纖維混凝土復(fù)合材料

1、纖維復(fù)合材料理論與應(yīng)用綜述一 論述纖維復(fù)合材料中，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)?；炷潦且环N多相復(fù)合材料，由于各組成材料性質(zhì)的差異和施工養(yǎng)護(hù)的影響，混凝土內(nèi)部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強(qiáng)度，這也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。通過(guò)加人摻合料和化學(xué)外加劑實(shí)現(xiàn)混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度的提高，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，混凝土的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%，仍存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點(diǎn)。隨著抗壓強(qiáng)度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)得愈明顯，而纖維具有抑制混凝土收縮、提高混凝土抗拉強(qiáng)度、增加混凝土韌性的作用，能夠解決高強(qiáng)高性能

2、混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問(wèn)題，也能適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件口 。因此，纖維混凝土是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。1鋼纖維混凝土在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的混凝土， 稱為鋼纖維混凝土或鋼纖維增強(qiáng)混凝土 。與普通混凝土相比，其抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。早期混凝土工程中采用的鋼纖維主要品種有：用細(xì)鋼絲切斷生產(chǎn)的圓直型鋼纖維，用熔抽法生產(chǎn)的鋼纖維，用薄鋼板剪切生產(chǎn)的平直型或扭曲型鋼纖維。隨著混凝土應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)鋼纖維性能的認(rèn)識(shí)不斷深入。根據(jù)試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用實(shí)際情況，鋼絲切斷圓直型纖維與基體的粘結(jié)性能差，碳鋼熔抽

3、型纖維在高溫冷卻過(guò)程中表面往往會(huì)形成氧化皮，從而嚴(yán)重降低了纖維與基體的粘結(jié)性能。因而這幾種類型的鋼纖維在工程中被逐漸淘汰。相應(yīng)的高強(qiáng)鋼絲切斷端鉤型纖維、鋼錠銑削端鉤型纖維、剪切異型纖維、低合金鋼熔抽型纖維，因其增強(qiáng)了與混凝土基體的粘結(jié)力，對(duì)混凝土的阻裂、增強(qiáng)、增韌的效果顯著， 在工程中逐漸得以廣泛應(yīng)用。2碳纖維混凝土碳纖維混凝土是將碳纖維均勾地分散在水泥基體中，用以增加混凝土的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。碳纖維混凝土的主要特征具有普通增強(qiáng)型混凝土所不具備的優(yōu)良機(jī)械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強(qiáng)堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機(jī)械強(qiáng)度和尺寸的穩(wěn)定性。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土

4、的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動(dòng)阻尼特性，可吸收震動(dòng)波，使防震能力和抗彎強(qiáng)度提高十幾倍。碳纖維混凝土具有很高的抗拉性、抗彎性、抗斷裂性、抗蝕性等特點(diǎn)。由于碳纖維的較小的膨脹系數(shù)，碳纖維混凝土的耐熱性較好，溫度變形也較小。碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是：阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展并阻止宏觀裂縫的發(fā)生及發(fā)展。因此對(duì)于其抗拉強(qiáng)度和主要由主拉應(yīng)力控的抗剪、抗彎、抗扭強(qiáng)度等均有明顯改善；同時(shí)具有高基體的抗變形能力，從而改善其抗拉、抗彎和沖擊韌性。碳纖維體積分?jǐn)?shù)為1.18%時(shí)，試件劈拉強(qiáng)度提高1.2%。，按復(fù)合規(guī)則，碳纖維的增強(qiáng)作應(yīng)隨水泥中纖維含量的增

5、大而增加，在碳纖維的重量百分含量小于5%時(shí)，這個(gè)關(guān)系幾乎是線性的，含量再增加時(shí)，碳纖維難以在基體中分散均勻，不能起到增強(qiáng)效果，甚至使碳纖維混凝土抗拉強(qiáng)度降低。此外，碳纖維混凝土還具有良好的耐腐蝕性、抗?jié)B透性、耐磨性、耐干縮性及耐久性。3玻璃纖維混凝土玻璃纖維混凝土是將彈性模量較大的抗堿玻璃纖維，均勾地分布于水泥砂漿、普通混凝土基材中而制得的一種復(fù)合材料。近20年來(lái)，玻璃纖維混凝土在英國(guó)、美國(guó)、日本等40多個(gè)國(guó)家巳開始大量應(yīng)用。它將輕質(zhì)、高強(qiáng)和高韌性優(yōu)點(diǎn)集于一體，在建筑領(lǐng)域中占有獨(dú)特地位。特別自20世紀(jì)90年代以來(lái)，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現(xiàn)，把玻璃纖維混凝土技術(shù)引向新的發(fā)展階段。由于

