纤维混凝土特性研究及应用前景
水泥 2006-02-09
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摘 要：为了改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺点，在混凝土中掺加纤维以改善混凝土性能的研究，发展得相当迅速。目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。就纤维混凝土的分类及相关特性展开研究，简要的介绍了纤维混凝土这种新型的土木工程材料。
关键词：纤维；混凝土；特性
1 纤维混凝土发展历史
近代关于纤维混凝土的理论研究开始于1910 年，由美国的Porter 首创。1911 年美国的Graham 正式将钢纤维掺合到混凝土中，并初步验证了它的优越性。1940 年前后，美、英、法、德等国先后取得了一些相关专利。在第二次世界大战期间，为了战争的需要，日本曾把它用于抗爆结构。1963 年，美国学者Romuldi 从理论上阐明了钢纤维的增强作用和机理，从而为钢纤维混凝土的进一步研究、开发奠定了理论基础，使它从小规模探索实验阶段跃进到大面积开发的新阶段。美国在1990 年和1991 年举行了纤维增强混凝土的专题报告会，正式拉开了纤维增强混凝土研究与应用的序幕；1995 年韩国举行了纤维增强水泥混凝土的专题报告会，1996 年在中国北京举行了第三届国际水泥混凝土报告会，表明纤维增强混凝土的研究与应用已经国际化。著名的化学公司如杜邦公司、3M 公司、日本帝人公司等都开发出了多种水泥增强用纤维品种，并已经在高速公路、桥梁、摩天大楼、地铁、隧道等土木工程中获得广泛应用。高强度、高韧性、高耐久性的纤维混凝土已经取得了长足发展，代替传统的钢筋混凝土或预应力混凝土已经成为国际趋势。在国外，纤维增强水泥混凝土复合材料已经广泛应用于非承重构件中。国内的研究起步较晚，上海合成纤维研究所研究了锦纶短纤维对水混凝土的增强效果，安徽皖维公司将维纶用于增强混凝土。此外，一些高校和研究院所也就不同种类纤维对混凝土性能的改善作用进行了研究。
2 纤维混凝土种类与特性
目前研究较多的有钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维混凝土等。水泥混凝土中常用的纤维分为钢纤维和非钢纤维两类，非钢纤维按照弹性模量可以分为两大类： 高弹性模量纤维（ Ef / Ec > 1） 和低弹性模量纤维（ Ef / Ec < 1） 。低弹性模量纤维（如各种有机纤维、尼龙、聚丙烯、聚乙烯等） 只能提高混凝土的韧性、抗冲击性能等与材料的塑性有关的物理性能；高弹性模量纤维（如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等） 则能够改善混凝土的强度和刚性。
2. 1 钢纤维混凝土
钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强材料。它具有抗裂、抗冲击性能强、耐磨强度高、与水泥亲合性好，可增加构件强度，延长使用寿命等优点。
钢纤维因其不同的加工生产方法而区分为熔抽型、拉丝切断型、剪切型和切削型等。经纬牌钢纤维是剪切型钢纤维。现可生产平直微扭形、波浪形、端勾形、弓形和压痕形五种形状20 多个规格的产品。钢纤维又因其不同的原材料而分为普通钢纤维和特种钢纤维。在普通钢筋混凝土结构中掺入钢纤维，不但可以提高抗拉、抗剪和抗弯强度，而且在使用性能如断裂韧性、极限应变、裂后承载和耐磨、抗折、抗冲击、抗疲劳等方面都获得显著改善。而且，在同等强度下可减少混凝土厚度，节约混凝土用量40 %～50 %， 大大降低工程造价。此外，由于早期强度高，以及较大的缩缝间距，可缩短施工周期25 %，特别适用于要求快速连续浇筑混凝土的较大工程，如道路、港口、飞机场、桥梁、隧道等。但价格贵、比重大、不易于分散、不宜于在常规的水泥增强制品中作用。
2. 2 高弹性模量纤维混凝土
高弹性模量纤维混凝土在未产生裂纹之前，因纤维弹性模量较高，根据“混合定律”，复合材料的弹性模量随纤维掺量增加而增加，开裂之后主要是纤维受力，只要纤维体积掺量超过临界纤维体积掺量，复合材料承载能力就不会降低，反而增加。采用高弹性模量纤维可大幅度提高混凝土抗拉、抗弯强度，对韧性也有提高，但费用大。
