纖維增強(qiáng)混凝土國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

纖維增強(qiáng)混凝土國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

司西安分公司,西安710061纖維增強(qiáng)混凝土（FiberReinforcedConcrete,以下簡稱FRC）是一種高韌性的混凝土，其設(shè)計(jì)思想早在民間便有，將稻草混合拌入砂漿中制造土胚或土墻，以改善土坯或墻體的延性，至于利用人造纖維來改善混凝土的性能，還是最近幾十年才逐漸創(chuàng)造出來的思路和做法。目前常用的幾種纖維增強(qiáng)混凝土有：鋼纖維混凝土（SteelFiberReinforcedConcrete）、玻璃纖維混凝土（GlassFiberReinforcedConcrete）、碳纖維混凝土（CarbonFiberReinforcedConcrete）以及合成纖維混凝土（SyntheticFiberReinforcedConcrete），如圖1.1所示。(a)鋼纖維(b)玻璃纖維(c)碳纖維(d)合成纖維圖1.1纖維原材料鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻止混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著地改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的延性。國外，鋼纖維混凝土的應(yīng)用始于上世紀(jì)70年代，有美國的Battele公司開發(fā)的熔抽鋼纖維技術(shù)為鋼纖維混凝土的應(yīng)用提供了條件，此后在加拿大、英國、瑞典、日本等國家也迅速進(jìn)行這方面的應(yīng)用研究。我國是從上世紀(jì)70年代著手對鋼纖維混凝土進(jìn)行材料力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究，并相繼頒發(fā)了有關(guān)鋼纖維混凝土的設(shè)計(jì)與施工規(guī)程。目前鋼纖維混凝土在結(jié)構(gòu)工程、鋪面工程、地下結(jié)構(gòu)及其他特種結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用[1]。玻璃纖維混凝土是將彈性模量大的抗堿玻璃纖維材料均勻地分布在水泥砂漿或混凝土中，用以增強(qiáng)基材物理性能的一種復(fù)合材料。與其他纖維相比，玻璃纖維具有高強(qiáng)度、高彈性模量、不燃性及價廉等優(yōu)點(diǎn)，其存在的缺點(diǎn)之一是耐堿性差，易被水泥水化產(chǎn)物所產(chǎn)生的游離堿所腐蝕，引起強(qiáng)度下降。目前主要通過改善玻璃纖維的成分或采用低堿性水泥來改進(jìn)玻璃纖維的耐久性。因其耐久性有待進(jìn)一步研究，故僅用于非承重構(gòu)件和制品，建筑工程領(lǐng)域有屋面瓦、外壁面板、復(fù)合外墻板、天花板、隔墻板；農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域有沼氣池、熱水器、太陽能灶殼體、糧倉；土木工程領(lǐng)域有模板、擋土墻、水下管道；市政工程領(lǐng)域有候車亭、售貨亭、書報亭等[2]。碳纖維是有機(jī)纖維在惰性氣氛中經(jīng)高溫碳化而成的纖維狀的碳化合物。它是由瀝青纖維、聚合物纖維或含碳?xì)怏w制成。在混凝土中引入不同的碳纖維成分，將賦予新型混凝土的特殊功能。如在混凝土中摻入不同品質(zhì)的碳纖維，可以分別配置出具有導(dǎo)電、屏蔽磁場、屏蔽電磁輻射和應(yīng)力、應(yīng)變自檢測以及溫度自測等多功能的水泥基復(fù)合材料。由于它是高彈模、高強(qiáng)度纖維增強(qiáng)的水泥基，因而具有高抗拉、高抗彎、高斷裂能、低干縮率、低熱膨脹系數(shù)、耐高溫與高阻燃能力、高耐久性、耐老化、抗腐蝕、高抗?jié)B等并與老混凝土、金屬的接觸電阻低和由良好的電磁屏蔽效應(yīng)而且減輕結(jié)構(gòu)自重，故碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料將有可能制成智能材料，可廣泛應(yīng)用于混凝土大壩等重要的建筑物。目前碳纖維較多應(yīng)用于補(bǔ)強(qiáng)加固，延長建筑物的壽命，節(jié)約了大量的重建費(fèi)用，而且性能優(yōu)異，滿足抗震要求[3]。合成纖維增強(qiáng)混凝土是目前應(yīng)用最廣泛的纖維混凝土，合成的聚合纖維來源于有機(jī)聚合物，通常所用的聚合物纖維有聚丙烯、尼龍（酰胺纖維）、聚脂和聚乙烯、聚丙烯（PE）纖維、高彈模聚乙烯醇（PVA）纖維、芳香聚酰胺（Kevlar）纖維、聚丙烯腈（PAN）纖維，纖維素纖維（Cellulos）、聚丙烯（PP）纖維等。合成纖維能以相對較低的價格有效提高混凝土的物理力學(xué)性能，從而代替石棉、鋼纖維和玻璃纖維。合成纖維增強(qiáng)混凝土在性能上有很大的優(yōu)勢，在美國、日本等國家，已經(jīng)在基礎(chǔ)工程和建筑工程中應(yīng)用，并可用作橋面鋪設(shè)材料、抗震結(jié)構(gòu)材料、快速修補(bǔ)材料、高速公路罩面材料、抗沖擊材料和抗裂材料[4]。根據(jù)我國工程建設(shè)發(fā)展的需要，在各工程領(lǐng)域更多地應(yīng)用性能優(yōu)良、價格低廉的纖維混凝土是未來的發(fā)展趨勢。隨著我國纖維生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，產(chǎn)品質(zhì)量的提高，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，纖維品種的引進(jìn)或自主開發(fā)能力的提高，纖維的數(shù)量和質(zhì)量，能滿足未來發(fā)展的需要。同時，通過近年來的研究和工程應(yīng)用，取得了大量的研究成果，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并編制了有關(guān)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，不僅為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)，也為我國纖維混凝土事業(yè)的今后發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

