纖維混凝土復(fù)合材料

1、纖維復(fù)合材料理論與應(yīng)用綜述一 論述纖維復(fù)合材料中，結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展趨勢。混凝土是一種多相復(fù)合材料，由于各組成材料性質(zhì)的差異和施工養(yǎng)護(hù)的影響，混凝土內(nèi)部不可避免地存在大量的微裂縫，這些裂縫的存在，影響了混凝土的性能，特別是降低了混凝土抗拉強度，這也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。通過加人摻合料和化學(xué)外加劑實現(xiàn)混凝土的密實性和強度的提高，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，混凝土的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6%，仍存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點。隨著抗壓強度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)得愈明顯，而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，能夠解決高強高性能

2、混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題，也能適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件口 。因此，纖維混凝土是當(dāng)今混凝土技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。1鋼纖維混凝土在普通混凝土中摻入適量鋼纖維配制而成的混凝土， 稱為鋼纖維混凝土或鋼纖維增強混凝土 。與普通混凝土相比，其抗拉強度、抗彎強度、耐磨、耐沖擊、耐疲勞、韌性、抗裂和抗爆等性能都得到很大提高。早期混凝土工程中采用的鋼纖維主要品種有：用細(xì)鋼絲切斷生產(chǎn)的圓直型鋼纖維，用熔抽法生產(chǎn)的鋼纖維，用薄鋼板剪切生產(chǎn)的平直型或扭曲型鋼纖維。隨著混凝土應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，人們對鋼纖維性能的認(rèn)識不斷深入。根據(jù)試驗研究和工程應(yīng)用實際情況，鋼絲切斷圓直型纖維與基體的粘結(jié)性能差，碳鋼熔抽

3、型纖維在高溫冷卻過程中表面往往會形成氧化皮，從而嚴(yán)重降低了纖維與基體的粘結(jié)性能。因而這幾種類型的鋼纖維在工程中被逐漸淘汰。相應(yīng)的高強鋼絲切斷端鉤型纖維、鋼錠銑削端鉤型纖維、剪切異型纖維、低合金鋼熔抽型纖維，因其增強了與混凝土基體的粘結(jié)力，對混凝土的阻裂、增強、增韌的效果顯著， 在工程中逐漸得以廣泛應(yīng)用。2碳纖維混凝土碳纖維混凝土是將碳纖維均勾地分散在水泥基體中，用以增加混凝土的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。碳纖維混凝土的主要特征具有普通增強型混凝土所不具備的優(yōu)良機械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強堿環(huán)境下具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、持久的機械強度和尺寸的穩(wěn)定性。用碳纖維取代鋼筋，可消除鋼筋混凝土

4、的鹽水降解和劣化作用，使建筑構(gòu)件重量減輕，安裝施工方便，縮短建筑工期。碳纖維還具有震動阻尼特性，可吸收震動波，使防震能力和抗彎強度提高十幾倍。碳纖維混凝土具有很高的抗拉性、抗彎性、抗斷裂性、抗蝕性等特點。由于碳纖維的較小的膨脹系數(shù)，碳纖維混凝土的耐熱性較好，溫度變形也較小。碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是：阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展并阻止宏觀裂縫的發(fā)生及發(fā)展。因此對于其抗拉強度和主要由主拉應(yīng)力控的抗剪、抗彎、抗扭強度等均有明顯改善；同時具有高基體的抗變形能力，從而改善其抗拉、抗彎和沖擊韌性。碳纖維體積分?jǐn)?shù)為1.18%時，試件劈拉強度提高1.2%。，按復(fù)合規(guī)則，碳纖維的增強作應(yīng)隨水泥中纖維含量的增

5、大而增加，在碳纖維的重量百分含量小于5%時，這個關(guān)系幾乎是線性的，含量再增加時，碳纖維難以在基體中分散均勻，不能起到增強效果，甚至使碳纖維混凝土抗拉強度降低。此外，碳纖維混凝土還具有良好的耐腐蝕性、抗?jié)B透性、耐磨性、耐干縮性及耐久性。3玻璃纖維混凝土玻璃纖維混凝土是將彈性模量較大的抗堿玻璃纖維，均勾地分布于水泥砂漿、普通混凝土基材中而制得的一種復(fù)合材料。近20年來，玻璃纖維混凝土在英國、美國、日本等40多個國家巳開始大量應(yīng)用。它將輕質(zhì)、高強和高韌性優(yōu)點集于一體，在建筑領(lǐng)域中占有獨特地位。特別自20世紀(jì)90年代以來，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現(xiàn)，把玻璃纖維混凝土技術(shù)引向新的發(fā)展階段。由于

