纖維混凝土存在的問題與玄武巖纖維應用分析

　　摘要：總結分析了纖維增強混凝土的作用機理、影響因素和目前存在的主要問題。新近開發(fā)研究的新型玄武巖纖維具有優(yōu)異性能，并且被認為是富有希望的新型礦物纖維。結合當前的研究發(fā)展情況，認為玄武巖纖維在纖維混凝土中將起重要作用。

　　關鍵詞：纖維混凝土；玄武巖纖維；應用分析

　　0 引言

　　混凝土是一種多相復合材料、各組成材料性質(zhì)差異、并且受施工養(yǎng)護影響，混凝土內(nèi)不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。加入摻合料和化學外加劑，提高混凝土的密實性和強度，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，它們的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點[1]。并且隨著強度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點之一。纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題[1]。同時，也能夠適應現(xiàn)有施工水平和設備條件。

　　1 纖維在混凝土中作用的機理

　　纖維的阻裂效應是纖維作用的主要方面。早期混凝土和硬化混凝土性能不同，纖維取的作用及其效果也不同。因此，纖維作用機理可以從早期混凝土和硬化混凝土兩個階段論述。

　　1.1 早期混凝土中纖維的作用 

　　混凝土中摻入一定量的纖維攪拌時，纖維在混凝土內(nèi)部能構成一種均勻的亂向支撐體系承托骨料，產(chǎn)生一種有效的二級加強效果，阻礙了沉降裂縫的產(chǎn)生與集料的離析、減少了離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展?；炷脸尚秃螅嗪退l(fā)生水化反應以及水分蒸發(fā)、產(chǎn)生塑性收縮，此時混凝土的抗拉強度低，收縮容易產(chǎn)生裂縫。在混凝土中摻入纖維后，纖維在混凝土中亂向分布，纖維的彈性模量相對于混凝土塑性漿體的較高，依靠纖維材料與水泥漿之間的界面吸附粘結力，將一部分收縮能量分散到纖維單絲上，增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強度，從而抑制混凝土微細裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了混凝土的密實。表層材料中存在纖維，也使其水分遷移較為困難，從而使毛細管失水收縮形成的毛細管張力有所減少，減少了水分的蒸發(fā)，降低了材料表面的析水，提高了混凝土的保水性能。

　　1.2 纖維在硬化混凝土中阻裂作用

　　硬化混凝土在荷載作用下，原有裂縫逐步擴展同時引發(fā)新的裂縫。當微裂縫的長度小于纖維間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維生成更微細的裂縫場，也能阻礙荷載裂縫的形成和擴展，起增強增韌的作用。在荷載作用下，裂縫進一步擴展，當微裂縫長度大于纖維間距裂縫發(fā)生時，其前端與纖維相交，纖維將跨越裂縫，起傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應力場更加連續(xù)、均勻，微裂縫尖端的應力集中得以緩和，裂縫的進一步擴展受到約束。

　　如果纖維摻過少，纖維間距較大，纖維還未發(fā)揮其阻裂效應，混凝土就可能已經(jīng)破壞。依據(jù)多縫開裂理論，當纖維摻量大于臨界體積率時，纖維將承擔全部荷載，并有可能產(chǎn)生多縫開裂現(xiàn)象。在多縫開裂時，裂縫間距變小、數(shù)量增多、裂紋更細，從而提高了復合材料的韌性，改變了應力－應變狀態(tài)。對于低彈性模量的纖維在混凝土能吸收破壞能量，延緩混凝土破壞速度，分散了破壞程度，表現(xiàn)為多縫開裂方式。

　　與此同時，纖維是一種不連續(xù)的分散相、摻入混凝土中后使材料界面增加，并且纖維表面易吸附水分、影響了界面性能、可能降低混凝土強度。纖維表面對水分的吸附以及纖維的粘滯作用也導致了混凝土流動性的降低。

　　2 纖維在混凝土中作用的影響因素

　　混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，是纖維混凝土應用的前提之一。纖維的作用受施工過程、組成材料等影響波動較大，并且影響到纖維混凝土的質(zhì)量。

