纖維混凝土特性研究及應(yīng)用前景

摘　要：為了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點(diǎn)，在混凝土中摻加纖維以改善混凝土性能的研究，發(fā)展得相當(dāng)迅速。目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。就纖維混凝土的分類及相關(guān)特性展開研究，簡要的介紹了纖維混凝土這種新型的土木工程材料。

關(guān)鍵詞：纖維；混凝土；特性

1 　纖維混凝土發(fā)展歷史

     近代關(guān)于纖維混凝土的理論研究開始于1910 年，由美國的Porter 首創(chuàng)。1911 年美國的Graham 正式將鋼纖維摻合到混凝土中，并初步驗(yàn)證了它的優(yōu)越性。1940 年前后，美、英、法、德等國先后取得了一些相關(guān)專利。在第二次世界大戰(zhàn)期間，為了戰(zhàn)爭的需要，日本曾把它用于抗爆結(jié)構(gòu)。1963 年，美國學(xué)者Romuldi 從理論上闡明了鋼纖維的增強(qiáng)作用和機(jī)理，從而為鋼纖維混凝土的進(jìn)一步研究、開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，使它從小規(guī)模探索實(shí)驗(yàn)階段躍進(jìn)到大面積開發(fā)的新階段。美國在1990 年和1991 年舉行了纖維增強(qiáng)混凝土的專題報(bào)告會(huì)，正式拉開了纖維增強(qiáng)混凝土研究與應(yīng)用的序幕；1995 年韓國舉行了纖維增強(qiáng)水泥混凝土的專題報(bào)告會(huì)，1996 年在中國北京舉行了第三屆國際水泥混凝土報(bào)告會(huì)，表明纖維增強(qiáng)混凝土的研究與應(yīng)用已經(jīng)國際化。著名的化學(xué)公司如杜邦公司、3M 公司、日本帝人公司等都開發(fā)出了多種水泥增強(qiáng)用纖維品種，并已經(jīng)在高速公路、橋梁、摩天大樓、地鐵、隧道等土木工程中獲得廣泛應(yīng)用。高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的纖維混凝土已經(jīng)取得了長足發(fā)展，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土已經(jīng)成為國際趨勢。在國外，纖維增強(qiáng)水泥混凝土復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非承重構(gòu)件中。國內(nèi)的研究起步較晚，上海合成纖維研究所研究了錦綸短纖維對水混凝土的增強(qiáng)效果，安徽皖維公司將維綸用于增強(qiáng)混凝土。此外，一些高校和研究院所也就不同種類纖維對混凝土性能的改善作用進(jìn)行了研究。

2 　纖維混凝土種類與特性

      目前研究較多的有鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維混凝土等。水泥混凝土中常用的纖維分為鋼纖維和非鋼纖維兩類，非鋼纖維按照彈性模量可以分為兩大類： 高彈性模量纖維（ Ef / Ec > 1） 和低彈性模量纖維（ Ef / Ec < 1） 。低彈性模量纖維（如各種有機(jī)纖維、尼龍、聚丙烯、聚乙烯等） 只能提高混凝土的韌性、抗沖擊性能等與材料的塑性有關(guān)的物理性能；高彈性模量纖維（如鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等） 則能夠改善混凝土的強(qiáng)度和剛性。

2. 1 　鋼纖維混凝土

      鋼纖維是當(dāng)今世界各國普遍采用的混凝土增強(qiáng)材料。它具有抗裂、抗沖擊性能強(qiáng)、耐磨強(qiáng)度高、與水泥親合性好，可增加構(gòu)件強(qiáng)度，延長使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。