2. 2. 1 碳纤维混凝土
碳纤维是20 世纪60 年代以来随航天工业等尖端技术对复合材料的苛刻要求而发展起来的新材料，具有强度高、弹性模量高、比重小、耐疲劳和腐蚀、热膨胀系数低等优点。碳纤维由许多单纤维组成的纤维束构成，而单纤维由层状石墨小晶体组成。直径为7～15μm。石墨晶体中碳原子在层内以六角形排列，层与层之间由共价键和范德华力作用而结合在一起。碳纤维的特性包括： ①重量轻， 厚度薄： 比重为钢的1/ 4 ， 厚度约为0. 1～0. 2mm ，单位面积重量约为钢板的1/ 100 。②高强高效：抗拉强度约为钢材的10 倍，比重仅为钢的1/ 4 。③良好的耐久性及耐腐蚀性能：耐酸、碱、盐及大气环境的腐蚀。④施工方便：质地柔软，易加工，手工操作，不需大型机具，施工效率高。⑤施工质量易保证：与混凝土有效接触面积达80 %以上。⑥适用范围广：适用于各种工业与民用建筑的梁、板、柱及桥梁、隧道、烟囱等建筑物和构筑物。碳纤维混凝土具有良好的塑性变形特性，而且具有导电性，可用于抗静电地面和电磁屏蔽室。压缩韧性比较好，提高了拉伸强度和抗弯强度。但碳纤维价格偏高，生产成本比较大。
2. 2. 2 玻璃纤维混凝土
目前用于高性能复合材料的玻璃纤维主要有高强度玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。20 世纪50 年代末美国首先研究开发成功了高强度玻璃纤维，迄今为止，世界上仅有美、法、日、俄、加及我国六个国家能生产高强度玻璃纤维。由于高强度玻璃纤维性能价格比较优越，以年增长率10%以上的速度发展。石英玻璃纤维及高硅氧玻璃纤维属于耐高温的玻璃纤维，是比较理想的耐热防火材料。玻璃纤维强度/ 重量比要比钢大，具有高抗拉强度，具有碱溶性。它的延伸性低，具有很高的抗变形能力。没有长期蠕变性，玻璃纤维不发生蠕变，能确保产品长期使用。此外，玻璃纤维具有优良的物理化学稳定性和高低温的稳定性。还有，玻璃纤维在道路工程施工中，有很广泛的应用，因为它与路面混合料具有良好的相容性。
2. 2. 3 芳香族聚酰胺纤维混凝土
芳香族聚酰胺纤维于1965 年由美国杜邦公司发明，与玻璃纤维相比，其比重更小，韧性较好。芳纶除了在物理性能上具有高强高磨的特点外，还具有耐高温、耐冲击、加工性能好等优点， 芳纶以其耐冲击力的优点与拉伸强度高的碳纤维组合成为高性能的尖端复合材料。芳香族聚酰胺纤维的热稳定性和其他性能介于碳纤维和聚丙烯纤维之间，但其价格比较低，具有相当竞争力，比其他高性能纤维有更广的应用。在提高材料力学性能的同时又能改善其耐磨损性和抗冲击性。
2. 3 低弹性模量纤维混凝土
低弹性模量纤维一般容易发生较大的蠕变，而且泊松比较大，但物理力学性能良好，虽然对混凝土强度贡献不大，却可大幅度提高其韧性。而且价格低廉，生产工艺先进，且施工方便，所以被广泛的用于广场、机场等大面积混凝土工程中。
2. 3. 1 聚丙烯纤维混凝土
根据纤维的形状和构造不同，聚丙烯纤维可分为单丝纤维、并行的原纤化纤维束和薄膜纤维。聚丙烯纤维在混凝土的碱性条件下非常稳定，有较高的熔点，质量轻，价格低，使混凝土的能量吸收能力和延性提高，抗弯强度和疲劳极限也有所提高。但其对阳光和氧气敏感，与水泥机体粘结弱，耐火性差，抗压强度没有提高。
2. 3. 2 聚乙烯醇纤维及维纶纤维混凝土
聚乙烯醇是由聚醋酸乙烯酯在酸或碱性条件下水解而来。聚乙烯醇纤维其特点是有高比表面积，高极限抗张拉强度。与水泥基体有氢键作用，因此界面粘结强度高，能增强抗弯强度。维纶纤维是聚乙烯醇缩醛化的产物，其模量高、强度大、伸度低，耐酸碱，耐日晒老化性能好，同水泥和高分子材料结合力强，无环境污染等。
2. 3. 3 聚酰胺类纤维混凝土
聚酰胺又称尼龙，聚酰胺纤维与水泥基体相容性好，能经受水泥水化产物的侵蚀而不受损，耐久性良好，价格低廉，与水泥基体粘合好。掺加了尼龙纤维的混凝土和砂浆的抗裂性能也得到提高，能有效控制裂缝发展。
2. 3. 4 聚酯纤维混凝土
聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯） 通常分为线性不饱和聚酯、线性饱和聚酯和热固性聚酯三类。聚酯纤维具有较高的弹性模量， 能提高混凝土的抗冲击强度。但聚酯纤维不耐碱，这使得聚酯纤维混凝土在一些工程中的使用受到限制。
3 纤维混凝土的应用领域
纤维混凝土在土木工程中有着广泛的应用，主要用于下面几个大的方面：
3. 1 道路工程
随着科技的进步和经济的发展，道路交通发展迅猛，城市道路和国道干线公路上的车辆荷载及密度越来越大，车速也越来越快，直接导致路面的损坏也日趋严重。特别是对损坏的水泥混凝土路面而言，它不仅翻修投资大，且施工周期较长，严重影响交通畅通及行车安全。钢纤维混凝土应用于道面工程，可以充分发挥其弯拉强度高、抗裂、抗疲劳、耐磨、抗冲击性能好的特点，可取代钢筋，减薄道面厚度，加大缩缝间距，缩短施工周期，提高工程质量，降低工程维修费用，延长工程使用寿命。实践证明，采用钢纤维混凝土这一新型高强复合材料对路面修理，既可提高路面的抗裂性、抗弯曲、耐冲击和耐疲劳性，而且可改善路面的使用性能，延长使用寿命，从而减少老路开挖，对节省工程造价等具有重要的经济效益和社会效益；为提高道路补强与改造提供了良好的途径。
3. 2 桥梁与隧道工程
桥梁的技术进步总是和建桥材料的技术进步紧密相关的。复合材料具有的轻质、高强和耐腐蚀等特性，是其具有发展前景的基本条件。在桥梁工程中，用纤维混凝土作桥面铺装层可有效地抑制和减少裂缝，增强桥面的防水性和抗破碎能力，减缓钢筋锈蚀和延长结构的寿命。可以预计，在21 世纪，随着复合材料的大规模生产以及生产成本的下降，其在桥梁领域的应用范围将逐步扩大。如果说20 世纪是以钢铁和水泥为主要建桥材料的时代，那么21 世纪将有可能成为复合材料逐步取代钢铁建桥的时代。
3. 3 在工业与民用建筑中的应用
对于高层、大跨的建筑工程和建筑中常用混凝土预制构件、预制管道等采用纤维混凝土后，能明显提高结构、构件和预制管道的承载能力和抗裂、抗震性能，能明显提高构件的坚固耐久性性。特别指出在运输和安装过程中，因纤维混凝土提高了抗裂、抗震和抗破损能力，减少的损失比加入纤维增加的费用要合算得多。
3. 4 在海岸工程中的应用
纤维混凝土由于具有特殊的抗龟裂、抗冲击、致密性和防渗性能，能延缓海水中的氯离子对钢筋的锈蚀，延缓海水中硫酸盐、镁离子对混凝土的侵蚀，并提高建筑物抗波浪冲击和码头重物冲击的能力，这些特点引起了海岸工作建设者的重视。挪威奥斯陆集装箱码头，为防止海水对建筑物的腐蚀，提高码头抗集装箱的撞击破坏能力，并防止严寒气候条件下，冰冻对混凝土的渗透膨胀破坏，较早地采用了纤维混凝土。美国在巴拿马海军港口码头，为保护原码头钢筋混凝土抗海水侵蚀能力，用纤维混凝土进行加固。
纤维混凝土的应用还涉及到蓄水池、浮坞、污水处理系统等多领域。有关方面的具体应用，还需要我们通过必要的科学试验、实践总结以后逐步推广。
4 结语与展望
混凝土作为较古老的建筑材料，其发展经过了一个较漫长的历史，其间也发生了几次根本的革命。每一次混凝土技术的革命都使整个建筑业的面貌为之一新，进而促进了整个社会文明的进步。纤维混凝土是一种新型建筑材料，它将合成化学纤维和传统的混凝土相结合，可有效防止混凝土因早期干缩，塌沉所引起的内蕴裂缝。纤维混凝土的应用范围很广，在高层、大跨建筑工程， 高速公路路面，荷载较大的仓库地面、机场、贮水池等结构中已得到广泛应用。值得我国参考研究。国外已经比我国超前发展了几十年，我国的纤维混凝土在实际工程建设中的应用还处于起步阶段，工程技术研究人员还任重而道远。但随着国家经济建设的不断发展和人们对工程质量要求的日益提高，我们有理由相信， 纤维混凝土将展示出它超群的优势。
参考文献：
[ 1 ] 李启棣，吴淑华. 钢纤维混凝土的特性及其应用[ J ] . 铁道建筑， 1989 ， （1） .
[ 2 ] 惠士博. 纤维混凝土概述[ R] . 清华大学水利系.
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[ 5 ] 郭子嵩. 聚丙烯纤维网混凝土在工程中的应用[ R] . 水利部珠江水利委员会勘测设计研究院.
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