　　2.1 與纖維有關參數(shù)的影響

　　首先，纖維必須具有較好的耐堿性?；炷了蟪蕢A性，纖維不受水泥水化物的侵蝕才能發(fā)揮其物理效應。其次，纖維具有比較高的抗拉強度和較大的變形能力。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，與水泥基體相比，抗拉強度至少要高出兩個數(shù)量級，極限延伸率至少要高出一個數(shù)量級[2]。再次，纖維應該滿足長徑比的要求并且具有合適的尺寸規(guī)格。纖維長度與直徑的比值大于臨界值時才能保證足夠的粘結力，對水泥基體產(chǎn)生增強效應。纖維過長，在攪拌過程中較易成團。在均勻分散的前提下，纖細而挺實的纖維界面層的疊加效應尤為顯著[3]，具有更好的抗裂、增強性能，但是過細的纖維對強度影響不利。最后，纖維應滿足合適摻量的要求。纖維摻量太少，纖維起不到阻裂的作用。纖維摻量過多使混凝土和易性變差，同時，過多的界面使內(nèi)部界面微裂紋增多，混凝土基體強度性能反而下降。

　　2.2 施工方式的影響

　　纖維混凝土中纖維應具有良好的分散性、不結團、不成束，這樣纖維才能在實際的混凝土工程中推廣應用。不同的施工方式，對纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。強制式攪拌時間過長，葉片較容易損傷纖維，所以應合理控制攪拌時間。近幾年來，也有地方研究開發(fā)了專門的纖維混凝土攪拌機。在采用振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會產(chǎn)生平行于骨料、模板或振搗設備表面的“邊緣效應”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應該盡可能提高纖維混凝土的自密實能力。

　　2.3 配合比的影響

　　與普通混凝土的配合相比，纖維對混凝土配合比的影響具有以下特點：

　　（1）骨料間的空隙率增加。1m3 混凝土中摻入1%體積率的鋼纖維時，纖維的堆積體積占 0.12m3 是其絕對體積的12 倍[4]。所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

　?。?）纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應采用較高的單位水泥用量。纖維之間交錯搭接阻礙了骨料間的相對滑移，同時將吸附部分拌和水，使拌和物變稠，流動性下降。

　　（3）選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結構的薄弱處，也是最先發(fā)生破壞的地方。如果纖維長度大于最大公稱粒徑時，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發(fā)揮纖維的增強、增韌作用[4]。集料粒徑大于平均纖維間距，將導致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。骨料粒徑小，使得單位用水量增加，水泥用量增大。有學者提出，骨料的合適粒徑應與纖維間距理論相匹配[5]。

　　各影響參數(shù)的影響程度，不同的試驗條件下得出的試驗結論差別較大。深入研究它們之間的相互關系，有利于得出準確的結論，推動技術標準的制定和促進工程應用。

　　3 纖維混凝土目前存在的主要問題

　　3.1 理論研究和微觀分析相對滯后

　　纖維增強理論主要是基于主拉應力和纖維阻裂進行分析，而實際工程混凝土是處于復雜應力和變形條件下。相關理論缺少具體的數(shù)值指標，并且不同試驗結果的誤差較大。纖維與水泥基體的界面狀況是影響纖維混凝土性能的關鍵環(huán)節(jié)，也認為是導致纖維混凝土強度降低的主要原因。受研究手段的制約，對纖維混凝土微觀作用和影響因素的研究結論較少。

　　3.2 纖維本身的不足

　　目前研究較多的主要是鋼纖維、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和近年來的植物纖維混凝土等[6]。這些纖維具有以下特點： [Page]