6、玻璃纖維的直徑僅為5 20 m，幾乎與水泥的顆粒相接近，使用玻璃纖維時，所用的結(jié)合材料為水泥漿， 或者在其中摻入細(xì)砂來使用，幾乎不使用粒徑較大的粗骨料。所以，用這種素材制作而成的復(fù)合材料，又稱為增強補強水泥。采用玻璃纖維混凝土是建筑工程今后發(fā)展方向，它不僅可以彌補普通混凝土制品自重大、抗拉強度低、耐沖擊性能差等不足，而且還具有普通混凝土所不具有的特性。玻璃纖維混凝土制品較薄，質(zhì)量較輕。由于采用抗拉強度極高的玻璃纖維作增強材料，因而其抗拉強度很高。玻璃纖維均勻分布于混凝土中，可以防止混凝土制品的表面龜裂，由于在破壞時能大量吸收能量，因而耐沖擊性能優(yōu)良、抗彎強度較高。此外，玻璃纖維混凝土制品脫模性

7、好、加工方便，易做成各種形狀的異型制品。4聚丙烯纖維混凝土聚丙烯纖維混凝土是將切成一定長度的聚丙烯纖維， 均勾地分布在水泥砂漿或普通混凝土的基材中，用以增強基材的物理力學(xué)性能的一種復(fù)合材料。這種纖維混凝土具有輕質(zhì)、抗拉強度高、抗沖擊和抗裂性能等優(yōu)點，也可以以聚丙烯纖維代替部分鋼筋而降低混凝土的自重，從而增加結(jié)構(gòu)的抗震能力。聚丙烯纖維混凝土是研究與應(yīng)用最多的混凝土。根據(jù)纖維形狀和構(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。單絲纖維有較高的長徑比，并行的原纖化纖維束能方便地在水泥基體中分散，雖化學(xué)鍵連接有限，但機械粘結(jié)好，可使纖維受力時不被拔出。聚丙烯纖維的抗拉強度雖然比普通

8、混凝土高，但其彈性模量卻比較低，在較高應(yīng)力情況下，混凝土易達(dá)到極限變形。但在摻加適量聚丙烯纖維時，這種復(fù)合材料的抗沖擊性能比普通混凝土要大得多，這為荷載不高但要求耐沖擊、高韌性構(gòu)件的制作，找到了一條很有發(fā)展前途的路子。此外，聚丙烯纖維不銹蝕，其耐酸、耐堿性能也好。目前纖維混凝土的發(fā)展主要有以下三個方向：通過化學(xué)或物理的方法改性纖維，通過物理或化學(xué)的方法對纖維進(jìn)行改性，改善纖維與水泥基之間的界面粘結(jié)，增加纖維與水泥基的粘結(jié)力，可以提高纖維的作用效果。不同類型纖維的混雜，混凝土具有多相、多組分，在多尺度層次上復(fù)合的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)特征。不同尺度和不同性質(zhì)的纖維混合增強，可在水泥基中充分發(fā)揮各種纖維的尺度

9、和性能效應(yīng)，并在不同的尺度和性能層次上相互補充、取長補短。纖維新品種的研究開發(fā)和研究，新型玄武巖纖維和水鎂石纖維混凝土是新近研究開發(fā)很有發(fā)展前景的新型混凝土，具有優(yōu)異的綜合性能和性價比。二 選擇鋼纖維或聚丙烯纖維混凝土中的一種，論述混凝土中摻加亂向三維分布的纖維后，混凝土綜合性能得到改善的機理。下面以鋼纖維為例介紹纖維混凝土性能增強機理。目前，對于鋼纖維混凝土的增強機理，存在著兩種不同的解釋。一種是美國Rmualdi提出的纖維間距機理；一種是英國Swamy、Mangat等人提出的復(fù)合材料機理。下面我們主要用纖維間距機理進(jìn)行分析。纖維間距機理是基于線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上來說明纖維對于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用的。該機理認(rèn)為，在混凝土內(nèi)部原來就存在缺陷，欲提高這種材料的強度，就必須盡可能地減小缺陷的程度，提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。該模型假定纖維在混凝土拉應(yīng)力方向呈棋盤狀分布（間隔S），裂縫（半徑為a）存在于4根鋼纖維所圍住的中心，此時，由于拉伸應(yīng)力所引起的粘結(jié)應(yīng)力分布（）產(chǎn)生于和纖維相鄰近的裂縫端部附近，起著約束裂縫開展的作用。如果設(shè)拉伸應(yīng)力引起的內(nèi)部裂縫端部應(yīng)力集中系數(shù)為，而與裂縫端部相鄰近