混凝土科學(xué)技術(shù)-纖維混凝土

主要內(nèi)容1.引言2.概述3.纖維在混凝土中的作用機(jī)理4.鋼纖維混凝土5.玻璃纖維混凝土6.碳纖維混凝土7.纖維混凝土的不足及發(fā)展前景1.引言混凝土是由水泥、砂、石組成的非均質(zhì)體，具有高的抗壓強(qiáng)度，然而它本身也具有弱點(diǎn)—如抗拉壓強(qiáng)度小，韌性小，耐化學(xué)腐蝕性差，抗疲勞能力低，易產(chǎn)生裂紋，抗沖擊性差等，限制了其在工程中的應(yīng)用范圍。長(zhǎng)期以來，許多專家和學(xué)者不斷探索改善混凝土性能的各種方法和途徑，于是提出啦了一種以傳統(tǒng)混凝土為基體的新型復(fù)合材料—纖維混凝土。

2.概述

圖1介紹內(nèi)容2.1定義纖維混凝土，是纖維增強(qiáng)混凝土的簡(jiǎn)稱，通常是指以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基體，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長(zhǎng)纖維作增強(qiáng)材所組成的水泥基復(fù)合材料。2.2分類

圖2分類標(biāo)準(zhǔn)較多

三種分類材質(zhì)金屬纖維無機(jī)纖維有機(jī)纖維纖維長(zhǎng)度非連續(xù)的短纖維連續(xù)的長(zhǎng)纖維彈性模量高彈性模量低彈性模量2.3

纖維的性能

圖3性能纖維混凝土砌體性能阻裂抗拉耐久美觀減重抗沖擊防滲纖維混凝土是將短而細(xì)、具有高拉強(qiáng)度、高極限延伸率、高抗堿性等優(yōu)良性能的纖維均勻分散在混凝土基體中形成的一種新型建筑材料。纖維混凝土有效的克服拉普通混凝土抗拉強(qiáng)度低，抗沖擊，抗阻裂，抗爆延性，耐火等性能，同時(shí)對(duì)混凝土抗?jié)B、防水、抗凍、護(hù)筋、減重等方面也有很大的貢獻(xiàn)。2.4

纖維混凝土的發(fā)展簡(jiǎn)史纖維混凝土的誕生

黃土白灰+“麻刀”

20世紀(jì)50年代的成就理論研究與工程應(yīng)用

20世紀(jì)60年代，Goldfein等研究合成纖維作水泥砂漿增強(qiáng)材的可能性纖維混凝土在中國(guó)

20世紀(jì)70年代傳入中國(guó)典型的植物纖維鋼纖維的；玻璃纖維的；聚丙烯纖維混凝土3.纖維在混凝土中的作用機(jī)理

混凝土之所以表現(xiàn)出上述優(yōu)越的性能，與纖維的作用是分不開的，纖維對(duì)基體的主要作用是：阻裂、增強(qiáng)、增韌。下面對(duì)阻裂和增強(qiáng)作用進(jìn)行分析。

3.1纖維對(duì)基體的阻裂作用阻裂作用指纖維對(duì)新拌混凝土早期收縮裂紋和硬后的化的收縮裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的阻礙作用。均勻分布的纖維在混凝土中起到支撐骨架的作用，即阻止了粗細(xì)骨料的沉降。纖維的存在同時(shí)可以減少其表面析水防止表面失水快而發(fā)生收縮導(dǎo)致的裂縫。應(yīng)力——應(yīng)變比較圖5纖維對(duì)裂紋的作用效果表1鋼纖維混凝土開裂情況（長(zhǎng)徑比）表2玄武巖纖維混凝土開裂情況（纖維含量）3.2

纖維對(duì)基體的增強(qiáng)作用增強(qiáng)作用主要為抗拉強(qiáng)度的提高，相應(yīng)地以主拉應(yīng)力為控制破壞的，如抗折強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度等也隨之提高。均勻而任意分布的纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)機(jī)理，目前存在2種解釋模型:（1）復(fù)合材料機(jī)理；（2）纖維間距機(jī)理。合成纖維混凝土的早期抗裂機(jī)理美國(guó)Romualdi提出的“纖維間距理論”英國(guó)Swamy提出的“復(fù)合材料理論”根據(jù)彈性斷裂學(xué)來說明纖維對(duì)裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。從復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理出發(fā)，將纖維看成強(qiáng)化體系，應(yīng)用混合原理推定纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度。（1）Swamy的復(fù)合理論σc=σfVf+σmVm，

