纖維混凝土研究應(yīng)用現(xiàn)狀與前景(之一)
纖維混凝土是一種新型的復(fù)合材料,是當(dāng)代混凝土改性研究的一個重要領(lǐng)域,近年來,以鋼纖維、合成纖維、碳纖維及玻璃纖維為代表的纖維,在混凝土中應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展,纖維混凝土是繼鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土之后的又一次重大突破。由于纖維和混凝土的共同作用,使混凝土具有一系列優(yōu)越的性能,因而受到國內(nèi)外工程界的極大關(guān)注和青睞,并廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域。
一、纖維在混凝土中的作用在混凝土中摻入短而細(xì)且均勻分布的纖維后,明顯具有阻裂、增強(qiáng)和增韌的效果。纖維與水泥基材料復(fù)合的主要目的在于克服后者的弱點(diǎn),以延長其使用壽命,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。纖維在混凝土中主要起著以下三方面的作用:
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24小時內(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,極易生成大量裂縫,此時,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。混凝土硬化后,若仍處于約束狀態(tài),因周圍環(huán)境溫度與濕度的變化,而使干縮引起的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時,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。
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)混凝土中加入適當(dāng)?shù)睦w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。
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)變曲線下的面積來表示。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。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是纖維混凝土中纖維的作用,并非所有纖維都能同時起到以上三方面的作用,有時只起到其中兩方面或單一方面的作用,這與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的黏結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強(qiáng)度等級等因素密切相關(guān)。
二、纖維的分類和性能
1.纖維的分類
纖維可以按照不同的原則進(jìn)行分類。從工程實(shí)用觀點(diǎn)考慮,可按纖維的材質(zhì)、彈性模量以及長度分類,見表1.
表1 纖維分類表
分類原則 | 類別 |
按纖維的材質(zhì) |
(1)金屬纖維——碳鋼纖維、不銹鋼纖維、鋼棉等。 (2)無機(jī)纖維——玻璃纖維、碳纖維、石棉、礦棉、陶瓷纖維、玄武巖纖維等。 (3)有機(jī)纖維 天然纖維——纖維素纖維、麻纖維、草纖維等; 合成纖維——聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維、聚乙烯醇纖維等。 |
按纖維的彈性模量 | (1)高彈性模量纖維——彈性模量高于水泥基體的纖維,如鋼纖維、石棉、礦棉、玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維等。 (2)低彈性模量纖維——彈性模量低于水泥基體的纖維,如聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維等。 |
按纖維的長度 | (1)非連續(xù)的短纖維——如鋼纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、尼龍纖維、玄武巖纖維等。 (2)連續(xù)的長纖維——如連續(xù)的玻璃纖維、玄武巖纖維等。 |
2.纖維的主要力學(xué)性能
由于纖維品種的不同,它們的力學(xué)性能(包括抗拉強(qiáng)度、彈性模量、斷裂延伸率等)不盡相同,甚至其中某些性能指標(biāo)有較大差異。一般來說,纖維抗拉強(qiáng)度均比水泥基體的抗拉強(qiáng)度要高出兩個數(shù)量級,但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)的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的比值對纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的力學(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,纖維所分擔(dān)的應(yīng)力份額也愈大。纖維的斷裂延伸率一般要比水泥基體高出一個數(shù)量級,但若纖維的斷裂延伸率過大,則往往使纖維與水泥基體過早脫離,因而未能充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。表2列出增強(qiáng)水泥基材料用纖維的主要力學(xué)性能。
