纤维混凝土的工作性能与应用现状①

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(辽宁建筑职业学院，辽宁 辽阳 111000)

引言

纤维混凝土是近年来发展较快的新型复合材料。自20世纪70年代问世以来，引起了世界各国的广泛关注，尤其是美、日、英、法等国家。近年来，我国的许多科研院所和高等院校对纤维混凝土也进行了大量的研究，并应用于工程实践。纤维混凝土是以混凝土作为基材，均匀地掺入非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料而形成的水泥基复合材料。通过纤维的物理力学性能来改善混凝土的内部结构，而不改变混凝土中各材料本身的化学性能，因而对混凝土的耐久性没有影响。

混凝土具有较高的抗压能力，但其抗拉能力和塑性性能极低，易发生脆性破坏。为了克服其缺陷，在混凝土中置入延性较好、抗拉能力强的钢筋形成钢筋混凝土构件。但要达到高性能混凝土(High Ptrformance Concrete，HPC)的要求，即保证混凝土的耐久性、工作性及各种力学性能，纤维混凝土便应运而生。

目前，常用的纤维混凝土有：钢纤维混凝土(SFRC)、玻璃纤维混凝土(GFRC)、碳纤维混凝土(CFRC)及合成纤维混凝土(SNFRC)等。在我国很早就有将稻草拌入泥浆中制造土坯及土墙的历史。利用纤维来改善混凝土的性能，可以使其有较高的抗拉及抗裂能力，能够抑制塑性裂缝的产生，增强抗渗水能力，因此它在世界范围内被广泛应用。主要用于建筑、交通、水利、矿山、冶金、军事、耐火材料工业等方面。

1 纤维增强的机理分析

1.1 提高混凝土抗拉强度

目前，在混凝土中均匀任意分布的短纤维对混凝土抗拉强度的增强机理有两种解释模型：一种是美国Romualoli提出的“纤维间距机理”(又称纤维阻裂机理)，根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝产生和发展的约束作用。认为在混凝土内部原来就存在缺陷，欲提高强度，必须尽可能地减小缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析和试验证明，当纤维的平均间距<7.6 mm时，纤维混凝土抗拉和抗弯初裂度均得到提高；二是英国的Swangat等提出的“复合材料机理”，其理论出发点是复合材料构成的混合原理，将纤维混凝土看作是纤维化体系，并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度，提出了纤维混凝土与纤维掺入量、方向、长径比以及粘结力之间的关系[1-9]。

1.2 延缓裂缝出现，提高韧性

混凝土在空气中硬化会发生体积收缩。当收缩应力超出了混凝土本身的抗拉强度时，在混凝土内部便产生了微小的裂缝。在工程实践中，由于缺少必要的防裂、抗裂措施，在外力的作用下，混凝土本身的微裂缝不断扩展并互相搭接，最终形成了贯通裂缝，使结构的耐久性得不到保证，进而发展为结构破坏。

掺入纤维可以有效地延缓裂缝的发展。纤维以单位体积较大的数量均匀分布于混凝土内部，故微裂缝在发展的过程中必然遭到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝，达到抗裂的作用。纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土的开裂进程，提高了混凝土的断裂韧性[1]。

用纤维改善混凝土的性能主要是通过物理力学作用来改善混凝土内部结构，并不改变混凝土中各种材料本身的力学性能，也不影响混凝土的耐久性。

纤维混凝土是一种复合材料，复合材料是由若干种不同的材料组合而成，可最大限度地发挥出各种材料独自的特性，并赋予整体以单一材料所不具备的优良特性。混凝土本身也是复合材料，而在普通混凝土中掺加纤维，能够充分发挥材料的抗拉强度，并能够抑制混凝土中原有微裂缝的扩展，起到延缓裂缝的作用，提高基材的变形能力，进而改善了混凝土的韧性与抗冲击性能。

1.3 纤维的要求

纤维应具有以下几个特性：高抗拉强度，与水泥基材的抗拉强度相比，至少要高2个数量级；高弹性模量，纤维与水泥基材的弹性模量比值越高，则受荷时纤维分担的应力也越大；高变形能力，与水泥基材的极限延伸率相比，至少要高1个数量级；低泊桑比，一般宜≯0.40；高耐碱性，不受水泥碱性水化产物的侵蚀；高粘结强度，纤维与水泥基材的界面粘结强度一般应≮1 MPa。

纤维的发展及应用极其迅速。目前，国内生产各种纤维的厂家很多，美国的杜拉纤维在我国也得到了广泛应用。

杜拉纤维(Durafiber)是美国希尔兄弟化工公司的产品。它是一种以聚丙烯为原料，以独特工艺制造的高强聚丙烯单丝纤维，可以极有效地控制混凝土(砂浆)塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止和抑制裂缝的形成及发展，大大改善了混凝土的阻裂抗渗性能、抗冲击和抗震能力[5-8]，被大量使用于地下工程防水、工民建工程屋面、墙体、地坪、水池等以及道路和桥梁工程中，其显著效果已被大量的实践所证明。

