特别策划：纤维混凝土的生产与应用

赵恒树（山东亿辰混凝土有限公司，高工）

随着预拌混凝土行业的迅速发展，混凝土墙、板的裂缝也经常发生，为了预防裂缝的发生，设计人员采用新技术，在混凝土中掺入聚丙烯纤维、钢纤维等增强混凝土拉力的材料。在生产和施工中发现存在以下几个问题：

（1）在生产混凝土时每方加入 1kg 聚丙烯纤维，混凝土的 28d 抗压强度比不掺纤维的同配比混凝土低 10% 左右，而抗拉强度同比提高 20% 左右。如果想要达到相同的试配强度，掺纤维的混凝土每方水泥用量应提高 30kg。

（2）在设计纤维混凝土时应考虑以下几方面因素：

① 结构构件的位置：基础底板的底部与地基接触，温度恒定，底板上部也处于基坑内，受外部环境条件的影响较小，基础底板大多数为大体积混凝土，只要控制好内外温差不大于 25℃，就不会产生裂缝。所以，基础底板不需要掺加抗裂纤维。而有些设计人员偏偏就在大体积混凝土基础底板内加入抗裂纤维，无故加大了工程成本，造成了不必要的浪费。当地下室外墙或水池子外墙施工时，如果混凝土强度等级大于 C35，而施工期处在 4～10 月期间，最好采用纤维混凝土，这样可有效地避免裂缝产生。

临沂建华混凝土公司在 2006 年 6 月份供应了 C50P8 地下室外墙混凝土，使用 P·O42.5 水泥、JEA 膨胀剂、萘系泵送剂、邹县电厂Ⅰ级粉煤灰、沂河中砂、石灰岩碎石。当时天气温度比较高，最高温度达到 37℃，原材料也没有采取降温措施，混凝土的出机温度达到 36℃。施工单位对混凝土的养护非常重视，待混凝土终凝后先把模板松开，然后用带许多小孔的水管向模板内侧溜水养护 7d。当把模板拆除后第二天就出现了竖向裂缝，自底板上部 200～500mm 到顶部梁底附近，每隔 3～5m 一道，缝宽 0.5mm 左右，缝长 3m 多。而外墙的每个施工段都不超过 30m。同年 12 月在兴大公司 3 号楼的地下室外墙混凝土也是 C50P8 等级，浇筑后也没采取其他保温保湿措施，竟然连很微小的裂缝都没有。这主要是天气温度低，混凝土入模温度低，受天气降温的影响很小。

② 混凝土强度等级：C35 及以下混凝土等级的地下室外墙很少出现裂缝，而 C40 及以上混凝土的地下室外墙当在5～9 月份期间浇筑时就很容易出现竖向裂缝，因此在这种情况下最好掺加抗裂纤维，反之就不用掺加抗裂纤维。

③ 天气温度的高低：如果要生产 C40 及以上等级的混凝土时，若是处在 11～3 月份期间，就不用掺加抗裂纤维，若是处在 4～5 月和 9～10 月份期间，可在每方混凝土中掺加 0.6kg的抗裂纤维；若是处在 6～8 月份期间，可在每方混凝土中掺加 0.8～1.0kg 的抗裂纤维（这要看生产时的气温，若最高温度在 35℃ 及以上时就应掺加 1.0/m3，若最高温度在 30～35℃ 期间时，可掺加 0.8㎏/m3）。

柳俊哲（宁波大学，教授）

钢纤维混凝土具有良好的耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性，因此在高速公路、桥梁、摩天大楼、地铁、隧道等土木工程中获得广泛应用。钢纤维混凝土随着钢纤维掺量的增加，混凝土中钢筋的腐蚀速率降低，钢筋腐蚀面积率减少，显示出良好的耐腐蚀性能，从而可以很好地保护混凝土中的钢筋不被锈蚀，但其作用机理有待进一步研究：（1）明确钢纤维混凝土的阻锈作用与水泥用量的相关关系。钢纤维混凝土水泥用量较大，是否由于较大的水泥用量生成 Friedel 复盐时消耗了大量氯离子。（2）阐明是否钢纤维的阻锈作用是由于掺入比表面积较大的钢纤维，减小了阴、阳极面积之比，从而抑制钢筋腐蚀。（3）通过掺入铁粉或不锈钢纤维等阐明钢纤维的掺入削弱了钢筋的阳极作用。（4）钢纤维的掺入对碳化锈蚀的影响。（5）钢纤维在混凝土中的分布是分散、乱向和不连续的，因此难以形成高能量局部电池效应。（6）合理设计钢纤维种类、直径、长度、掺量、钢筋周围的分布取向等参数，确定钢纤维在钢筋混凝土中抑制腐蚀的最佳效果。

