纖維混凝土綜述

1、 道路1004班黃博引言引言 自 1824 年英國工匠約瑟夫阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥后，水泥混凝土得到迅速發(fā)展，經(jīng)過近 190 多年的研究和應(yīng)用，混凝土已成為當今主要的一種優(yōu)良建筑材料。 但是，水泥混凝土仍然存在著突出的缺陷，即：它的抗壓強度雖然比較高，但其抗拉強度、抗彎強度、抗裂強度、抗沖擊韌性、抗爆等性能卻比較差。 纖維混凝土就是人們考慮如何改善混凝土的脆性，提高其抗拉、抗彎、抗沖擊和抗爆等力學性能的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 它具有普通混凝土所沒有的許多優(yōu)良性能。 纖維混凝土，又稱纖維增強混凝土，是以水泥凈漿、砂漿或混凝土作為基材，以適量的非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作為增強材料，均布地摻和在混凝

2、土中，成為一種可澆注或可噴射的材料，從而形成的一種新型增強建筑材料。概論概論( (一一) )纖維纖維混凝土混凝土發(fā)展歷程發(fā)展歷程n1910年美國的H.F.Porter提出摻用短鋼纖維提高水泥混凝土的抗拉性能的想法，發(fā)表了關(guān)于短鋼纖維增強混凝土的第一篇論文。n20 世紀 40 年代，由于軍事工程的需要，多國的科學家先后發(fā)表了纖維混凝土的研究報告，但這些研究報告均未能從理論上說明纖維對混凝土的增強機理， 因而限制了這種復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。n1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson發(fā)表有關(guān)纖維水泥混凝土的一系列研究成果，首次提出了纖維的阻裂機理。n20世紀70年代，美國B

3、attelle公司開發(fā)了熔抽技術(shù)，降低了鋼纖維的價格，為鋼纖維混凝土的實際應(yīng)用創(chuàng)造了條件。n20世紀7080年代，鋼纖維混凝土開始廣泛應(yīng)用，芳綸（Kevlar）纖維和改性晴綸等有機纖維開始在水泥砂漿和混凝土中應(yīng)用。其他纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用也有較大進展。（二二）纖維在混凝土中的作用）纖維在混凝土中的作用n在混凝土中摻入短而細且均勻分布的纖維后，明顯提高混凝土的性能。n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，以延長其使用壽命，擴大其應(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2、增強作用3、增韌作用1、阻裂作用、阻裂作用 n纖維可阻礙混凝土中微裂縫的產(chǎn)生與擴展，這種

4、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。n水泥基體在澆注后的24 h內(nèi)抗拉強度低，若處于約束狀態(tài)，當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。n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、增強作用、增強作用 混凝土不僅抗拉強度低，而且因存在內(nèi)部缺陷而往往難于保證。當混凝土中加入適量的纖維后，可使混凝土的抗拉強度、彎拉強度、抗剪強度及抗疲勞強度等有一定的提高。3、增韌作用

5、、增韌作用 n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，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的。n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)強調(diào)的是應(yīng)強調(diào)的是:纖維混凝土中纖維的作用，并非所有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纖維都能同時起到以上三方面的作用 。（三三）纖維的主要力學性能纖維的主要力學性能n抗拉強度 纖維抗拉強度均比水泥基體的抗拉強度要高出二個數(shù)量級。n彈性模量 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

6、碳纖維)彈性模量高于水泥基體，而大多數(shù)有機纖維(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比值對纖維增強水泥復(fù)合材料力學性能有很大影響，如該比值愈大，則在承受拉伸或彎曲荷載時，纖維所分擔的應(yīng)力份額也愈大。n斷裂延伸率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)揮纖維的增強作用。 表1 增強水泥基材料用纖維的主要力學性能（四四）纖維混凝土的分類和特性）纖維混凝土的分類和特性1、纖維混凝土的分類、纖維混凝土的分類(1)按纖維彈性模量是否高于基體混凝土的彈性模量，其增強、增韌效果有明