2 纤维的应用

2.1 钢纤维混凝土

钢纤维主要有碳素钢纤维以及不锈钢纤维。目前，国内制备钢纤维混凝土用于承重结构使用的是普通钢纤维，主要使用低碳钢的钢纤维，而制备钢纤维耐火混凝土则必须使用不锈钢纤维。钢纤维通常以短纤维的形式乱向随机分布于混凝土或水泥砂浆基体中，而利用电效应定向分布钢纤维的方法因费用昂贵等原因仍停滞于研究阶段。钢纤维混凝土结构以其优良的物理力学性能，在土木、水利、建筑等各个专业领域得到了广泛应用。国内各生产厂家已生产出各种型号、规格的钢纤维，广泛应用于各类混凝土工程，但钢纤维混凝土的成本比较高。

2.2 玻璃纤维混凝土

由于硅酸盐水泥的水化产物对中碱与无碱玻璃纤维有强烈的侵蚀，因此工程中使用的主要是抗碱玻璃纤维，其有较好的耐火性、抗冲击性，其长期耐久性正在进一步考查，现阶段主要用于制作非承重与次要承重的构件或制品。

2.3 碳纤维混凝土

碳纤维是一种高性能纤维，具有很高的抗拉强度和弹性模量。其化学性质稳定，与混凝土的粘结性能良好。目前，我国的碳纤维研制与生产还处于较低水平，主要表现在：一是性能不是很稳定，离散系数相对较大，与国外同类纤维相比要大1倍；二是国产碳纤维大部分表面未经过处理，制成的复合材料剪切强度偏低，不能用作有高性能要求的复合材料增强剂；三是价格偏贵，成本组成需要改变。

上海某混凝土碳纤维布有限公司生产的碳纤维布(Carbon Fiber Cloth)用于结构的修复、补强的效果较好。

2.4 合成纤维混凝土

合成的聚合纤维是一种有机聚合物，在硅酸盐水泥混凝土中进行过试验并使用的聚合纤维有：聚丙烯尼龙(酰胺纤维)、聚酯和聚乙烯等。以聚丙烯为代表的如中国纺织科学研究院自主研制开发的抗裂合成纤维(CTA Fiber)系列产品。

CTA Fiber砂浆混凝土抗裂合成纤维是用于水泥砂浆及混凝土中的次要加强筋，其材料为100%的改性聚丙烯，能够提高混凝土的抗裂性能，提高混凝土的防水、抗渗能力，增强结构的抗冲击及抗震能力，增强抗冻能力等，适用范围广泛。例如济南某公司生产各种的纤维绳、聚乙烯圆丝绳(PE Round-silk Rope)、聚丙烯等系列产品。TH-Ⅰ和TH-Ⅱ型高强聚丙烯复合水泥增强纤维网作为混凝土的增强材料，在全国各地建筑工地均有使用。鞍山某碳纤维公司以石油沥青为原料批量生产碳纤维，价格低廉。

活性碳纤维(Activated Carbon Fibers)主要用于空气净化、废气与废水处理、放射性吸附以及防毒、防化服、防毒面具等。沥青基碳纤维(Pitch-based Carbon Fiber)则用于摩擦、增强防电、防磁材料等。

聚乙烯纤维的弹性模量低，因而对其的研究也较少。

3 结语

目前，纤维混凝土已最大限度地应用于工程实际中，并按照不同的工程设计要求，选用不同性能及掺量的纤维。如飞机跑道、地铁、公路、桥梁、核反应堆外壳、隧道等场所。在建筑物中主要用于受力核心部位，如框架结点、桩尖、桩帽等部位。在大体积混凝土中也得到了广泛应用，例如用于结构防水及补强。随着纤维混凝土研究及工程应用的不断深入，纤维混凝土的应用前景会更加广阔。

参考文献：

[1] 张红州，刘锋，李丽娟，等.纤维混凝土的研究与应用现状[J].新型建筑材料，2003(6)：12-15.

[2] 李学章.抗裂防水新材料杜拉纤维砼[J].住宅科技，2001(12)：23-26.

[3] 张圣城，刘焕宇.给世界一个新结构，给结构一个新世界——论混凝土加筋[J].河南交通科技，1999，19(6)：18-25.

[4] 张雪玉.呼和浩特党政机关大楼基础大体积混凝土施工研究[D].天津：天津大学，2008.

[5] 舒小琴，陈兴.杜拉纤维的功能及作用机理[J].江西建材，2005(2)：17-18.

[6] 邹斌.杜拉纤维在深圳市市民中心工程中的应用[J].四川建筑，2003，23(3)：80-81.

[7] 翁志峰，黎志强.杜拉纤维混凝土的应用[J].广西土木建筑，2002，27(S0)：267-270.

[8] 周斌，李文涛，周雅峰.杜拉纤维(Durafiber)在混凝土路面施工中的应用[J].河南交通科技，2000，20(6)：50-51.

[9] 李学章，陈建辉.耐久纤维在建筑抗裂防水工程中的应用[J].房材与应用，2001，29(6)：31-34.