戴会生（天津港保税区航保商品砼供应有限公司，工程师）

纤维混凝土有 JGJ/221-2010 《纤维混凝土应用技术规程》可供参照执行。在实际的生产和应用中，主要是钢纤维混凝土和聚丙烯纤维混凝土，前者的应用时间较长，近几年，后者的应用量有明显增加。作为纤维混凝土，应用的主要工程项目大多是公路路面，桥梁的桥面铺装层、机场道面、港区道路、堆场铺面，也有少量的楼板或者结构物的顶板部位。在道面混凝土的坡道或者桥涵下部通道的应用较为普遍。在混凝土中添加纤维的主要作用主要有两方面：一是提高抗折强度，二是减少或避免混凝土开裂。从添加量来说，在每立方米混凝土中钢纤维一般要添加数十公斤，而聚丙烯纤维则不足一公斤。

受到搅拌站自有条件的限制，一般来说，在生产过程中纤维的添加都是靠人工完成的，但这并不意味着计量的不准确。计量是自动的，并且可以辅助可调的定量小包装，只不过纤维材料不能像水泥和砂石一样存储于料仓或料斗当中。

混凝土自身是有脆性的，抗折强度等级高的混凝土其抗压强度也偏高，脆性更为增强，添加纤维来改善脆性，尤其是抗折性能是必要的。但通过以往的项目应用经验，抗折指标低于 5.5MPa 的混凝土是不需添加纤维材料即可实现的。对于抗折指标在 6MPa 以上的混凝土，添加纤维来增强是很有必要的。一般有如此高抗折要求的混凝土都是受重载甚至受动荷载的。在两种纤维材料的选择中，笔者更倾向于应用钢纤维，因为聚丙烯纤维的使用量小，在混凝土中的分散较钢纤维差，虽然在拌制混凝土时投料顺序、搅拌时间等参数设置较普通混凝土都需做改变，但分散效果仍然不是很理想。

在做配合比的设计和混凝土原材料的选择时应注意胶凝材料的用量、砂率和骨料的粒径，在生产时直接向普通的混凝土中添加纤维的做法势必要减弱添加效果。

计海霞（淮北永尚新型建材有限公司，高工）

随着高层建筑与日俱增，高强度商品混凝土也得到了广泛应用。对于高强混凝土产生的裂纹，让同行业人士备感纠结。为减少这些裂缝的出现，聚丙烯抗裂纤维在混凝土中得到了广泛运用，但是在使用过程中对于聚丙烯纤维的鉴别与特性很多人并不是很了解，再次和大家共同探讨一下聚丙烯纤维的鉴别与特性。

（1）聚丙烯纤维的鉴别

① 简单的方法是把纤维放到水中，如果纤维浮在水中就是聚丙烯纤维，若纤维沉到水下则说明该纤维属玻璃纤维。

② 另外纤维的外观应该是透明自然的，过白或染色都摆脱不了用再生料生产的嫌疑，强度无法保障；成包的纤维看上去杂乱、颜色不统一，基本可断定是纺织下角料切断而成的，其分散性无法保证，对混凝土性能改善不仅无益，反而有危害。

（2）聚丙烯纤维混凝土的特性

据相关资料记载，聚丙烯纤维混凝土是把一定量的聚丙烯纤维加入到普通混凝土的原材料中，经过搅拌机的搅拌，纤维受到了水泥、砂石的冲击混合，均匀分布在混凝土中。作为次要的增强材料，掺入每立方混凝土中 0.9%，如果采用 19mm 的纤维，每方混凝土中约有 700～2000 万根独立的纤维，即平均 7～20 根/ cm3左右。这些方向随机分布的纤维对混凝土性能有很大的改善。

