纖維混凝土的性能及比較

　　一、引言

　　近年來的研究表明，發(fā)展纖維混凝土是提高高性能混凝土質(zhì)量的重要途徑。纖維混凝土通常是以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基材，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長纖維作增強(qiáng)材料所組成的水泥基復(fù)合材料，主要作用是通過橋接作用來限制圍觀裂縫的發(fā)展，從而改善混凝土的性能。纖維加入水泥基體中的作用：

　　1.阻裂。阻止水泥基體中原有缺陷（微裂縫）的擴(kuò)展并有效延緩新裂縫的出現(xiàn)；

　　2.防滲。通過阻裂提高水泥基體的密實(shí)性，防止外界水分侵入；

　　3.耐久。改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性；

　　4.抗沖擊。提高水泥基體的耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性；

　　5.抗拉。在使用高彈性模量纖維前提下，可以起到提高基體的抗拉強(qiáng)度的作用；

　　6.美觀。改善水泥構(gòu)造物的表觀性態(tài)，使其更加致密、細(xì)潤、平整、美觀。

　　現(xiàn)在主要使用的纖維混凝的種類及優(yōu)缺點(diǎn)

　　1.鋼纖維混凝土其技術(shù)特點(diǎn)是能提高混凝土的韌性和抗拉強(qiáng)度，但是鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，混凝土和易性差，泵送困難、難以施工且易銹蝕，鋼纖維混凝土的自重大、在制造方面使用大量的鋼材，加大了對(duì)鋼材的消耗，增加成本較多。鋼纖維在使用過程中破壞形態(tài)主要是被拔出，而不會(huì)被拉斷，這說明鋼纖維的與混凝土的粘附性不足，這會(huì)影響提高混凝土抗拉強(qiáng)度的效果，它增韌增強(qiáng)的原理是當(dāng)裂縫產(chǎn)生后由于鋼材的高模量和單根的高抗拉強(qiáng)度，阻止了裂縫的進(jìn)一步開展；但由于數(shù)量有限，對(duì)微觀裂縫約束效果不大，對(duì)抗?jié)B、凍融等性能提高并不明顯，另外，施工中鋼纖維密度過大，振搗澆注時(shí)往往會(huì)沉于混凝土下部，不可能均勻分布，這就是理論研究結(jié)論較好而實(shí)際應(yīng)用效果差異很大的主要原因。

　　2.盡管玻璃纖維已用于鋪設(shè)混凝土路面，但是玻璃纖維在使用中暴露很大的缺點(diǎn)，如玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時(shí)間后，其強(qiáng)度和韌性會(huì)有大幅度下降，即由早期高強(qiáng)度、高韌性向普通混凝土退化。眾所周知，普通的玻璃纖維還有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是不耐堿，堿骨料反應(yīng)是水泥混凝土的“癌癥”。因此，普通玻璃纖維是不能用作水泥混凝土基增強(qiáng)材料的，即使是耐堿玻璃纖維（AR）也不適宜與普通波特蘭水泥復(fù)合，最好與低堿度水泥復(fù)合。這主要是為了減輕水泥基材對(duì)玻璃纖維表面的堿性侵蝕作用。我國“雙保險(xiǎn)“的技術(shù)路線（即耐堿玻璃纖維與低堿度水泥復(fù)合）由于是”削足適履“的做法，加之，耐堿玻璃纖維在外觀上很難與普通玻璃纖維相區(qū)別，幾十年來一直難以大面積推廣。

　　3.合成纖維包括聚丙烯纖維、聚酯和聚丙烯腈纖維等，它與鋼纖維的相似點(diǎn)是不受水化產(chǎn)物的侵蝕，有一定的抗拉強(qiáng)度，可三維亂向分布于混凝土基體中，其阻裂原理是充分發(fā)揮了纖維數(shù)量（每公斤數(shù)千萬根）優(yōu)勢(shì)，具有很大的表面積，對(duì)微裂縫約束，使之不至于連通，效果顯著。但是合成纖維密度小，單絲直徑較小，存在增稠效應(yīng)，不利于混凝土的震動(dòng)密實(shí)，由于合成纖維的抗拉強(qiáng)度較低，在使用過程中其破壞形態(tài)主要是纖維被拉斷，且在抗老化、耐堿方面也不夠好。

　　4.碳纖維是20世紀(jì)60年代開發(fā)研制的一種高性能纖維，具有抗拉強(qiáng)度和彈性模量高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土粘結(jié)良好的優(yōu)點(diǎn)，但由于碳纖維價(jià)格昂貴，工程應(yīng)用中受到很大的限制。

　　由以上幾種纖維混凝土的性能可以看出，這幾種纖維混凝土都存在一些缺陷，在滿足高性能混凝土方面都是不太理想，無法很好地解決現(xiàn)存的一些問題。纖維混凝土發(fā)展了幾十年的經(jīng)歷告訴我們：必須在纖維上有所突破，才能使纖維混凝土這種高性能混凝土真正得到廣泛使用。

　　二、玄武巖纖維混凝土

　　隨著生產(chǎn)技術(shù)的解密，連續(xù)玄武巖纖維（簡稱CBF）是近幾年來才時(shí)有報(bào)道的新纖維，它是一種無機(jī)纖維材料，用純天然火山噴出巖為原料，經(jīng)1450~1500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續(xù)纖維，其外觀為金褐色，具有卓越的綜合性能和較低的價(jià)格。連續(xù)玄武巖纖維的特性：