      鋼纖維因其不同的加工生產(chǎn)方法而區(qū)分為熔抽型、拉絲切斷型、剪切型和切削型等。經(jīng)緯牌鋼纖維是剪切型鋼纖維?，F(xiàn)可生產(chǎn)平直微扭形、波浪形、端勾形、弓形和壓痕形五種形狀20 多個(gè)規(guī)格的產(chǎn)品。鋼纖維又因其不同的原材料而分為普通鋼纖維和特種鋼纖維。在普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中摻入鋼纖維，不但可以提高抗拉、抗剪和抗彎強(qiáng)度，而且在使用性能如斷裂韌性、極限應(yīng)變、裂后承載和耐磨、抗折、抗沖擊、抗疲勞等方面都獲得顯著改善。而且，在同等強(qiáng)度下可減少混凝土厚度，節(jié)約混凝土用量40 %～50 %， 大大降低工程造價(jià)。此外，由于早期強(qiáng)度高，以及較大的縮縫間距，可縮短施工周期25 %，特別適用于要求快速連續(xù)澆筑混凝土的較大工程，如道路、港口、飛機(jī)場、橋梁、隧道等。但價(jià)格貴、比重大、不易于分散、不宜于在常規(guī)的水泥增強(qiáng)制品中作用。

2. 2 　高彈性模量纖維混凝土

      高彈性模量纖維混凝土在未產(chǎn)生裂紋之前，因纖維彈性模量較高，根據(jù)“混合定律”，復(fù)合材料的彈性模量隨纖維摻量增加而增加，開裂之后主要是纖維受力，只要纖維體積摻量超過臨界纖維體積摻量，復(fù)合材料承載能力就不會(huì)降低，反而增加。采用高彈性模量纖維可大幅度提高混凝土抗拉、抗彎強(qiáng)度，對韌性也有提高，但費(fèi)用大。

2. 2. 1 　碳纖維混凝土

       碳纖維是20 世紀(jì)60 年代以來隨航天工業(yè)等尖端技術(shù)對復(fù)合材料的苛刻要求而發(fā)展起來的新材料，具有強(qiáng)度高、彈性模量高、比重小、耐疲勞和腐蝕、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維由許多單纖維組成的纖維束構(gòu)成，而單纖維由層狀石墨小晶體組成。直徑為7～15μm。石墨晶體中碳原子在層內(nèi)以六角形排列，層與層之間由共價(jià)鍵和范德華力作用而結(jié)合在一起。碳纖維的特性包括： ①重量輕， 厚度?。?比重為鋼的1/ 4 ， 厚度約為0. 1～0. 2mm ，單位面積重量約為鋼板的1/ 100 。②高強(qiáng)高效：抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10 倍，比重僅為鋼的1/ 4 。③良好的耐久性及耐腐蝕性能：耐酸、堿、鹽及大氣環(huán)境的腐蝕。④施工方便：質(zhì)地柔軟，易加工，手工操作，不需大型機(jī)具，施工效率高。⑤施工質(zhì)量易保證：與混凝土有效接觸面積達(dá)80 %以上。⑥適用范圍廣：適用于各種工業(yè)與民用建筑的梁、板、柱及橋梁、隧道、煙囪等建筑物和構(gòu)筑物。碳纖維混凝土具有良好的塑性變形特性，而且具有導(dǎo)電性，可用于抗靜電地面和電磁屏蔽室。壓縮韌性比較好，提高了拉伸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。但碳纖維價(jià)格偏高，生產(chǎn)成本比較大。

2. 2. 2 玻璃纖維混凝土

      目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強(qiáng)度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。20 世紀(jì)50 年代末美國首先研究開發(fā)成功了高強(qiáng)度玻璃纖維，迄今為止，世界上僅有美、法、日、俄、加及我國六個(gè)國家能生產(chǎn)高強(qiáng)度玻璃纖維。由于高強(qiáng)度玻璃纖維性能價(jià)格比較優(yōu)越，以年增長率10%以上的速度發(fā)展。石英玻璃纖維及高硅氧玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是比較理想的耐熱防火材料。玻璃纖維強(qiáng)度/ 重量比要比鋼大，具有高抗拉強(qiáng)度，具有堿溶性。它的延伸性低，具有很高的抗變形能力。沒有長期蠕變性，玻璃纖維不發(fā)生蠕變，能確保產(chǎn)品長期使用。此外，玻璃纖維具有優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性和高低溫的穩(wěn)定性。還有，玻璃纖維在道路工程施工中，有很廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗c路面混合料具有良好的相容性。

