纖維增強(qiáng)混凝土

纖維混凝土

學(xué)生：唐晶晶張亞楠1主要內(nèi)容一、概述二、纖維混凝土的發(fā)展與分類(lèi)三、纖維在混凝土中的作用四、纖維增強(qiáng)機(jī)理五、常用的纖維混凝土六、纖維混凝土在工程中的應(yīng)用2一、概述纖維混凝土，或稱(chēng)纖維增強(qiáng)混凝土是以水泥漿、砂漿或混凝土為基材，以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長(zhǎng)纖維作為增強(qiáng)材料，均勻地?fù)胶显诨炷林卸M成的一種新型水泥基復(fù)合材料的總稱(chēng)，是興起于20世紀(jì)后半葉的一種新型土木工程材料。3二、發(fā)展與分類(lèi)纖維混凝土的發(fā)展鋼纖維混凝土研究時(shí)間最早，應(yīng)用的也最廣泛。20世紀(jì)70年代，鋼纖維混凝土的研究發(fā)展很快，且碳、玻璃、石棉等高彈性纖維混凝土，尼龍、聚丙烯、植物等低彈性纖維混凝土的研制也引起了各國(guó)的關(guān)注。就目前情況來(lái)看，鋼纖維混凝土在大面積混凝土工程中應(yīng)用最為成功。玻璃纖維、聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用也取得一定的經(jīng)驗(yàn)，較多的應(yīng)用于管道、樓板、樓梯、梁、電線桿等。纖維混凝土由于抗疲勞和抗沖擊性能良好，預(yù)計(jì)將來(lái)在抗震建筑中也會(huì)得到廣泛應(yīng)用。4

分類(lèi)1）按纖維配置方式分亂向短纖維增強(qiáng)混凝土。短纖維呈亂向的2維和3維分布。（玻璃纖維混凝土、石棉纖維混凝土、普通鋼纖維混凝土等）連續(xù)長(zhǎng)纖維（或網(wǎng)布）增強(qiáng)混凝土。長(zhǎng)纖維呈1維或2維定向分布。（如長(zhǎng)玻璃纖維混凝土、長(zhǎng)碳纖維混凝土）連續(xù)長(zhǎng)纖維和亂向短纖維復(fù)合增強(qiáng)混凝土不同尺度不同性質(zhì)的纖維增強(qiáng)混凝土5

2）按纖維增強(qiáng)混凝土的性能分類(lèi)普通纖維混凝土（如普通鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土）高性能增強(qiáng)混凝土（如流漿浸漬鋼纖維混凝土、纖維增強(qiáng)活性細(xì)?；炷粒┏咝阅茉鰪?qiáng)混凝土（如纖維增強(qiáng)高致密水泥基均勻體系、纖維增強(qiáng)宏觀無(wú)缺陷水泥等）6纖維增強(qiáng)機(jī)理7二、為什么要用纖維增強(qiáng)混凝土1.水泥混凝土的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：取材方便，造價(jià)低廉，生產(chǎn)簡(jiǎn)單，抗壓強(qiáng)度較高等。弱點(diǎn)：主要是抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差和抵抗變形性能差，即韌性差，材料的脆性或準(zhǔn)脆性明顯，其抗拉強(qiáng)度僅是抗壓強(qiáng)度的1/7～1/10，受拉的極限延伸率只有0.01%～0.06%，在較低的拉伸變形時(shí)極易發(fā)生開(kāi)裂。8二、為什么要用纖維增強(qiáng)混凝土2.改善途徑混凝土存在上述缺陷是本質(zhì)性的，不可能通過(guò)本身材質(zhì)的改良來(lái)解決，只有采用“復(fù)合化”的技術(shù)途徑。經(jīng)材料科學(xué)工作者的長(zhǎng)期探索與研究，提出了鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土的二次的重大突破，而后又提出了纖維增強(qiáng)混凝土，有學(xué)者認(rèn)為，這是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土之后的第三次的重大突破。9

三、纖維在混凝土中的作用在混凝土中摻入均勻分布的纖維后，明顯提高混凝土的性能。纖維在混凝土中主要起著以下三方面的作用： （1）阻裂作用 （2）增強(qiáng)作用 （3）增韌作用10（1）阻裂作用纖維可阻礙混凝土中微裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，這種阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性階段，也存在于混凝土的硬化階段。水泥基體在澆注后的24h內(nèi)抗拉強(qiáng)度低，若處于約束狀態(tài)，當(dāng)其所含水分急劇蒸發(fā)時(shí)，極易生成大量裂縫，此時(shí)，均勻分布于混凝土中的纖維可承受因塑性收縮引起的拉應(yīng)力，從而阻止或減少裂縫的生成?；炷劣不?，若仍處于約束狀態(tài)，因周?chē)h(huán)境溫度與濕度的變化而使干縮引起的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，也極易生成大量裂縫，在此情況下纖維仍可阻止或減少裂縫的生成。11（2）增強(qiáng)作用混凝土不僅抗拉強(qiáng)度低，而且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證。當(dāng)混凝土中加入適量的纖維后，可使混凝土的抗拉強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度等有一定的提高。12（3）增韌作用纖維混凝土在荷載作用下，即使混凝土發(fā)生開(kāi)裂，纖維還可橫跨裂縫承受拉應(yīng)力并可使混凝土具有良好的韌性。韌性是表征材料抵抗變形性能的重要指標(biāo)，一般用混凝土的荷載—撓度曲線或拉應(yīng)力—應(yīng)變曲線下的面積來(lái)表示的。13