6、玻璃纖維的直徑僅為5 20 m，幾乎與水泥的顆粒相接近，使用玻璃纖維時(shí)，所用的結(jié)合材料為水泥漿， 或者在其中摻入細(xì)砂來(lái)使用，幾乎不使用粒徑較大的粗骨料。所以，用這種素材制作而成的復(fù)合材料，又稱為增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)水泥。采用玻璃纖維混凝土是建筑工程今后發(fā)展方向，它不僅可以彌補(bǔ)普通混凝土制品自重大、抗拉強(qiáng)度低、耐沖擊性能差等不足，而且還具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纖維混凝土制品較薄，質(zhì)量較輕。由于采用抗拉強(qiáng)度極高的玻璃纖維作增強(qiáng)材料，因而其抗拉強(qiáng)度很高。玻璃纖維均勻分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龜裂，由于在破壞時(shí)能大量吸收能量，因而耐沖擊性能優(yōu)良、抗彎強(qiáng)度較高。此外，玻璃纖維混凝土制品脫模性

7、好、加工方便，易做成各種形狀的異型制品。4聚丙烯纖維混凝土聚丙烯纖維混凝土是將切成一定長(zhǎng)度的聚丙烯纖維， 均勾地分布在水泥砂漿或普通混凝土的基材中，用以增強(qiáng)基材的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。這種纖維混凝土具有輕質(zhì)、抗拉強(qiáng)度高、抗沖擊和抗裂性能等優(yōu)點(diǎn)，也可以以聚丙烯纖維代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，從而增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。聚丙烯纖維混凝土是研究與應(yīng)用最多的混凝土。根據(jù)纖維形狀和構(gòu)造不同，聚丙烯纖維可分為單絲纖維、并行的原纖化纖維束和薄膜纖維。單絲纖維有較高的長(zhǎng)徑比，并行的原纖化纖維束能方便地在水泥基體中分散，雖化學(xué)鍵連接有限，但機(jī)械粘結(jié)好，可使纖維受力時(shí)不被拔出。聚丙烯纖維的抗拉強(qiáng)度雖然比普通

8、混凝土高，但其彈性模量卻比較低，在較高應(yīng)力情況下，混凝土易達(dá)到極限變形。但在摻加適量聚丙烯纖維時(shí)，這種復(fù)合材料的抗沖擊性能比普通混凝土要大得多，這為荷載不高但要求耐沖擊、高韌性構(gòu)件的制作，找到了一條很有發(fā)展前途的路子。此外，聚丙烯纖維不銹蝕，其耐酸、耐堿性能也好。目前纖維混凝土的發(fā)展主要有以下三個(gè)方向：通過(guò)化學(xué)或物理的方法改性纖維，通過(guò)物理或化學(xué)的方法對(duì)纖維進(jìn)行改性，改善纖維與水泥基之間的界面粘結(jié)，增加纖維與水泥基的粘結(jié)力，可以提高纖維的作用效果。不同類型纖維的混雜，混凝土具有多相、多組分，在多尺度層次上復(fù)合的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。不同尺度和不同性質(zhì)的纖維混合增強(qiáng)，可在水泥基中充分發(fā)揮各種纖維的尺度

9、和性能效應(yīng)，并在不同的尺度和性能層次上相互補(bǔ)充、取長(zhǎng)補(bǔ)短。纖維新品種的研究開發(fā)和研究，新型玄武巖纖維和水鎂石纖維混凝土是新近研究開發(fā)很有發(fā)展前景的新型混凝土，具有優(yōu)異的綜合性能和性價(jià)比。二 選擇鋼纖維或聚丙烯纖維混凝土中的一種，論述混凝土中摻加亂向三維分布的纖維后，混凝土綜合性能得到改善的機(jī)理。下面以鋼纖維為例介紹纖維混凝土性能增強(qiáng)機(jī)理。目前，對(duì)于鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，存在著兩種不同的解釋。一種是美國(guó)Rmualdi提出的纖維間距機(jī)理；一種是英國(guó)Swamy、Mangat等人提出的復(fù)合材料機(jī)理。下面我們主要用纖維間距機(jī)理進(jìn)行分析。纖維間距機(jī)理是基于線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用的。該機(jī)理認(rèn)為，在混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，欲提高這種材料的強(qiáng)度，就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)。該模型假定纖維在混凝土拉應(yīng)力方向呈棋盤狀分布（間隔S），裂縫（半徑為a）存在于4根鋼纖維所圍住的中心，此時(shí)，由于拉伸應(yīng)力所引起的粘結(jié)應(yīng)力分布（）產(chǎn)生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近，起著約束裂縫開展的作用。如果設(shè)拉伸應(yīng)力引起的內(nèi)部裂縫端部應(yīng)力集中系數(shù)為，而與裂縫端部相鄰近