2. 2. 3 芳香族聚酰胺纖維混凝土

      芳香族聚酰胺纖維于1965 年由美國杜邦公司發(fā)明，與玻璃纖維相比，其比重更小，韌性較好。芳綸除了在物理性能上具有高強(qiáng)高磨的特點(diǎn)外，還具有耐高溫、耐沖擊、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)， 芳綸以其耐沖擊力的優(yōu)點(diǎn)與拉伸強(qiáng)度高的碳纖維組合成為高性能的尖端復(fù)合材料。芳香族聚酰胺纖維的熱穩(wěn)定性和其他性能介于碳纖維和聚丙烯纖維之間，但其價(jià)格比較低，具有相當(dāng)競爭力，比其他高性能纖維有更廣的應(yīng)用。在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)又能改善其耐磨損性和抗沖擊性。

2. 3 低彈性模量纖維混凝土

      低彈性模量纖維一般容易發(fā)生較大的蠕變，而且泊松比較大，但物理力學(xué)性能良好，雖然對混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，卻可大幅度提高其韌性。而且價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，且施工方便，所以被廣泛的用于廣場、機(jī)場等大面積混凝土工程中。

2. 3. 1 聚丙烯纖維混凝土

      根據(jù)纖維的形狀和構(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。聚丙烯纖維在混凝土的堿性條件下非常穩(wěn)定，有較高的熔點(diǎn)，質(zhì)量輕，價(jià)格低，使混凝土的能量吸收能力和延性提高，抗彎強(qiáng)度和疲勞極限也有所提高。但其對陽光和氧氣敏感，與水泥機(jī)體粘結(jié)弱，耐火性差，抗壓強(qiáng)度沒有提高。

2. 3. 2 聚乙烯醇纖維及維綸纖維混凝土

      聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯在酸或堿性條件下水解而來。聚乙烯醇纖維其特點(diǎn)是有高比表面積，高極限抗張拉強(qiáng)度。與水泥基體有氫鍵作用，因此界面粘結(jié)強(qiáng)度高，能增強(qiáng)抗彎強(qiáng)度。維綸纖維是聚乙烯醇縮醛化的產(chǎn)物，其模量高、強(qiáng)度大、伸度低，耐酸堿，耐日曬老化性能好，同水泥和高分子材料結(jié)合力強(qiáng)，無環(huán)境污染等。

2. 3. 3 聚酰胺類纖維混凝土

      聚酰胺又稱尼龍，聚酰胺纖維與水泥基體相容性好，能經(jīng)受水泥水化產(chǎn)物的侵蝕而不受損，耐久性良好，價(jià)格低廉，與水泥基體粘合好。摻加了尼龍纖維的混凝土和砂漿的抗裂性能也得到提高，能有效控制裂縫發(fā)展。

2. 3. 4 聚酯纖維混凝土

      聚酯（聚對苯二甲酸乙二醇酯） 通常分為線性不飽和聚酯、線性飽和聚酯和熱固性聚酯三類。聚酯纖維具有較高的彈性模量， 能提高混凝土的抗沖擊強(qiáng)度。但聚酯纖維不耐堿，這使得聚酯纖維混凝土在一些工程中的使用受到限制。

3 　纖維混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域

      纖維混凝土在土木工程中有著廣泛的應(yīng)用，主要用于下面幾個(gè)大的方面：

3. 1 　道路工程

      隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通發(fā)展迅猛，城市道路和國道干線公路上的車輛荷載及密度越來越大，車速也越來越快，直接導(dǎo)致路面的損壞也日趨嚴(yán)重。特別是對損壞的水泥混凝土路面而言，它不僅翻修投資大，且施工周期較長，嚴(yán)重影響交通暢通及行車安全。鋼纖維混凝土應(yīng)用于道面工程，可以充分發(fā)揮其彎拉強(qiáng)度高、抗裂、抗疲勞、耐磨、抗沖擊性能好的特點(diǎn)，可取代鋼筋，減薄道面厚度，加大縮縫間距，縮短施工周期，提高工程質(zhì)量，降低工程維修費(fèi)用，延長工程使用壽命。實(shí)踐證明，采用鋼纖維混凝土這一新型高強(qiáng)復(fù)合材料對路面修理，既可提高路面的抗裂性、抗彎曲、耐沖擊和耐疲勞性，而且可改善路面的使用性能，延長使用壽命，從而減少老路開挖，對節(jié)省工程造價(jià)等具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；為提高道路補(bǔ)強(qiáng)與改造提供了良好的途徑。