另外，還可提高和改善混凝土的抗凍性、抗?jié)B性以及耐久性等性能。14四、纖維增強(qiáng)機(jī)理對(duì)于混凝土中均勻而任意分布的短纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理，存在兩種不同的理論解釋?zhuān)好绹?guó)人提出的纖維間距機(jī)理；英國(guó)人提出的復(fù)合材料機(jī)理。連續(xù)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)混凝土的理論主要是從復(fù)合材料力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的，包括多縫開(kāi)裂理論、混合率法則等。15

纖維間距機(jī)理機(jī)理認(rèn)為:混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，要提高這種材料的強(qiáng)度，必須盡可能減小缺陷的程度，提高材料的韌性，降低內(nèi)部裂縫尖端部的應(yīng)力集中系數(shù)。由于拉力的作用，裂縫的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中系數(shù)k1,。當(dāng)裂縫擴(kuò)展至纖維與基材的過(guò)渡區(qū)時(shí)，由于纖維的拉伸應(yīng)力所引起的粘結(jié)應(yīng)力與k1方向相反的應(yīng)力集中系數(shù)k2，故總的應(yīng)力集中系數(shù)下降為k1-k2.所以，混凝土的初裂強(qiáng)度得以提高。16

復(fù)合材料機(jī)理復(fù)合材料機(jī)理的出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的加和原理，將纖維增強(qiáng)混凝土看做是纖維強(qiáng)化的多相體系，其性能是各項(xiàng)性能的加和值，并應(yīng)用加和原理來(lái)推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度。該機(jī)理用于混凝土?xí)r有如下假設(shè)：纖維與水泥基材均呈彈性變形；纖維沿著應(yīng)力作用方向排列，并且是連續(xù)的；纖維、基材與纖維混凝土發(fā)生相同的變形值；纖維與水泥基材的粘結(jié)良好，二者不發(fā)生滑動(dòng)。17五、常用的纖維混凝土鋼纖維混凝土普通鋼纖維混凝土的纖維體積率在1%—2%之間，較之普通混凝土，抗拉強(qiáng)度提高40%—80%，抗彎強(qiáng)度提高60%—120%，抗剪強(qiáng)度提高50%一100%，鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度，隨著纖維摻量的提高而明顯增加，對(duì)提高受彎構(gòu)件的承載能力，起很大作用。18工程中常用的纖維混凝土有鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、合成纖維混凝土。

鋼纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度，隨著纖維摻量的增加而稍有增加，一般在0—25%之間，但抗壓韌性卻大幅度提高。鋼纖維混凝土的破壞改變了混凝土脆性破壞的形式，由脆性破壞變?yōu)榻朴谘有詳嗔眩跀嗔亚俺霈F(xiàn)較大變形，裂縫擴(kuò)展速度較慢，提高了混凝土的韌性和抗裂性。在動(dòng)荷載作用下，鋼纖維混凝土在裂縫擴(kuò)展時(shí)，首先是鋼纖維克服基材的粘結(jié)力而被拔出，或是鋼纖維達(dá)到屈服而被拉斷。這都需要消耗大量的能量。因此，鋼纖維混凝土能提高抗沖擊性能。鋼纖維混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度、受壓彈性模量和泊松比與普通混凝土相比，均相差不多；但鋼纖維混凝土的極限應(yīng)變大于普通混凝土。19

玻璃纖維混凝土玻璃纖維增強(qiáng)混凝土,是在混凝土基體中均勻分散一定比例的特定玻璃纖維，使混凝土的韌性得到改善，抗彎性抗壓比得到提高的一種特種混凝土。組成材料：玻璃纖維混凝土的原材料與普通混凝土有很大的區(qū)別：耐堿玻璃纖維：提高玻璃纖維的耐堿蝕能力，提高耐久性。（原因：與其它纖維相比,玻璃纖維易被水泥中的水化產(chǎn)物腐蝕）低堿水泥：其中低堿硫鋁酸鹽水泥是目前在GRC中應(yīng)用最多的一種水泥，對(duì)玻璃纖維的腐蝕作用較低，不會(huì)使玻璃纖維喪失強(qiáng)度。該水泥的主要原料是石灰石、礬土、石膏。20

其他材料：其他的材料大致與普通混凝土相同，只是為了增加玻璃纖維的均勻性而對(duì)集料的最大粒徑有一定限制，含砂率也較素混凝土高，在混合料中加入硅灰和粉煤灰有助于增加玻璃纖維流動(dòng)和均勻分布，對(duì)GFRC的后期強(qiáng)度也有所提高。性能玻璃纖維混凝土不僅彌補(bǔ)了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備的特性，例如制品可以較薄、自重較輕、抗拉強(qiáng)度很高，表面沒(méi)有龜裂，耐沖擊性能優(yōu)良，抗彎強(qiáng)度高，脫模性好，加工方便，易做成各種異型制品。21

