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化學(xué)合成纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用

來源：中國(guó)紡機(jī)網(wǎng)編輯部　發(fā)布時(shí)間：2013年09月02日
1 纖維混凝土概述
纖維作為建筑材料使用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，早期人們就把天然纖維，例如稻草、麥稈、棉、麻等添加到墻體材料中，以增加墻體的強(qiáng)度和韌性，防止墻體裂紋[1]。近代關(guān)于纖維混凝土的理論研究開始于1910 年，由美國(guó)的Porter 首創(chuàng)。1911 年美國(guó)的Graham 正式將鋼纖維摻到混凝土中，并初步驗(yàn)證了它的優(yōu)越性。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(qiáng)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。
國(guó)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(duì)水泥混凝土的增強(qiáng)效果，安徽皖維公
司將高強(qiáng)高模聚乙烯醇短纖維用于增強(qiáng)混凝土。目前發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有YB/T 151—1999《混凝土用鋼纖維》、GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》、GB/T 23265—2009《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》、GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》等。
纖維混凝土通常是以水泥凈漿或者砂漿為基體，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長(zhǎng)纖維做增強(qiáng)材料所組
成的水泥基復(fù)合材料。纖維在其中起著阻止水泥基體中微裂縫的擴(kuò)展和跨越裂縫承受拉應(yīng)力的作用，因而
使復(fù)合材料的抗拉與抗折強(qiáng)度以及斷裂能較未增強(qiáng)的水泥基體有明顯的提高。纖維混凝土增強(qiáng)機(jī)理主要有
兩種理論。一種是纖維間距理論，另一種是復(fù)合力學(xué)理論。纖維間距理論由 Romualdi 和 Batson 于 1963 年提出，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來說明纖維對(duì)裂縫發(fā)生和發(fā)展的阻滯作用。該理論認(rèn)為要增強(qiáng)混凝土的抗裂性和延性，必須盡可能地減小基體內(nèi)部缺陷的尺寸，降低裂縫端的應(yīng)力集中程度。而纖維的摻入起到了優(yōu)化材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和降低裂縫端應(yīng)力集中的雙重效應(yīng)。后來英國(guó) Swamy mangat 教授提出了“復(fù)合材料機(jī)理”，從復(fù)合材料的混合原理出發(fā)，將纖維
增強(qiáng)混凝土看作纖維的強(qiáng)化體系，用混合原理推求纖維混凝土的抗拉和抗彎拉強(qiáng)度。
2 用于水泥混凝土的纖維
用于水泥混凝土的纖維按其材質(zhì)可分為三類。金屬纖維：鋼纖維、鍍銅微絲鋼纖維等；無機(jī)纖維：又
分為天然礦物纖維（如玄武巖纖維）和人造礦物纖維（如耐堿玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維）；有機(jī)纖
維：又分為植物纖維（如木質(zhì)素纖維）、動(dòng)物纖維和合成纖維。幾種纖維性能對(duì)比見表1。
2.1 鋼纖維
鋼纖維是當(dāng)今世界各國(guó)普遍采用的混凝土增強(qiáng)材料。它具有抗裂、抗沖擊性能強(qiáng)、耐磨強(qiáng)度高、與水泥親和性好，可增加構(gòu)件強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。但是鋼纖維攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，混凝土和易性差，泵
送困難、難以施工且易銹蝕，鋼纖維混凝土的自重大、振搗澆注時(shí)往往會(huì)沉于混凝土下部，不可能均勻分布。
2.2 耐堿玻璃纖維
耐堿玻璃纖維強(qiáng)度/重量比要比鋼大，具有高抗拉強(qiáng)度，延伸性低，很高的抗變形能力。玻璃纖維在道路工程施工中，有很廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗c路面混合料具有良好的相容性。但玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時(shí)間后，其強(qiáng)度和韌性會(huì)有大幅度下降，即由早期高強(qiáng)度、高韌性向普通混凝土退化。　　
2.3 碳纖維
碳纖維是20世紀(jì)60年代開發(fā)研制的一種高性能纖維，具有抗拉強(qiáng)度和彈性模量高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土粘結(jié)良好的優(yōu)點(diǎn)，但由于碳纖維價(jià)格昂貴，工程應(yīng)用中受到很大限制。
2.4 玄武巖纖維
玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，比重為2.63g/cm3～2.8g/cm3，用它與水泥混凝土和砂漿混合時(shí)易于分散，新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩(wěn)定、耐久性好，耐酸又耐堿，具有優(yōu)越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性。
2.5 合成纖維
常用的大多數(shù)合纖，如經(jīng)機(jī)械、表面活性劑、氧氟等表面處理后，其短纖都可用于混凝土的改性，從而提高或改善其物理力學(xué)性能，尤其是可大幅度提高其韌性。而且價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝先進(jìn)，且施工方便，被廣泛應(yīng)用于廣場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)等大面積混凝土工程中。
采用高彈性模量纖維可大幅度提高混凝土抗拉、抗彎強(qiáng)度。
2.5.1 按彈性模量可分為：
①高彈性模量纖維混凝土（如高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維、芳香族聚酰胺纖維），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(huì)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(qiáng)度，對(duì)韌性也有提高，但費(fèi)用大。
②低彈性模量纖維混凝土（如:聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維）。它們與鋼纖維的相似點(diǎn)是不受水化產(chǎn)物的侵蝕，有一定的抗拉強(qiáng)度，可三維亂向分布于混凝土基體中，其阻裂原理是充分發(fā)揮了纖維數(shù)量（每公斤數(shù)千萬根）優(yōu)勢(shì)，具有很大的表面積，對(duì)微裂縫約束，使之不至于連通，效果顯著。
2.5.2 按作用方式可分為：
①短纖維，改善纖維在水泥混凝土中的分散性，通過傳遞應(yīng)力吸收高能量，有效抗擊沖擊力和控制裂縫。
②短纖維鋪網(wǎng)或網(wǎng)狀纖維，增加纖維與基體的接觸面積和接觸力，有效降低水泥混凝土固化過程中的塑性收縮，提高構(gòu)件的耐沖擊力，延長(zhǎng)構(gòu)件的使用壽命。
③異型化纖維。如V形纖維、Y形纖維、帶鉤形纖維等，異型化能夠增加纖維與基體的接觸表面，加強(qiáng)二者之間的有效粘結(jié)，提高增強(qiáng)增韌效果。
④表面涂層改性纖維，利用有機(jī)或無機(jī)化合物處理或涂層，改善纖維在混合過程中的分散性，提高纖維與基體材料的粘結(jié)力。
2.5.3 合成纖維加入水泥基體中的作用
①阻裂。阻止水泥基體中原有缺陷（微裂縫）的擴(kuò)展并有效延緩新裂縫的出現(xiàn)。
②防滲。通過阻裂提高水泥基體的密實(shí)性，防止外界水分侵入。
③耐久。改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性。
④抗沖擊。提高水泥基體的耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性。
⑤抗拉。在使用高彈性模量纖維前提下，可以起到
提高基體的抗拉強(qiáng)度的作用。
⑥美觀。改善水泥構(gòu)造物的表觀形態(tài)，使其更加致密、細(xì)潤(rùn)、平整、美觀。
大力開發(fā)合成纖維在非紡織類領(lǐng)域中的應(yīng)用，已成為世界合纖市場(chǎng)保持持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對(duì)策略之一。開發(fā)我國(guó)合成纖維在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，潛力巨大，而其中開發(fā)合纖在混凝土建材中的大量應(yīng)用，對(duì)擴(kuò)大合纖在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域，以及改善我國(guó)混凝土建材的性能具有重要意義。
3 物理性能試驗(yàn)
3.1 抗?jié)B性能試驗(yàn)
試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[2]的規(guī)定進(jìn)行。參照生產(chǎn)企業(yè)的建議（每方混凝土纖維摻量為0.9kg~1.8kg、長(zhǎng)度為12mm~19mm）。試驗(yàn)采用的聚丙烯工程纖維長(zhǎng)度為19mm，摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3。試件共分為5組。每組6個(gè)試件。試件上口內(nèi)部直徑為175mm，下口內(nèi)部直徑為185mm，高度為150mm。
混凝土配合比為水泥：石子：砂：水=360：1065：720：205。使用同一臺(tái)攪拌機(jī)，纖維加在集料之間，干拌30s左右，然后加水泥和水進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。試件試驗(yàn)齡期為28d，使用同一臺(tái)混凝土抗?jié)B儀（HP-4.0自動(dòng)調(diào)壓混凝土抗?jié)B儀），采用逐級(jí)加壓法，每次試驗(yàn)安排一組度件（6個(gè)）。試驗(yàn)時(shí)由初始0.1MPa開始加壓，以后每隔8h增加0.1MPa，隨時(shí)觀察試件端面滲水情況。當(dāng)6個(gè)試件中有3個(gè)試件表面出現(xiàn)滲水時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束，記錄此時(shí)的水壓。抗?jié)B等級(jí)計(jì)算公式為：P=10H－1。其中：P——混凝土抗?jié)B等級(jí)，H——6個(gè)試件中有3個(gè)試件滲水時(shí)的水壓力