3. 2 　橋梁與隧道工程

      橋梁的技術(shù)進(jìn)步總是和建橋材料的技術(shù)進(jìn)步緊密相關(guān)的。復(fù)合材料具有的輕質(zhì)、高強(qiáng)和耐腐蝕等特性，是其具有發(fā)展前景的基本條件。在橋梁工程中，用纖維混凝土作橋面鋪裝層可有效地抑制和減少裂縫，增強(qiáng)橋面的防水性和抗破碎能力，減緩鋼筋銹蝕和延長結(jié)構(gòu)的壽命。可以預(yù)計(jì)，在21 世紀(jì)，隨著復(fù)合材料的大規(guī)模生產(chǎn)以及生產(chǎn)成本的下降，其在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將逐步擴(kuò)大。如果說20 世紀(jì)是以鋼鐵和水泥為主要建橋材料的時(shí)代，那么21 世紀(jì)將有可能成為復(fù)合材料逐步取代鋼鐵建橋的時(shí)代。

3. 3 　在工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用

      對于高層、大跨的建筑工程和建筑中常用混凝土預(yù)制構(gòu)件、預(yù)制管道等采用纖維混凝土后，能明顯提高結(jié)構(gòu)、構(gòu)件和預(yù)制管道的承載能力和抗裂、抗震性能，能明顯提高構(gòu)件的堅(jiān)固耐久性性。特別指出在運(yùn)輸和安裝過程中，因纖維混凝土提高了抗裂、抗震和抗破損能力，減少的損失比加入纖維增加的費(fèi)用要合算得多。

3. 4 　在海岸工程中的應(yīng)用

      纖維混凝土由于具有特殊的抗龜裂、抗沖擊、致密性和防滲性能，能延緩海水中的氯離子對鋼筋的銹蝕，延緩海水中硫酸鹽、鎂離子對混凝土的侵蝕，并提高建筑物抗波浪沖擊和碼頭重物沖擊的能力，這些特點(diǎn)引起了海岸工作建設(shè)者的重視。挪威奧斯陸集裝箱碼頭，為防止海水對建筑物的腐蝕，提高碼頭抗集裝箱的撞擊破壞能力，并防止嚴(yán)寒氣候條件下，冰凍對混凝土的滲透膨脹破壞，較早地采用了纖維混凝土。美國在巴拿馬海軍港口碼頭，為保護(hù)原碼頭鋼筋混凝土抗海水侵蝕能力，用纖維混凝土進(jìn)行加固。

　　纖維混凝土的應(yīng)用還涉及到蓄水池、浮塢、污水處理系統(tǒng)等多領(lǐng)域。有關(guān)方面的具體應(yīng)用，還需要我們通過必要的科學(xué)試驗(yàn)、實(shí)踐總結(jié)以后逐步推廣。

4 　結(jié)語與展望

      混凝土作為較古老的建筑材料，其發(fā)展經(jīng)過了一個(gè)較漫長的歷史，其間也發(fā)生了幾次根本的革命。每一次混凝土技術(shù)的革命都使整個(gè)建筑業(yè)的面貌為之一新，進(jìn)而促進(jìn)了整個(gè)社會(huì)文明的進(jìn)步。纖維混凝土是一種新型建筑材料，它將合成化學(xué)纖維和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合，可有效防止混凝土因早期干縮，塌沉所引起的內(nèi)蘊(yùn)裂縫。纖維混凝土的應(yīng)用范圍很廣，在高層、大跨建筑工程， 高速公路路面，荷載較大的倉庫地面、機(jī)場、貯水池等結(jié)構(gòu)中已得到廣泛應(yīng)用。值得我國參考研究。國外已經(jīng)比我國超前發(fā)展了幾十年，我國的纖維混凝土在實(shí)際工程建設(shè)中的應(yīng)用還處于起步階段，工程技術(shù)研究人員還任重而道遠(yuǎn)。但隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和人們對工程質(zhì)量要求的日益提高，我們有理由相信， 纖維混凝土將展示出它超群的優(yōu)勢。

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