（Vf+Vm=Vc=1）

式中σc———復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、σm———基體的抗拉強(qiáng)度;Vf———纖維體積;Vm———基體體積。

（2）Romualdi計(jì)算公式Romualdi推導(dǎo)出的纖維平均間距公式

S=1.25×d×Vf-1/2式中S———某一截面的平均間距;

d———纖維直徑;

Vf———單位體積內(nèi)的纖維體積。纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度為:

σcf=σmt+k(S-1)-1/2式中σcf———纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度;

σmt———基體混凝土的抗拉強(qiáng)度;

K———試驗(yàn)常數(shù)。3.3工程纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響3.3.1

試驗(yàn)概況本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。各項(xiàng)試驗(yàn)參照中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《鋼纖維混凝土試驗(yàn)方法》實(shí)施。試驗(yàn)原材料如下：(1)水泥:石河子開發(fā)區(qū)天業(yè)牌P·O32.5R級(jí)水泥;(2)砂:瑪納斯河水洗砂;(3)

改性聚丙烯纖維:

中國(guó)紡織科學(xué)研究院生產(chǎn)的凱泰(CTA)牌改性聚丙烯纖維;(4)

鋼纖維:嘉興市經(jīng)緯鋼纖維有限公司生產(chǎn)的經(jīng)緯牌剪切波浪型B30mm鋼纖維;(5)

碎石:瑪納斯河碎石(10~20mm,20~40mm);(6)水:普通自來水。3.3.2配合比設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度按C20進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),試驗(yàn)配合比基本參數(shù):砂率33%、水灰比0.57、大小碎石比例55∶45,石子最大粒徑40mm?；炷僚浜媳纫姳?,采用強(qiáng)制式小型攪拌機(jī),干拌30s后再濕拌60

s,

纖維無結(jié)團(tuán)和并絲現(xiàn)象,抗折試件為550mm×150mm×150mm,試件在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28d,

溫度(20±3)℃,相對(duì)濕度95%,以纖維摻量和類型不同共設(shè)計(jì)12組,見表2。表3普通混凝土配合比

3.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果纖維不同摻量對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度影響見圖1、2。圖6纖維混凝土7、28d抗壓強(qiáng)度圖7纖維混凝土7、28d抗折強(qiáng)度表4纖維不同摻量對(duì)混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度影響3.3.4結(jié)果分析(1)改性聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng),

但強(qiáng)度的絕對(duì)降低值不大,

對(duì)纖維混凝土抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)正效應(yīng),改性聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的提高有明顯作用,28d抗折強(qiáng)度最大可提高19%。(2)

鋼纖維混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)正效應(yīng),鋼纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的提高有明顯作用,28d抗折強(qiáng)度最大可提高64%,抗壓強(qiáng)度最大可提高14%。(3)

混合纖維混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)正效應(yīng),混合纖維增強(qiáng)混凝土對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的提高有明強(qiáng)度最大可提高78%,抗壓強(qiáng)度最大可提高12%。顯作用,28d抗折強(qiáng)度最大可提高78%,抗壓強(qiáng)度最大可提高12%。4.鋼纖維混凝土（SFRC）鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入少量低碳鋼、不銹鋼和玻璃鋼的纖維后形成的一種比較均勻而多向配比的混凝土。與普通混凝土相比，它能改善抗拉、抗剪、抗彎、抗磨、和抗裂性能，而且能大大增強(qiáng)混凝土的抗斷裂性和抗沖擊性。4.1

混凝土基體

任何品種的纖維增強(qiáng)混凝土都應(yīng)采用強(qiáng)度高，密實(shí)性好的混凝土基體，這樣可以保證纖維與基體有較高的界面粘結(jié)強(qiáng)度，從而充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用。（1）水泥水泥強(qiáng)度≥42.5%MPa，水泥中的C3A含量≤6%（２）集料要求選用硬度高，強(qiáng)度大的碎石，粒徑最好在10～16ｍｍ，細(xì)集料要求細(xì)度模塊數(shù)控制在2.5～3.2。（３）外加劑a.減水劑選用減水率高（＞18％），引氣性低的高效減水劑。ｂ．緩凝劑適量。4.２性能物理性能普通混凝土SFRCＲ折（MPa）（開裂）200～250550～1250Ｒ折（MPa）（破裂）200～550550～1750Ｒ壓（MPa）2100～55003500～5600Ｒ剪（MPa）250420彈性模量（MPa）2.0×105(1.5～2.8)×105Ｒ沖（kg/cm）4.813.8