胡景平（北京绿砼科技有限公司，经理）

1 纤维加入基体中的作用

（1）阻裂。阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。

（2）防渗。通过阻裂提高水泥基体的密实性，防止外界水分侵入。

（3）耐久。改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性。

（4）抗冲击。提高水泥基体的耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性。

（5）抗拉。在使用高弹性模量纤维前提下，可以起到提高基体的抗拉强度的作用。

（6）美观。改善水泥构造的表观性态，使其更加致密、细润、平整、美观。

2 目前主要使用的纤维混凝土的种类及优缺点

（1）钢纤维。钢纤维混凝土的技术特点是能提高混凝土的韧性和抗拉强度，但是钢纤维搅拌时易结团，混凝土和易性差，泵送困难，难以施工且易锈蚀，钢纤维混凝土的自重大，在制造方面使用大量的钢材，加大了对钢材的消耗，增加成本较多。钢纤维在使用过程中破坏形态主要是被拔出，而不会被拉断，这说明钢纤维与混凝土的粘性不足，这会影响提高混凝土抗拉强度的效果，它增韧增强的原理是当裂缝产生后由于钢材的高模量和单根的高抗拉强度，阻止了裂缝的进一步开展；但由于数量有限，对微观裂缝约束效果不大，对抗渗、冻融等性能提高并不明显，另外，施工中钢纤维密度过大，振捣浇筑时往往会沉于混凝土下部，不可能均匀分布，这就是理论研究结论较好，而与实际应用效果相比差异很大的主要根源。

（2）玻璃纤维。尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但是玻璃纤维在使用中暴露了很大的缺点，如玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间后，其强度和韧性会大幅下降，即由早期高强度、高韧性向普通混凝土退化。众所周知，普通的玻璃纤维还有一个致命的弱点，就是不耐碱，碱骨料反应是水泥混凝土的“癌症”。因此，普通玻璃纤维是不能用作水泥混凝土基增强材料的，即使是耐碱玻璃纤维（AR）也不适宜与普通波特兰水泥复合，最好与低碱度水泥复合。这主要是为了减轻水泥基材对玻璃纤维表面的碱性侵蚀作用。我国“双保险”的技术路线（即耐碱玻璃纤维与低碱度水泥复合）由于是“削足适履”的做法，加之，耐碱玻璃纤维在外观上很难与普通玻璃纤维相区别，几十年来一直难以大面积推广。

（3）合成纤维。合成纤维包括聚丙烯纤维、聚酯和聚丙烯腈纤维等，它与钢纤维的相似点是不受水化产物的侵蚀，有一定的抗拉强度，可三维乱向分布于混凝土基体中，其阻裂原理是充分发挥了纤维数量（每公斤数千万根）优势，具有很大的表面积，对微裂缝约束，使之不至于连通，效果显著。但是合成纤维密度小，单丝直径较小，存在增稠效应，不利于混凝土的振动密实，由于合成纤维的抗拉强度较低，在使用过程中其破坏形态主要是纤维被拉断，且在抗老化、耐碱方面也不够好。

（4）碳纤维。20 世纪 60 年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好的优点，但由于碳纤维价格昂贵，工程应用中受到很大的限制。

（5）玄武岩纤维。是一种无机纤维材料，用纯天然火山喷出岩为原料，经 1450～1500℃ 高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，具有卓越的综合性能和较低的价格，连续玄武岩纤维的特性：① 原材料的天然性。由于生成 CBF 的原料取决于天然的火山喷出岩，除了具有很高的化学稳定性和热稳定性，也不含对人类健康有害的成分。② 性能的综合性。玄武岩纤维是名副其实的“多能”纤维。譬如，既耐酸又耐碱、既耐低温又耐高温、既绝热电绝缘又隔音，拉伸强度超过大丝束碳纤维，断裂延伸率比小丝束的碳纤维还要好；CBF 表面极性，与树脂复合时界面结合的浸润性极好，而且 CBF 具有三维的分子维数，与分子维数一维的线性聚合物纤维相比，具有较高的抗压强度、剪切强度和在耐恶劣环境中使用的适应性、抗老化性等优异的综合性能。③ 成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武岩价格并不高，明显低于钢纤维、碳纤维等，与合成纤维相当。④ 天然的相容性。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，用它与水泥混凝土和砂浆混合时很容易分散，新拌玄武岩纤维混凝土的体积稳定、和易性好、耐久性好，具有优越的耐高温性、防渗抗裂性和抗冲击性。此外，玄武岩纤维的耐碱性要比耐碱玻璃强。因此，玄武岩纤维增强混凝土可以在基本建设的各个领域起到防渗抗裂、延长使用寿命等作用。