結(jié)團(tuán)，影響鋼纖維的分散均勻性，并會(huì)明顯降低了混凝土的流動(dòng)性和施工和易性。(2)鋼纖維密度大，與水泥漿容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象。并且配制的鋼纖維混凝土自重大。以上兩點(diǎn)限制了混凝土中鋼纖維的摻量，同時(shí)也影響了鋼纖維摻加混凝土的效果。(3)鋼纖維與混凝土的粘結(jié)較低。鋼纖維混凝土的破壞多以拉斷和撥出的形式出現(xiàn)，規(guī)范已要求配制高性能混凝土，其抗拉強(qiáng)度要在800MPa以上，以防止其拉斷破壞。因鋼纖維與混凝土粘結(jié)力低而撥出破壞的問(wèn)題并未得到解決，鋼纖維長(zhǎng)度增加以及兩端彎折雖能增加其與水泥漿的粘結(jié)，但卻有進(jìn)一步降低了施工和易性。(4)鋼纖維混凝土表面要進(jìn)行防銹處理，否則，表面鋼筋的銹蝕會(huì)影響混凝土的耐久性以及構(gòu)件的美觀效果。(5)鋼纖維價(jià)格高，每噸在2000元-3000元左右，限制了鋼纖維混凝土應(yīng)用。(6)有些施工單位對(duì)鋼纖維混凝土的性能和施工工藝了解較少，用了鋼纖維混凝土，卻沒(méi)達(dá)到想要的效果，再加上鋼纖維混凝土施工難度大，對(duì)鋼纖維混凝土的應(yīng)用產(chǎn)生抵觸情緒。

(二)玄武巖纖維混凝土

玄武巖纖維彈性模量高，抗壓強(qiáng)度高，耐高溫，抗氧化性能好，與混凝土有較好的相容性。潘慧敏[10]的研究表明：相較于素混凝土，玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗沖擊性能和韌性均有所提高，玄武巖纖維的最佳摻量為2-2.5kg/m3。李為民[11-13]等人對(duì)玄武巖纖維混凝土動(dòng)力特性的研究表明：玄武巖纖維提高了混凝土沖擊荷下的強(qiáng)度與韌性；當(dāng)其在最佳摻量為0.1%時(shí)，動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度提高16%-26%，變形能力可提高14%。根據(jù)許金余[14]的研究，玄武巖纖維能提高混凝土的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及高溫下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及沖擊韌性，玄武巖的最佳體積材料為0.2%。其他學(xué)者[15]也做了大量關(guān)于玄武巖纖維混凝土的研究。玄武巖纖維在混凝土中也存在著一些問(wèn)題：(1)玄武巖纖維降低了混凝土的和易性，其混凝土的分散不均勻較差。(2)玄武巖纖維對(duì)礦源要求高，投資周期長(zhǎng)，年產(chǎn)量低。(3)玄武巖纖維韌性差，容易發(fā)生彎折破壞。(4)玄武巖纖維延伸率低，不利于混凝土的收縮控制和變形。

(三)聚丙烯纖維混凝土

張偉[16]的研究表明：聚丙烯纖維不利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高，卻能提高混凝土的劈裂強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。根據(jù)汪洋[17]等人對(duì)前人研究成果的總結(jié)：聚丙烯纖維能提高混凝土的抗?jié)B能力，具有較好的沖擊韌性。此外，聚乙烯纖維還能夠提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性、抗沖擊性和抗疲勞強(qiáng)度。聚丙烯纖維混凝土主要存在著以下問(wèn)題：(1)聚丙烯纖維會(huì)降低混凝土的工作性能。當(dāng)聚丙烯纖維摻量較大時(shí)，聚丙烯纖維混凝土?xí)憩F(xiàn)出團(tuán)聚和成坨現(xiàn)象。(2)聚丙烯纖維直徑較小，彈性模量較低，抗拉強(qiáng)度較低，對(duì)混凝土的強(qiáng)度提高不明顯。

四、幾種纖維對(duì)混凝土影響的作用機(jī)理

鋼釬維抗拉強(qiáng)度高，彈性模量大，能有效提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度；但鋼釬維和水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度低，混凝土在發(fā)生破壞時(shí)，鋼釬維容易發(fā)生滑移和撥出破壞。聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度低，彈性模量小，單絲直徑小，不能有效提高混凝土的力學(xué)強(qiáng)度；聚丙烯纖維變形能力好，能與水泥砂漿形成彎曲的粘結(jié)強(qiáng)度，混凝土在發(fā)生破壞時(shí)，聚丙烯釬維容易被拉斷。玄武巖纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量處于鋼釬維和聚丙烯纖維兩者之間，其對(duì)混凝土的增強(qiáng)效果不如鋼釬維，但優(yōu)于聚丙烯纖維；玄武巖纖維和水泥砂漿具有較好的相容性，能夠形成較強(qiáng)的粘結(jié)強(qiáng)度，混凝土在發(fā)生破壞時(shí)，玄武巖釬維也表現(xiàn)出拉斷破壞。

混凝土中的裂縫和孔隙影響著混凝土的強(qiáng)度和耐久性。裂縫主要是早期塑性收縮和干縮引起的，早期混凝土主要依靠水泥漿體的粘度和變形能力來(lái)抵抗塑性裂縫和干縮裂縫，短、細(xì)且極限延伸率大的聚丙烯纖維能夠增加水泥漿體的粘稠度、整體性以及水泥膠漿的變形能力，因此能夠抑制混凝土的早期收縮；鋼纖維不親水，且與水泥混凝土不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，剛度大，不容易發(fā)生彎折變形。在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，在重力作用下，鋼纖維下方的混凝土集料下沉，水及水泥漿通過(guò)毛細(xì)壓力等作用上浮；鋼纖維上方的混凝土集料在鋼纖維的支撐作用下，不會(huì)發(fā)生下沉，而鋼纖維上方混凝土中的水分會(huì)下降，從而在鋼纖維周圍形成水灰比很大的水泥砂漿，進(jìn)一步削弱鋼纖維和混凝土基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

五、展望

1.纖維在水泥混凝土和瀝青混凝土中應(yīng)用較為廣泛，但大多數(shù)以單一纖維的形式加入水泥混凝土或?yàn)r青混凝土中，有必要進(jìn)一步研究?jī)煞N以上的混雜纖維加入水泥混凝土或?yàn)r青混凝土中的效果。

2.纖維為線性材料，再生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)造成纖維表面缺陷。因此，有必要進(jìn)一步研究被聚合物浸漬的各種纖維，其物理性能的變化。

3.在水泥混凝土或?yàn)r青混凝土中，當(dāng)纖維摻量較多時(shí)，會(huì)造成混合料工作性能的下降。因此，有必要進(jìn)一步研究，如何在不影響混合料工作性能的情況下，提高水泥混凝土或?yàn)r青混凝土中纖維的摻量。