表2 增強(qiáng)水泥基材料用纖維的主要力學(xué)性能
纖維品種 | 密度 | 抗拉強(qiáng)度 | 彈性模量 | 斷裂延伸率 |
碳鋼纖維 | 7.80 | 500~2000 | 200~210 | 3.5~4.0 |
不銹鋼纖維 | 7.80 | 2000 | 150~170 | 3.0 |
抗堿玻璃纖維 | 2.70 | 1400~2500 | 70~75 | 2.0~3.5 |
溫石棉 | 2.60 | 500~1800 | 150~170 | 2.0~3.0 |
聚丙烯單絲纖維 | 0.91 | 500~600 | 3.5~4.8 | 15~18 |
聚丙烯膜裂纖維 | 0.91 | 500~700 | 5.0~6.0 | 15~20 |
高模量聚乙烯醇纖維 | 1.30 | 1200~1500 | 30~35 | 5~7 |
改性聚丙烯腈纖維 | 1.18 | 800~950 | 16~20 | 9~11 |
尼龍纖維 | 1.15 | 900~960 | 5.0~6.0 | 18~20 |
高密度聚乙烯纖維 | 0.97 | 2500 | 117 | 3.5 |
芳綸纖維 | 1.45 | 2800~2900 | 62~70 | 3.6~4.4 |
芳綸纖維 | 1.39 | 3000~3100 | 71~77 | 4.2~4.4 |
玄武巖纖維 | 2.8 | 4100~4840 | 93.1~110 | 3.1 |
三、纖維混凝土的分類和特性
1.纖維混凝土的分類
以水泥為主要組分的水泥基體材料可分為水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土。纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料以其基體的集料含量和粒徑不同,可分為:
纖維增強(qiáng)水泥凈漿:指在不含集料的水泥凈漿或摻有細(xì)粉活性材料或填料的水泥凈漿基體中摻入纖維。多用于建筑制品,如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纖維水泥墻板等。
纖維增強(qiáng)水泥砂漿:指在含有細(xì)集料的水泥砂漿基體中摻入纖維。多用于防裂、抗?jié)B結(jié)構(gòu)。如聚丙烯纖維抹面砂漿、鋼纖維防水砂漿等。
通常將纖維增強(qiáng)水泥凈漿和纖維增強(qiáng)水泥砂漿統(tǒng)稱為纖維增強(qiáng)水泥。纖維增強(qiáng)水泥中的纖維,主要起著增強(qiáng)材料的作用,可明顯提高基體材料的抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊、抗疲勞等力學(xué)性能,不同程度地增進(jìn)復(fù)合材料的延性與韌性,主要用以制作薄壁的水泥制品。
纖維增強(qiáng)混凝土:指在含有粗、細(xì)集料的混凝土基體中摻入纖維,簡稱為纖維混凝土(FRC)。依混凝土基體的特征不同,可分為纖維普通混凝土、纖維高強(qiáng)混凝土、纖維膨脹混凝土、纖維耐火混凝土等。有時為了獲得需要的纖維混凝土特性和降低成本,將兩種或兩種以上纖維混合使用,或按纖維功能不同組合使用,分別稱為混合纖維混凝土或組合纖維混凝土。
按照纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量,其增強(qiáng)、增韌效果有明顯差異,故可分為兩類:高彈性模量纖維混凝土和低彈性模量纖維混凝土。
通常,纖維是短切、亂向、均勻分布于混凝土基體中。但是有時采用連續(xù)的纖維(如單絲、網(wǎng)、布、束等)分布于基體中,稱為連續(xù)纖維增強(qiáng)混凝土。
目前在不少國內(nèi)外文獻(xiàn)資料中,對纖維增強(qiáng)水泥和纖維增強(qiáng)混凝土往往不作明確區(qū)分,常把纖維增強(qiáng)水泥也稱纖維增強(qiáng)混凝土,這樣易引起混淆,誤以為在纖維增強(qiáng)混凝土中纖維也可起著主要增強(qiáng)材料的作用,試圖在某些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中減少作為主要增強(qiáng)材料的鋼筋的用量。再如,當(dāng)前國際上正在大力開發(fā)的“活性粉末混凝土”(reactivepowderconcrete,RPC),在有些國家又稱之為“超高性能混凝土”(ultrahighperformanceconcrete, UHPC),實(shí)際上按其纖維摻量、水泥基體的組成以及復(fù)合材料的力學(xué)性能等,理應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)水泥,而不應(yīng)歸屬于纖維增強(qiáng)混凝土,在該復(fù)合材料中纖維起著主要增強(qiáng)材料的作用,有助于大幅度提高抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊與抗疲勞等力學(xué)性能。
這樣的分類主要是考慮到因基體的不同,而使纖維與基體的相互制約以及復(fù)合材料的制備工藝等有很大差異,從而影響到復(fù)合材料的一系列性能及其應(yīng)用范圍等。表3對纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土的主要不同點(diǎn)進(jìn)行了對比。根據(jù)此表不難看出將纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分為兩大類是合理的。