7、顯差異，故可分：n高彈性模量纖維混凝土，如鋼纖維混凝土。n低彈性模量纖維混凝土，如合成纖維混凝土。(2)按纖維的長度分：n非連續(xù)纖維增強混凝土是短切、亂向、均勻分布于混凝土基體中。n連續(xù)纖維增強混凝土的纖維(如單絲、網(wǎng)、布、束等)分布于基體中。(3)按水泥基體材料分：n纖維增強水泥凈漿 指在不含集料的水泥凈漿或摻有細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。n纖維增強水泥砂漿 指在含有細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。 通常將纖維增強水泥凈漿和纖維增強水泥砂漿統(tǒng)稱為纖維增強

8、水泥。纖維增強水泥中的纖維，主要起著增強材料的作用，可明顯提高基體材料的抗拉、抗折、抗剪、抗沖擊、抗疲勞等力學性能，不同程度地增進復(fù)合材料的延性與韌性，主要用以制作薄壁的水泥制品。n 纖維增強混凝土 指在含有粗、細集料的混凝土基體中摻入纖維，簡稱為纖維混凝土。依混凝土基體的特征不同，可分為如纖維普通混凝土、纖維高強混凝土、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。2、纖維混凝土的特性、纖維混凝土的特性（1）降低早期收縮裂縫，并可降低溫度裂縫和長期收縮裂縫。（2）裂

9、后抗變形性能明顯改善，彎曲韌性提高幾倍到幾十倍，極限應(yīng)變有所提高。破壞時，基體裂而不碎。（3）高彈模的纖維對混凝土抗拉、抗折、 抗剪強度提高明顯，對于低彈模纖維變化幅度不大。（4）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、抗爆炸及抗侵徹性能。（6）高彈模纖維用于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，可提高抗剪、抗沖切、局部受壓和抗扭強度并延緩裂縫出現(xiàn)，降低裂縫寬度，提高構(gòu)件的裂后剛度、延性。（7）混凝土的耐磨性、耐空蝕性、耐沖刷性、抗凍融性和抗?jié)B性有不同程度提高。（8）特殊纖維配制的混凝土，其熱學性能、電學性能、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

10、阻效應(yīng)”；低熔點合成纖維配制的纖維混凝土在火災(zāi)過程中，細微纖維熔化可降低混凝土的爆裂。（9）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。（10）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，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粘結(jié)狀況以及基體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粘結(jié)狀況以及基體混凝土的類別和強度等級等因素有關(guān)?；炷恋念悇e和強度等級等因素有

11、關(guān)。各種纖維混凝土工程實例各種纖維混凝土工程實例( (一一) )鋼纖維混凝土工程實例鋼纖維混凝土工程實例山東省平陰黃河公路大橋，建于 1969 年，全長 963.52m333（9611296）（9611296）733。 主橋上部結(jié)構(gòu)為兩聯(lián)（9611296）m 三跨連續(xù)栓焊鋼桁引橋，上部結(jié)構(gòu)為單跨標準跨徑為 33m 的預(yù)應(yīng)力混凝土工字梁與鋼筋混凝土行車道板組成的迭合式組合梁。 原設(shè)計荷載為：汽-13，掛-60。經(jīng)過多年使用， 早橋出現(xiàn)多處病害之一是橋面鋪裝損壞嚴重。 為提高橋梁的技術(shù)狀況，延長橋梁的使用壽命，加固的設(shè)計荷載提高為汽-20，掛-100。 加固維修橋面鋪裝的方法就是洗刨舊橋混凝土，改