表5SFRC（0.25%）與普通混凝土性能比較

除表中所示的性能外，由于所摻鋼纖維性能明顯不同，以及不同摻量的影響，SFRC的抗拉強(qiáng)度也有不用程度的提高。鋼纖維摻量為1%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可提高19%～79%，摻量為2%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可提高32%～92%。鋼纖維混凝土斷裂模型SFRC中的真實(shí)裂紋,所有纖維均已被拔出,開裂表面抗力為零SFRC中的假塑性區(qū),達(dá)到臨界狀態(tài)SFRC復(fù)合材料中的微裂區(qū)或稱為過渡

帶,隨荷載的增加,該區(qū)將向Ⅱ區(qū)轉(zhuǎn)化。4.3

耐久性（1）抗腐蝕性剛纖維增強(qiáng)混凝土具有很優(yōu)良的抗腐蝕性，其主要原因：一方面是混凝土基體強(qiáng)度較高，致密性較好。另一方面是鋼纖維摻入量ＦＤ對(duì)混凝土承受荷載及收縮變形產(chǎn)生的裂紋有較強(qiáng)的抑制作用，各種侵蝕介質(zhì)向混凝土內(nèi)部的擴(kuò)散速度降低，因此也提高啦抗腐蝕能力。（2）抗凍性和抗?jié)B性由于鋼纖維混凝土孔隙率低，開口孔、連通孔和裂紋少，因此抗凍性和抗?jié)B性也的到相應(yīng)的提高。收縮率

Vf0

Vf1

齡期

圖8鋼纖維對(duì)收縮率的影響（3）收縮率混凝土摻入鋼纖維后，由于鋼纖維彈性模量高，尺度小，間距較密，因此對(duì)混凝土的收縮有一定的抑制作用。施工有兩種方法：（1）全摻入施工法

（2）流動(dòng)砂漿滲澆法4.4鋼纖維混凝土的施工4.5應(yīng)用

圖9北京西直門立交（1）高速公路和機(jī)場(chǎng)跑道（2）橋梁工程（3）大跨度梁（6）水工結(jié)構(gòu)及剛性防水功程木樁基（4）隧道及巷道等工程的養(yǎng)護(hù)（5）對(duì)抗沖擊和耐磨性要求較高的建筑地面5.玻璃纖維混凝土（GRC）GRC是將彈性混凝土模量較大的抗堿玻璃纖維，均勻的分布于水泥砂漿，普通混凝土基材中而制得的一種復(fù)合材料。自20世紀(jì)90年代以來，低堿度水泥和超抗堿玻璃纖維的相繼出現(xiàn)，把GRC的技術(shù)引向新的發(fā)展階段。5.1

原料組成組成水泥耐堿玻璃纖維低堿硫鋁酸鹽水泥混合型低堿水泥5.2

GRC性能纖維品種ρ/g/cm3直徑/㎜抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa極限延伸率耐堿玻璃纖維2.7～2.84～151500～8063～802～8纖維品種100℃和Ga(OH)2溶液浸泡4ｈ80℃

浸泡24ｈ（成分Ga(OH)2，NaOH耐堿玻璃纖維66.2～88.154.3～84.3

表7抗腐蝕性能玻璃纖維有著輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高彈性模量、和易性好，以及不導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)，其熱膨脹系數(shù)比鋼材更接近水泥，而且費(fèi)用低廉，抗腐蝕性好。表6玻璃纖維力學(xué)性能5.3

GRC性能的影響因素主要因素有以下幾個(gè)方面：（1）纖維含量（2）纖維品種和質(zhì)量（3）水泥品種和質(zhì)量6.碳纖維混凝土碳纖維是20

世紀(jì)60

年代發(fā)展起來的一種高強(qiáng)、高彈模、質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好的一種纖維材料,并開始應(yīng)用于混凝土材料。1989

年,美國(guó)的Chung

首先發(fā)現(xiàn),將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入混凝土材料中,可以使材料具有感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能。90年代后期開始,我國(guó)開展碳纖維混凝土自損傷診斷、自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)的研究。碳纖維混凝土中碳纖維主要作用是:阻滯混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展并阻滯宏觀裂縫的發(fā)生發(fā)展。

碳纖維可以替代鋼