表3纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土的對比
對比項目 | 纖維增強(qiáng)水泥 | 纖維增強(qiáng)混凝土 |
水泥基體材料 | 水泥凈漿或水泥砂漿 | 混凝土 |
纖維長度 | 短纖維、長纖維、纖維織物或短纖維與長纖維(或纖維織物)并用 | 短纖維 |
纖維體積率 | 3%~20% | 0.05%~2% |
復(fù)合材料的制備 | 采用專門的工藝與裝備 | 一般采用普通混凝土的工藝與裝備 |
復(fù)合材料的物理力學(xué)性能 | 有顯著的改進(jìn)或提高,尤其是力學(xué)性能 | 某些性能無影響,某些性能有適度改進(jìn)或提高警 |
應(yīng)用范圍 | 主要用于制作薄壁(厚度3mm-20mm)的預(yù)制品 | 主要用于現(xiàn)澆注的構(gòu)件或構(gòu)筑物(一般厚度為50mm以上) |
應(yīng)該指出,迄今為止,國際上對纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的分類是不明確的。不少國家將纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料等同于纖維增強(qiáng)混凝土。如國際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(RILEM)的19-FRC委員會將纖維混凝土(fiberconcrete)定義為“水硬性水泥不摻集料或摻有各種尺寸的集料,并摻有分散性的纖維增強(qiáng)體所組成”。按此定義顯然是包括了水泥凈漿、水泥砂漿和混凝土三種基體。
再如,在中國與英國命名為玻璃纖維增強(qiáng)水泥(glassfiberreinforcedcement縮寫為GRC)的纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料,在美、法、德等國則命名為玻璃纖維增強(qiáng)混凝土(glassfiberreinforcedconcrete,縮寫為GFRC)。
國際上對纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料分類與命名的不一致,會經(jīng)常出現(xiàn)于有關(guān)的文獻(xiàn)中,應(yīng)注意區(qū)分所用水泥基體,以免將纖維增強(qiáng)水泥與纖維增強(qiáng)混凝土混淆。
2.纖維混凝土的特性
在混凝土中摻入纖維,使混凝土性能發(fā)生明顯改善,與普通混凝土相比,纖維混凝土具有以下特性:
?。?)纖維在混凝土基體中可明顯降低早期收縮裂縫,并可降低溫度裂縫和長期收縮裂縫。
?。?)纖維混凝土開裂后,抵抗變形性能明顯改善,彎曲韌性提高幾倍到幾十倍,壓縮韌性也有一定程度的提高,極限應(yīng)變有所提高。受壓破壞時,基體裂而不碎。
?。?)高彈模的纖維混凝土對抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度(又稱彎拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度)、抗剪強(qiáng)度提高明顯,對于低彈模的纖維混凝土變化幅度不大。
(4)纖維混凝土的彎曲疲勞和受壓疲勞性能顯著提高。
(5)具有優(yōu)良的抗沖擊、抗爆炸等性能。
(6)高彈模纖維增強(qiáng)混凝土用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,可顯著提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度、抗沖切強(qiáng)度、局部受壓強(qiáng)度和抗扭強(qiáng)度,并延緩裂縫出現(xiàn),降低裂縫寬度,提高構(gòu)件的裂后剛度,提高構(gòu)件的延性。
(7)由于纖維可減少混凝土的微裂縫和阻礙宏觀裂縫擴(kuò)展,使混凝土的耐磨性、耐空蝕性、耐沖刷性、抗凍融性和抗?jié)B性有不同程度的提高。
(8)某些特殊纖維配制的混凝土,其熱學(xué)性能、電學(xué)性能、耐久性能較普通混凝土也有變化。如碳纖維混凝土導(dǎo)電性能顯著提高,并具有一定“壓阻效應(yīng)”;低熔點(diǎn)合成纖維配制的纖維混凝土在火災(zāi)過程中,細(xì)微纖維熔化可降低混凝土的爆裂。
?。?)基體混凝土中摻入纖維后,會使拌合料的工作性有所降低,因此在配合比設(shè)計和拌合工藝上采取相應(yīng)措施,使纖維在基體中分散均勻,拌合料具有良好的工作性。
?。?0)提高混凝土的耐久性。
應(yīng)該說明的是,纖維混凝土的上述特性,并非所有纖維混凝土都同時具有這些特性,纖維混凝土的特性與纖維品種、纖維性能、纖維與混凝土界面間的黏結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強(qiáng)度等級等因素有關(guān)。
作者:王璋水
(中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉(zhuǎn)載請注明出處)
編輯:
監(jiān)督:0571-85871667
投稿:news@ccement.com