12、用鋼纖維混凝土橋面鋪裝。 滑模攤鋪雙鋼混凝土橋面的優(yōu)勢除了上述各項性能和耐久性提高以外,橋面的平整度特別優(yōu)異，能夠達到動態(tài)平整度 1.0 的水平。在橋面鋪裝施工過程中進行現(xiàn)場取樣試驗，經(jīng)過28d 養(yǎng)護，測試得出普通混凝土、鋼纖維混凝土的抗壓與抗折強度。通過鉆孔取芯進行劈拉試驗，鋼纖維混凝土比普通混凝土的抗折強度提高 28.99%，抗壓強度僅提高了 8%。通過對試驗路半年通車試驗的調(diào)查分析，無明顯斷板、開裂等現(xiàn)象。由此可見，采用鋼纖維混凝土路面，確實收到了良好的使用效果。( (二二) )聚丙烯纖維混凝土工程實例聚丙烯纖維混凝土工程實例陜西寶雞法門寺合十舍利塔工程為鋼骨砼雙向折線往復(fù)傾斜雙塔體結(jié)構(gòu)

13、，高度 147m，建筑面積 7 萬 m2，塔身分為11 層，在54m 第 4 層處 ，設(shè)計有 18m 球冠狀穹頂結(jié)構(gòu) ，穹頂殼體砼厚度為 0.2m，球冠上部由 3 道環(huán)梁和 8 根弧形 I 字鋼梁與殼體連在一起。 原施工方案采用支設(shè)內(nèi)外雙層模板，澆筑大流動性砼，由于樓面結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，上層模板的安裝及拆除十分困難，支拆模費用將大大增加，室內(nèi)狹小砼澆筑質(zhì)量也難以保證。 經(jīng)試驗和研究后決定采用低坍落度泵送聚丙烯纖維砼，利用聚丙烯纖維在砼中的增稠效應(yīng) ，取消上層模板，一次澆筑成形的施工方案。 于 2007 年 10 月 23 日成功完成了垂直泵送 54m 穹頂施工任務(wù)，效果良好。( (三三) )玻璃玻

14、璃纖維混凝土工程實例纖維混凝土工程實例上海世博會法國館是一個網(wǎng)格交錯的四方形建筑，該建筑外表的白色混凝土網(wǎng)格，使用的是玻璃纖維增強混凝土的新材料。 這種混凝土網(wǎng)格，不僅有防風、抗震的效果，抗壓能力、彎曲度等屬性也比一般的混凝土要好許多。 而且，除了對建筑結(jié)構(gòu)有所加強之外，這層光滑透薄的白色表皮還方便裝飾，能夠增強建筑物外墻的審美表現(xiàn)力。( (四四) )碳纖維混凝土工程實例碳纖維混凝土工程實例1986 年日本東京的 ARK 大廈一次使用碳纖維混凝土幕墻板（碳纖維 3%） 32000m2， 每塊的尺寸為1147mm3176mm。可承受 63MPa 的風壓，外墻減輕了 40 %的重量，使大樓鋼架的重

15、量減輕 400t ，在使用中，表現(xiàn)出良好的耐久性和體積安定性。纖維混凝土存在的主要問題及目前纖維混凝土纖維混凝土存在的主要問題及目前纖維混凝土技術(shù)的研究發(fā)展方向技術(shù)的研究發(fā)展方向 摻入纖維后，混凝土成本過大、性能不穩(wěn)定是纖維混凝土應(yīng)用中的主要問題。 纖維一般用量較大，價格較高，纖維摻量大時，纖維在混凝土中容易產(chǎn)生纖維團，使得攪拌困難，在施工過程中鋼纖維容易外露，這也增加了施工的難度。 并且如鋼纖維容易發(fā)生銹蝕，影響混凝土耐久性和使用安全。 玻璃纖維由于耐堿性差， 玻璃纖維增強混凝土的應(yīng)用受到限制。 此外，目前我國碳纖維大部分依賴進口，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)能力僅占世界高性能碳纖維總產(chǎn)量的 0.4%左右，纖維生產(chǎn)成本高，成本過高是制約碳纖維增強混凝土發(fā)展應(yīng)用的因素。 目前纖維混凝土的發(fā)展主要有以下三個方向：通過化學或物理