（MPa）。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，摻量越大，抗?jié)B性能等級(jí)越高。
3.2 抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)
試驗(yàn)依據(jù)GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[3]進(jìn)行。所用水泥為市售P
.O42.5水泥，配制C40混凝土，水灰比為0.41。采用的聚丙烯工程纖維長(zhǎng)度為19mm。試件共分為5組（聚丙烯工程纖維摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3），每組3個(gè)試件。
試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度有一定幅度（1.4%～3.3%）的提高，但對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響明顯，最高增幅為27.8%。
3.3 抗沖擊試驗(yàn)
試驗(yàn)依據(jù)GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》附錄C[4]規(guī)定的混凝土抗沖擊性能試驗(yàn)方法進(jìn)行。所用水泥為市售P.O42.5水泥，配制C40混凝土。采用的聚丙烯工程纖維長(zhǎng)度為19mm。試件共分為5組（聚丙烯工程纖維摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3），每組6個(gè)試件。按附錄C.1自制沖擊裝置，方形鋼錘重4.5kg，垂直距離為457mm。
試驗(yàn)結(jié)果值如表4所示。
試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，對(duì)抗沖擊性能有明顯影響，可提高破壞沖擊次數(shù)233%。
4 試驗(yàn)結(jié)論和建議
1）摻入聚丙烯工程纖維的混凝土抗?jié)B性能改善效果與纖維摻量有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，摻量越大，效果越好。摻入聚丙烯工程纖維后，對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響明顯，增幅為8.3%～27.8%，對(duì)抗沖擊性能也有明顯影響，破壞沖擊次數(shù)提高2～3倍。綜合考慮性能改善與經(jīng)濟(jì)成本，建議摻量為1.5kg/m3～1.8kg/m3。
2）相對(duì)于低彈性模量的聚丙烯纖維，高彈性模量纖維對(duì)混凝土性能的改善更為明顯。杜修力[5]等研究表明，隨著高強(qiáng)高模聚乙烯醇（PVA）纖維摻量由0.5%增加到1.5%，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度幾乎呈線性增長(zhǎng)，分別比基體混凝土提高14.695%、35.23%，拉壓比提高了56.36%。彭苗[6]等研究表明，當(dāng)玄武巖纖維摻
量為4 kg/m3，28d抗壓強(qiáng)度提高率為46.3%。具體纖維摻量和纖維長(zhǎng)度等應(yīng)根據(jù)纖
維類型、混凝土用途等來確定。
3）日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所與東京工業(yè)大學(xué)合作，用長(zhǎng)度為1.2cm、截面寬度為0.03mm、1.5%比例摻加聚丙烯纖維制成混凝土，用這種混凝土建造的橋墩模型能夠抵抗相當(dāng)于1995年阪神大地震1.5倍的巨大晃動(dòng)。我國(guó)在纖維混凝土的研究和推廣應(yīng)用方面應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)，此外，摻入纖維對(duì)混凝土各項(xiàng)性能的長(zhǎng)期影響方面的研究還有待深入進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)：
[1]徐建軍,葉光斗,李守群.用于混凝土增強(qiáng)的化學(xué)纖維[J].紡織科技進(jìn)展,2006(2):12-14.
[2]GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[S].
[3]GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[S].
[4]GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》[S].
[5]杜修力,田予東,竇國(guó)欽.纖維超高強(qiáng)混凝土的制備及力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土與水泥制品.2011(2):44-48,71.
[6] 彭苗,黃浩雄,廖清河,等.玄武巖纖維混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].混凝土.2012(01):74-75.

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