复合建材的开发——纤维混合型改良建材

文/余为红 长江大学 湖北荆州 434000

复合建材的开发——纤维混合型改良建材

文/余为红 长江大学 湖北荆州 434000

混凝土是在房屋建筑中使用最为广泛的一种建材，也是一种经济，耐久性兼备的不可或缺的建筑材料。但是在混凝土硬化后重要的力学性能评价上，相对于它优秀的抗压强度，混凝土在抗拉，抗弯及抗剪方面上存在一定的待提高空间。如何提高混凝土的抗拉，抗弯以及抗剪强度也是混凝土改良的重要方面。作为改良的对策，现行的主要方法是加入钢筋，也就是熟称的“钢筋混凝土”。但钢筋混凝土的使用也存在着混凝土裂缝等问题。而混凝土裂缝将导致混凝土的强度，耐久性，防水性的降低。为了改善混凝土最长出现的裂缝问题，最直接的方式就是提高混凝土的抗拉，抗弯及抗剪强度。而如何提高混凝土的抗拉，抗弯及抗剪强度，我们考虑两种方法。一是在混凝土建材的制作过程中混入纤维改良材料，提高混凝土的韧性，二是预估混凝土建材受拉，受弯以及受剪力集中的部位，同样的制作过程中对于受力集中的部分进行局部的混入纤维材料达到改良效果。在本文中，我们将介绍国内外纤维混合型改良建材的试用现状，分析纤维混合型改良建材的优势，以及其开发制作过程中可能面临的开发困难点。

纤维混合型改良建材

1、纤维混合型改良建材的使用现状

在国际上，纤维混合型改良建材已经投入使用，以日本为主的地震多发国家，已在混合型改良建材的开发研究上取得一定的研究成果。现有已开发的混合纤维有钢纤维，玻璃纤维，碳素纤维，以及以天然材料为主的有机纤维。根据建材的不同用途以及纤维材料的不同特性，而选择适合的混合纤维。其中特殊钢纤维混合改良混凝土建材的设计强度已达到普通混凝土的5至8倍程度。其改良后的弯曲强度更是到达普通混凝土的10倍程度。强度增加同时，混凝土开裂的概率减小，其自身的耐久性增强。由于强度的增加，配筋率也可以相应降低，所需建材的尺寸也可以相应减小，在经济方面上，也并不会由于混合纤维而增加预算。

在国内，混合纤维主要为碳纤维以及钢纤维。近10年来我国碳纤维制备与应用技术急速发展，已在建筑工程，航空航天等多种产业中得到广泛应用。在建筑工程产业中，我国自上世纪90年代开始进行碳纤维复合材料在土木工程、建筑补强中的应用研究，并在产品生产、装备制造、材料评价及设计体系、应用技术等方面取得了大量成果。先后被用于人民大会堂、天安门城楼、北京工人体育场、京沈高速公路桥、北京地铁隧道、北京国贸立交桥、中石油输油管道等众多重大基础设施、公共设施和工业设施[1]。

2、纤维混合型改良建材的优势

对纤维混合型改良建材的优势，除了前文中所提到的改良建材在抗压，抗拉，抗弯，以及抗剪强度上的大幅度提高，更需要关注的是它在提高建材韧性方面的表现。混入了纤维改良材料的混凝土建材，在材料出现开裂的情况后，由于连接裂缝两侧的纤维与混凝土间存在着摩擦力，摩擦力的作用将会抑制混凝土建材的继续开裂，增加其耐久性。它经常被用于隧道，桥梁，桥墩等土木建造物来防止混凝土面的剥离脱落，以及抑制混凝土的开裂。混凝土中混入纤维改良材料也可以有效的防止混凝土氧化过程中可能出现的起霜现象。

此外，纤维改良型混合建材的韧性，也将在地震发生时起到重要作用。我国国土的绝大部分在非地震带上，由于板块的移动而发生大型地震的危险性相对较低。但也存在小部分在分布在地震活跃带附近的城市，近年来也有数次地震的发生。除此以外，由于断层的能量而引发的直下型地震（1976年的唐山地震）的危险性更是不可忽视。一旦发生地震，建筑物的梁，柱，楼板很大程度上会出现开裂，在钢筋达到屈服强度后将会出现断裂，而这些往往发生在一瞬间。然而，纤维改良型混合建材的使用，它的韧性将会减缓开裂的速度，在地震灾害发生时增加生存的可能性，争取宝贵的时间。

3、纤维混合型改良建材的开发困难点

而现有的改良纤维也大多数为人工物，成本也比较高，我们也可以考虑采用废弃的轮胎等胶制品，或者竹子等自然产物来开发新型的节能，环保型混合纤维。竹子的生长速度非常快，2-3年即可长成，是种可持续使用的环保资源。对于竹制纤维的使用可能性，在日本已有相关研究[2]。

改良纤维开发的困难点主要有以下几个方面：

第一，纤维的尺寸。如何确定最适合的纤维尺寸是开发过程中很重要的一环。对于大型建材，短纤维的使用可以一定程度的提高建材的强度，但在抑制建材开裂速度的方面作用较小。

第二， 纤维的混合情况。如何均匀的混入改良纤维是纤维改良型建材开发中另一个需要面对的问题。原则上，混凝土中混入纤维的方向不可能均一，对于全方面的改良作用比较明显。在此之上，如何相对均匀的混合纤维，对于不同纤维，如何有效的分散纤维，找到其最适合的混合方法，避免纤维的不均匀混合造成纤维的集中现象也是重要的需解决的问题点。

第三， 集中改良型建材的开发。对于集中受力点，受力方向可预测的建材，使用长纤维或者网状纤维进行改良也是我们可以开发的方向。

总结:

在本文中，我们大致上介绍了纤维改良型建材的类型，国内以及国际上在纤维改良型建材的开发研究及使用现状。在此基础上分析了纤维改良型建材的优势以及其开发的可能性和开发过程中存在的困难点。总结出一下几点：

第一，纤维混合型改良建材可以很大程度的提高混凝土的抗压，抗拉，抗弯，以及抗剪强度。而强度增加同时，混凝土开裂的概率减小，其自身的耐久性也随之增强。

第二，纤维改良型混合建材的韧性，也将在地震发生时起到重要作用。一旦发生地震，建筑物的梁，柱，楼板很大程度上会出现开裂，纤维改良型混合建材的使用，它的韧性将会减缓开裂的速度，在地震灾害发生时增加生存的可能性，争取宝贵的时间。

第三，如何均匀的混入改良纤维是纤维改良型建材开发中一个重要的问题。

[1]促进国产碳纤维及其复合材料产业加速发展，中国建材报，2015.7.

[2] Study on strength characteristics of reinforced soil by cement and bamboo chip, Huang He, Jin Shaohong, and Yamamo to Haruyuki,Applied Mechanics and Materials, Vol 71-78, pp.1250-1254, 2011.7.

余为红，男，1966.5，湖北，本科，建筑施工管理，工程师。