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，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作用和機理，從而為鋼纖維混凝土的進一步研究、開發(fā)奠定了理論基礎(chǔ)，使它從小規(guī)模探索實驗階段躍進到大面積開發(fā)的新階段。美國在1990 年和1991 年舉行了纖維增強混凝土的專題報告會，正式拉開了纖維增強混凝土研究與應(yīng)用的序幕；1995 年韓國舉行了纖維增強水泥混凝土的專題報告會，1996 年在中國北京舉行了第三屆國際水泥混凝土報告會，表明纖維增強混凝土的研究與應(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效果，安徽皖維公司將維綸用于增強混凝土。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材料。它具有抗裂、抗沖擊性能強、耐磨強度高、與水泥親合性好，可增加構(gòu)件強度，延長使用壽命等優(yōu)點。

      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。此外，由于早期強度高，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、飛機場、橋梁、隧道等。但價格貴、比重大、不易于分散、不宜于在常規(guī)的水泥增強制品中作用。

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、抗彎強度，對韌性也有提高，但費用大。

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。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， 厚度薄： 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高強高效：抗拉強度約為鋼材的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，提高了拉伸強度和抗彎強度。但碳纖維價格偏高，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)成功了高強度玻璃纖維，迄今為止，世界上僅有美、法、日、俄、加及我國六個國家能生產(chǎn)高強度玻璃纖維。由于高強度玻璃纖維性能價格比較優(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。玻璃纖維強度/ 重量比要比鋼大，具有高抗拉強度，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，因為它與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高磨的特點外，還具有耐高溫、耐沖擊、加工性能好等優(yōu)點， 芳綸以其耐沖擊力的優(yōu)點與拉伸強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，雖然對混凝土強度貢獻不大，卻可大幅度提高其韌性。而且價格低廉，生產(chǎn)工藝先進，且施工方便，所以被廣泛的用于廣場、機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，質(zhì)量輕，價格低，使混凝土的能量吸收能力和延性提高，抗彎強度和疲勞極限也有所提高。但其對陽光和氧氣敏感，與水泥機體粘結(jié)弱，耐火性差，抗壓強度沒有提高。

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是有高比表面積，高極限抗張拉強度。與水泥基體有氫鍵作用，因此界面粘結(jié)強度高，能增強抗彎強度。維綸纖維是聚乙烯醇縮醛化的產(chǎn)物，其模量高、強度大、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，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，主要用于下面幾個大的方面：

3. 1 　道路工程

      隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(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)揮其彎拉強度高、抗裂、抗疲勞、耐磨、抗沖擊性能好的特點，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，降低工程維修費用，延長工程使用壽命。實踐證明，采用鋼纖維混凝土這一新型高強復(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)省工程造價等具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益；為提高道路補強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)進步總是和建橋材料的技術(shù)進步緊密相關(guān)的。復(fù)合材料具有的輕質(zhì)、高強和耐腐蝕等特性，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?？梢灶A(yù)計，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)用范圍將逐步擴大。如果說20 世紀(jì)是以鋼鐵和水泥為主要建橋材料的時代，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)件的堅固耐久性性。特別指出在運輸和安裝過程中，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，為保護原碼頭鋼筋混凝土抗海水侵蝕能力，用纖維混凝土進行加固。

　　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、實踐總結(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)的革命都使整個建筑業(yè)的面貌為之一新，進而促進了整個社會文明的進步。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。但隨著國家經(jīng)濟建設(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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