隨著纖維和混凝土新材料的不斷出現(xiàn)，纖維混凝土理論和應(yīng)用技術(shù)的成熟，尤其是工程界對混凝土的力學(xué)性能和耐久性要求愈來愈高，纖維混凝土的發(fā)展前景十分可觀。

由于石油工業(yè)的發(fā)展，合成纖維品種越來越多，產(chǎn)量不斷增加，成本不斷降低，合成纖維用于增強(qiáng)混凝土的發(fā)展前景十分看好。目前已被大家認(rèn)可的低彈性模量纖維低摻量（體積率0.1%左右）用于防止和減少砂漿、混凝土早期收縮裂縫，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)粩鄶U(kuò)大，與此同時，用合成纖維代替石棉制作纖維水泥制品，如波紋瓦、屋面板、內(nèi)墻裝飾板等。

開發(fā)高彈性模量的合成纖維，用于混凝土增強(qiáng)和增韌，將使合成纖維更有用武之地。目前已見報道的有高強(qiáng)模聚乙烯纖維和高彈性模量尼龍纖維、芳綸纖維。其中，芳綸纖維增強(qiáng)混凝土的性能最為優(yōu)異。芳綸纖維抗拉強(qiáng)度高達(dá)3000MPa，彈性模量130GPa，耐腐蝕，無磁性，不導(dǎo)電，線脹系數(shù)為負(fù)值，用它配置的纖維混凝土在相同體積率下，其增強(qiáng)增韌效果比鋼纖維混凝土顯著提高。但因芳綸纖維價格太高，目前應(yīng)用還十分有限，僅用于對防腐蝕、防電磁有特殊要求的部位。

總之，具有獨(dú)特性能的纖維混凝土既是一種新型復(fù)合材料，又是一門新興的材料科學(xué)，在纖維混凝土的領(lǐng)域中，還有許多理論和應(yīng)用問題尚待今后進(jìn)一步研究開發(fā)，工程應(yīng)用中有時可能初期投資較大，但是從提高使用性能、延長使用壽命、減少維護(hù)費(fèi)用等綜合效益和長期效益考慮，是十分有利的，深信纖維混凝土必將在我國的工程建設(shè)中發(fā)揮更加重要的作用，未來應(yīng)用的前景將更加廣闊。[1]王輝，廖晨彥.鋼纖維混凝土的性能研究與應(yīng)用[J].科技致富向?qū)В?010,(07)（上）47，94.[2]唐乃巖，李秋平，劉乃蕓.玻璃纖維混凝土的研究進(jìn)展與工程應(yīng)用[J].山東建材