　　（1）原材料的天然性。由于生產(chǎn)CBF的原料取決于天然的火山噴出巖，除了它與生俱來就具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定外，其中并沒有與人類健康有害的成分。（2）性能的綜合性。玄武巖纖維是名副其實(shí)的“多能”纖維。譬如既耐酸又耐堿、既耐低溫又耐高溫，既絕熱電絕緣又隔音，拉伸強(qiáng)度超過大絲束碳纖維，斷裂延伸率比小絲束的碳纖維還要好；CBF表面極性，與樹脂復(fù)合時(shí)界面結(jié)合的浸潤性極好，而且CBF具有三維的分子維數(shù)與分子維數(shù)-維的線性聚合物纖維相比具有較高的抗壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和在耐惡劣環(huán)境中使用的適應(yīng)性、抗老化性等有優(yōu)異的綜合性能。（3）成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武巖纖維價(jià)格并不高，明顯低于鋼纖維、碳纖維等，和合成纖維相當(dāng)。（4）天然的相容性。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，用它與水泥混凝土和砂漿混合時(shí)很容易分散，新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩(wěn)定、和易性好、耐久性好，具有優(yōu)越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性。此外，玄武巖纖維的耐堿性要比耐堿玻璃強(qiáng)（見附表1）。因此，玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土可以在基本建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域起到防滲抗裂、延長使用壽命等作用。CBF是天然綠色的新材料，將給人類的建筑業(yè)和我國優(yōu)先發(fā)展的交通運(yùn)輸領(lǐng)域帶來重大變革！

　　除了它具有強(qiáng)度高、防滲抗裂、耐高溫、耐酸堿腐蝕能力強(qiáng)、抗沖擊性好等一系列優(yōu)點(diǎn)外，它還在我國分布較廣，價(jià)格便宜，造價(jià)低，還兼有綠色、環(huán)保、節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品符合國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策。且大量試驗(yàn)證明玄武巖纖維對(duì)混凝土性能有很好的改善作用，與鋼纖維和合成纖維相比，玄武巖纖維的結(jié)合性更好，玄武巖纖維抗腐蝕耐銹蝕性均好于其它纖維。因此，玄武巖纖維用于水泥混凝土中有其自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，相比鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、合成纖維混凝土和碳纖維混凝土較有明顯的性能、價(jià)格等綜合優(yōu)勢(shì)，替代潛力巨大。

　　玄武巖纖維應(yīng)用在混凝土中的產(chǎn)品主要有玄武巖單絲和加捻合股兩種，單絲纖維類似于其它合成纖維，具有微米級(jí)的直徑，更有其他纖維不可比擬的良好分散性；加捻合股纖維是玄武巖纖維無捻粗紗，用多股平行原絲經(jīng)加捻和合股合而成的玄武巖纖維制品，抗折性好、具有良好的性能?？梢愿鶕?jù)應(yīng)用環(huán)境和目的的不同制造出不同長度、不同直徑、不同捻度和捻向的產(chǎn)品規(guī)格。兩種短切纖維既可根據(jù)需要單獨(dú)加入混凝土，因其具有相同的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和性能，更可以混合使用，生產(chǎn)出一種全新的、綜合了合成纖維和鋼纖維混凝土優(yōu)點(diǎn)的高性能混凝土。與其他纖維混凝土相比，新型玄武巖纖維混凝土主要有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1.兩種具有同類性質(zhì)，不同直徑的纖維可以一起受力，協(xié)同工作，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既共同防裂阻裂，又共同增韌增強(qiáng)。

　　2.玄武巖纖維原絲可以發(fā)揮數(shù)量優(yōu)勢(shì)，具有較大的表面積，對(duì)微裂縫約束，使之不至于連通，效果顯著。并克服了合成纖維的密度小，彈性模量和抗拉強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，不至于在裂縫擴(kuò)展時(shí)被拉斷，有效地防止微裂縫的擴(kuò)展、對(duì)抗?jié)B、抗凍融等效果好于合成纖維。

　　3.玄武巖纖維加捻合股可以發(fā)揮鋼纖維的高模量和單根的高抗拉強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，阻止了裂縫的擴(kuò)展。又克服了鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，不利于攪拌，難以施工且易銹蝕、耐久性差，鋼纖維自重大的缺點(diǎn)。

　　4.玄武巖加捻合股纖維是典型的硅酸鹽纖維，比重為2.63--2.8g/cm³，用它與水泥混凝土和砂漿密度相近，混合時(shí)很容易分散，且均布于混凝土內(nèi)部，克服了鋼纖維混凝土在振搗澆注時(shí)往往會(huì)沉于混凝土下部，不能均勻分布的缺點(diǎn)。

　　5.玄武巖纖維表面已經(jīng)改性，是一種“惰性纖維”，具有高度的穩(wěn)定性，在高溫、高腐蝕性的環(huán)境中能保持穩(wěn)定性能，使玄武巖加捻合股纖維能適應(yīng)混凝土的拌合、澆筑、凝結(jié)和使用的各個(gè)階段的惡劣環(huán)境，提高混凝土的耐久性。

　　三、經(jīng)濟(jì)對(duì)比

　　一般鋼纖維摻量為40kg/m³~120kg/m³，按最低40kg/m³考慮，市場(chǎng)價(jià)目前為7元/kg左右，單方砼增加造價(jià)280元。玄武巖纖維按4kg的搭配，增加造價(jià)4kg×32元/kg=128元/m³，砼增強(qiáng)增韌效果同鋼纖維砼相當(dāng)，降低裂縫性能明顯高于鋼纖維砼。