　　鋼纖維混凝土容易受到氯鹽腐蝕，因此應用受到一些限制。鋼纖維增加了混凝土施工、抹面的難度。外露的鋼纖維在養(yǎng)護階段容易發(fā)生銹蝕，影響耐久性和美觀。使用過程中，由于混凝土磨耗導致鋒利的鋼纖維外露，影響使用的安全。鋼纖維相對密度7.8 左右，不利于減少結構自重。普通玻璃纖維耐久性低，與水泥基的相溶性差。并且玻璃纖維質(zhì)脆易斷，在攪拌過程易受到損壞。耐堿玻璃纖維是為了增強水泥材料專門研究開發(fā)的，但易受酸腐蝕、不適合用于酸性環(huán)境中。碳纖維質(zhì)輕、高強、彈性模量很高、化學性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土粘結良好。但是由于生產(chǎn)成本較高，所以應用受到一定的限制。部分合成纖維具有較高的抗拉強度、極限延伸率，較好的抗堿性。但是較易老化，原料來源受到一定限制且低模量合成纖維通常會使混凝土抗壓強度下降。以聚丙烯為例，在極低的體積摻量（體積率小于0.1%）下，能顯著改善混凝土早期塑性收縮開裂。然而，在熱、氧、紫外線等外界因素作用下易發(fā)生化學變化，喪失使用性能。近年來也有人開發(fā)研究植物纖維。植物纖維來源廣，成本低是一種可再生的資源。但是植物纖維吸水率大、耐堿性能差、柔軟性較差，成紗不均勻，限制了產(chǎn)品的進一步開發(fā)與應用[2]。

　　3.3 目前研究的主要方向

　　1）對現(xiàn)有纖維進行改性研究。通過對表面進行化學、物理的處理方法，研究纖維的合適規(guī)格，增加纖維與水泥基的粘結力。

　　2）研究纖維混雜效應?；炷劣不昂髲椥阅Ａ?，變形能力等差別較大，纖維阻裂效果也存在差異。不同品種，不同尺寸之間的混雜效應，往往能取到更優(yōu)的增強作用。

　　3）研究開發(fā)纖維新品種。例如開發(fā)研究新品種植物纖維等。

　　4 玄武巖纖維及其異性能

　　玄武巖纖維由單組分玄武巖礦物原料熔制拉絲制成，是一種綠色、環(huán)保、無污染的新型無機非金屬礦物纖維。1953~1954 年蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)，1985 年研制成功并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。2002 年9 月國家科技部將“玄武巖連續(xù)纖維及其復合材料”項目列入國家863 計劃。2006 年國家發(fā)展和改革委員會將連續(xù)玄武巖纖維列為我國中長期重點發(fā)展的四大高新技術纖維之一。

　　玄武巖纖維具有優(yōu)異的物理力學性能，既耐酸又耐堿、更好的溫度穩(wěn)定性，較高的彈性模量、抗拉強度和極限應變率（表1）。并且同屬硅酸鹽系列與水泥基的相容性好。在攪拌過程中，能夠較好地分散均勻，能滿足現(xiàn)有設備和施工條件的要求，對抑制水泥基早期收縮裂縫的產(chǎn)生有更明顯的效果。

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　　玄武巖熔點高，成份波動大，纖維的成纖質(zhì)量與礦物組成關系較大，造成玄武巖纖維生產(chǎn)過程能耗較大，工藝控制不易，目前成本還高于E-玻璃纖維[7]。

　　5 結語和展望

　　通過不同類型纖維混凝土的試驗和應用研究，明確影響纖維混凝土性能的主要因素，以制定相關技術標準，是纖維混凝土研究的主要目的。目前纖維混凝土一般只用于一些具有特殊要求的結構當中。主要是因為纖維可能惡化混凝土的性能。部分性能優(yōu)異纖維，卻由于昂貴的價格而讓人敬而生畏。傳統(tǒng)纖維混凝土存在的成本過高和性能改善不明顯之間的矛盾，成為了制約纖維混凝土發(fā)展應用的主要因素。玄武巖連續(xù)纖維具有優(yōu)異性能，在全世界的開發(fā)成功和批量生產(chǎn)大概只有20 年左右[7]，目前材料成本仍較高。近年來，由于工藝的進步，玄武巖纖維的生產(chǎn)成本有所降低、產(chǎn)品質(zhì)量更趨于穩(wěn)定。

　　通過進一步改善生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，玄武巖纖維將會得到更加廣泛的研究和應用?？紤]材料性質(zhì)、經(jīng)濟成本等因素，選擇滿足技術指標和使用性能要求、既經(jīng)濟耐久并且有利于可持續(xù)發(fā)展要求的纖維或纖維組合增強混凝土是纖維混凝土應用的基本原則，也是纖維混凝土發(fā)展的趨勢。

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