玻璃纖維混凝土的施工工藝與普通混凝土不同，澆筑需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備和特殊的方法。密實(shí)成型采用不同類(lèi)型的平板或插入振動(dòng)器、振動(dòng)臺(tái)和輪壓設(shè)備。成型方法主要有直接噴射法和鋪網(wǎng)噴漿法。22

合成纖維混凝土用于纖維混凝土的合成纖維種類(lèi)很多，但目前最常用的是聚丙烯纖維。物理力學(xué)性能由于合成纖維的抗拉強(qiáng)度很高，但彈性模量卻很低，所以配制的混凝土具有比普通混凝土抗拉強(qiáng)度高，但彈性模量較低的特性。在較高的應(yīng)力情況下，混凝土已經(jīng)達(dá)到極限變形時(shí)，纖維還沒(méi)有產(chǎn)生約束應(yīng)力混凝土就開(kāi)始破裂。所以，同不含纖維的普通混凝土相比，合成纖維混凝土的抗壓、抗彎、抗剪、耐熱、抗凍等性能幾乎都沒(méi)有提高。23

聚丙烯纖維對(duì)砂漿和混凝土的抗塑性收縮與開(kāi)裂性能有明顯影響。有試驗(yàn)證明，拉絲和單拉絲纖維的摻量達(dá)到0.1%及以上時(shí)可能完全阻止水泥砂漿塑性收縮開(kāi)裂。當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為0.5%--1.0%時(shí)，不同種類(lèi)的聚丙烯纖維都明顯提高了砂漿和混凝土的抗彎韌性。工作性和耐久性合成纖維在混凝土拌合物中有良好的分散性，對(duì)攪拌工藝和攪拌時(shí)間沒(méi)有特殊要求。混凝土中添加合成纖維時(shí)，坍落度稍有降低，但能夠改善拌合物的保水性和粘聚性，混凝土的泵送性整體上得到提高。24

纖維形成的三維亂向支撐體系能有效的減少混凝土的泌水，降低混凝土的孔隙率，并且減少混凝土的塑性收縮裂縫，因而能大幅度提高混凝土的抗?jié)B性?；炷林刑砑舆m量纖維后，隨著抗?jié)B性、抗裂性的提高，混凝土的耐久性將得到改善，尤其是混凝土中使用硅灰等超細(xì)礦物摻合料時(shí)，獲得的效果更好。25

六、纖維混凝土在工程中的應(yīng)用施工要點(diǎn)

纖維混凝土的成品性質(zhì)，決定于纖維的類(lèi)型和尺寸，以及生產(chǎn)方法。由于有大的表面積，用水要求多，并且纖維有相互連接和“成球”的傾向。玻璃纖維需水量要求特別高，因?yàn)樵陂L(zhǎng)絲間附著著水使各纖維分開(kāi)。此外，水灰比、粗細(xì)集料比都與普通混凝土有細(xì)微差別，須加以注意。

纖維增強(qiáng)混凝土振搗較困難。增加粗集料含量可以大幅度增加搗實(shí)性。對(duì)大多數(shù)纖維拌合料，用外部振動(dòng)，還能減少泌水和改善拌合料的內(nèi)聚力。262.纖維的主要力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度纖維抗拉強(qiáng)度均比水泥基體的抗拉強(qiáng)度要高出二個(gè)數(shù)量級(jí)。彈性模量不同品種纖維的彈性模量值相差很大，有些纖維(如鋼纖維與碳纖維)彈性模量高于水泥基體，而大多數(shù)有機(jī)纖維(包括很多合成纖維與天然植物纖維)的彈性模量甚至低于水泥基體。纖維與水泥基體的彈性模量比值對(duì)纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料力學(xué)性能有很大影響，如該比值愈大，則在承受拉伸或彎曲荷載時(shí)，纖維所分擔(dān)的應(yīng)力份額也愈大。斷裂延伸率 纖維的斷裂延伸率一般要比水泥基體高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，但若纖維的斷裂延伸率過(guò)大，則往往使纖維與水泥基體過(guò)早脫離，因而未能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。

272.纖維的主要力學(xué)性能28纖維增強(qiáng)混凝土纖維品種密度(g/cm3)抗拉強(qiáng)度(MPa)彈性模量(GPa)斷裂延伸率(%)碳鋼纖維不銹鋼纖維抗堿玻璃纖維溫石棉聚丙烯單絲纖維聚丙烯膜裂纖維高模量聚乙烯醇纖維改性聚丙烯腈纖維尼龍纖維高密聚乙烯纖維芳綸纖維碳纖維7.807.802.702.600.910.911.301.181.150.971.451.39500～200020001400～2500500～1800500～600500～7001200～1500800～950900～96025002800～29003000～3100200～21015