常用纤维混凝土墙体板材性能的分析及比较

孙 奇

近几年,纤维混凝土的发展越来越快。但是在国内,缺少对纤维混凝土特别是纤维混凝土墙材的系统的试验和研究,造成了对纤维盲目的使用,在增加造价的同时,给工程带来了不必要的麻烦。本文将介绍各种常用纤维的性能特点以及各种纤维板材的优缺点,做出比较和分析,作为日后选择、使用纤维板的参考依据。

1 纤维水泥板的分类

1.1 GRC板

GRC由水泥、砂、耐碱玻璃纤维和水组成,中文名为“玻璃纤维增强水泥”,英文名“Glassfibre Reinforced Cement”。GRC板开发于20世纪60年代,至今已有40多年历史。

玻璃纤维能够起到大幅度地提高砂浆的强度和韧性的作用。除此之外,还能明显的提高砂浆的抗拉、抗弯、抗冲击性能,而且GRC板具有良好的工艺性能。但是玻璃纤维极易受高碱环境的侵蚀,并且老化。

1.2 聚丙烯纤维水泥板

聚丙烯纤维水泥板最早在1978年,由英国Surrey大学的Hannomt博士与Keer博士开始研究。其最大特点是对人体无害,机械强度、抗拉强度高,具有良好的塑性延展性,后期弹性也很好。而且假如聚丙烯纤维的复合材料在大气中长期暴露,其性能无明显变化。

1.3 复合纤维板

复合纤维是指将几种不同种类的纤维(合成纤维、金属纤维),或者不同尺寸的同类纤维按一定比例混合加入混凝土中。这样各种纤维共同发挥自己的优势,取长补短以提高混凝土的各项性能指标。

1.4 其他纤维板

1.4.1 金属纤维板

金属纤维中最常用的是钢纤维。其弹性模量高,能大幅度提高砂浆的抗拉性和延展性。钢纤维混凝土具有较高的强度和韧性、耐久性与吸收动能能力优异特性。但是钢纤维比重较大,在砂浆中极易成团,且与水泥基混合后易受腐蚀。

1.4.2 碳纤维板

碳纤维在20世纪70年代开始开发,其具有较高的弹性模量,而且抗拉强度高,与水泥基结合的较好。但是价格昂贵,很难大范围应用。

2 几种常用的纤维板性能分析

2.1 GRC板的性能分析

2.1.1 对强度的影响

用未老化GRC的性能确定适当的设计参数并在整个制造过程中进行质量控制。未老化GRC是相对强、韧,具有假延性的材料,必须对暴露在室外环境条件下GRC的强度和应变能力随时间而发生的逐渐的和永久的降低进行预测。GRC发生自然老化的速率与其所处环境条件有关,在许多情况下,当GRC产品暴露在室外环境下时,将会在产品的期望寿命内达到完全老化。因此,对GRC产品的设计必须保证在使用条件下所产生的应力低于材料完全老化后的强度极限和应变极限[1]。

2.1.2 对耐久性的影响

玻璃纤维在初期自身会发生干燥收缩,这样会使构件产生开裂。除此之外,水分和温度的变化也会引起玻璃纤维尺寸的变化。

玻璃纤维在失去水分的情况下会收缩,在温度升高的情况下会膨胀。因此,在一般情况下,当玻璃纤维受热时其因失去水分产生的收缩会和自身的膨胀相互抵消。故在GRC板设计时,应该充分考虑到玻璃纤维的这一特性。

GRC基材趋向于吸水并将水均匀快速地分布在整个复合材料中,但是水分沿板厚方向通过的能力很弱。试验表明,雨水以117 km/h的风速落到板上时,在10 mm厚度GRC板的内侧没有水分出现[1]。

2.2 聚丙烯纤维板的性能分析

2.2.1 对强度的影响

要充分发挥纤维在基体中的作用,必须考虑聚丙烯纤维的易分散性和在基体中的排列情况。不同的纤维,其分散性也是不同的。因此应该做相应的试验检测其分散性。方法如下：1)在现场(而非试验室)进行实地拌和,将纤维成团地放入搅拌机,观察其分散情况。2)在已经拌和后的混凝土中,随意取出一定重量的混凝土拌合物,水洗该混凝土,收集纤维,进行干燥处理,称其重量。3)将拌合物按2 cm～5 cm厚度摊铺,观察纤维的分散情况。对于网状纤维,同时需观察其是否真正被撕开,成为丝状纤维。在摊铺开的混凝土中,取相同面积的混凝土,水洗后进行干燥处理,再测定纤维重量[2]。

2.2.2 对耐久性的影响

在混凝土浇筑后的4 h～5 h内,由于混凝土内部水分的蒸发,混凝土发生收缩,从而发生收缩裂缝。聚丙烯纤维依靠大量高抗拉强度、高长径比(按相应比例匹配)、高粘结强度的纤维丝均匀乱向分布,以阻止塑性收缩裂缝的产生和抑制裂缝的发展。另外,由于纤维的存在,减少了混凝土的收缩裂缝尤其是连通裂缝的产生,阻断了渗水的通道,混凝土抗渗性能得到提高。

由图1可见,混凝土干缩率和时间的关系与混凝土厚度有关系。对于越厚的混凝土,多数的干缩裂缝发生在后期,所以这时聚丙烯纤维就不能有效的抑制混凝土裂缝的发生。

2.3 复合纤维板的性能分析

2.3.1 对强度的影响

复合纤维对于混凝土强度的影响有正负两种效应。当复合纤维中各纤维体积率合适时产生正效应,当体积率较高时产生负效应。综合多种因素考虑,试验范围内对混凝土强度综合效果最好的纤维匹配应该是钢纤维体积率为0.8%左右,聚丙烯纤维体积率为0.1%左右,并且总体积率小于0.9%为最优值[4]。

2.3.2 对耐久性的影响

复合纤维在混凝土内部形成空间网状结构,一定程度上阻止了集料的沉降,而且混凝土表面的析水现象也降低,从而阻止了混凝土初期因干缩产生的裂缝。除此之外,复合纤维混凝土在高温下仍能保持较高的强度,而且可以有效的防止因高温引起的混凝土爆裂。试验证明在1 000℃高温下,复合纤维混凝土的抗折强度剩余率为9%左右[5]。

3 结语

1)玻璃纤维具有较高的弹性模量,能够明显提高板材的抗拉、抗弯以及抗冲击性能,一般用于外墙。但是玻璃纤维容易受到碱性环境的侵蚀,所以GRC板的使用寿命一般偏低。2)聚丙烯纤维板具有较高的抗裂性和耐久性,其弹性模量较低,一般用于制成非承重轻质隔墙板材。3)钢纤维增强轻质墙板与其他墙板特别是GRC板相比较,有以下特点：a.用钢纤维代替玻璃纤维耐蚀性较好,可提高墙板使用寿命。既可用于内隔墙,也可作外墙板使用。b.保温性能好,可直接用作节能外墙板。墙板质轻,可减轻建筑自重,减少基础投资。c.可在墙板上直接刮腻子、刷涂料,减少了用砂量。这对缺少河砂的地区来说,有极为重要的现实意义。4)碳纤维具有很高的弹性模量,能够大幅度提高混凝土的抗拉强度,而且碳纤维抗老化性强,但是由于其价格昂贵,所以碳纤维板一般用于建筑加固和补强工程。

不同的纤维在基体中发挥了不同的作用,只有了解各种纤维的性能特点,才能在工程中更好的应用,给工程带来预期的效果。

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