化學合成纖維在水泥混凝土中的應用

        在水泥混凝土中摻加纖維可以改善混凝土的抗拉性能差、延性差等缺點，提高其抗摻性能、抗沖擊性能。本文簡要地介紹了纖維混凝土這種新型的建筑材料，就聚丙烯纖維混凝土的抗摻性能、抗拉性能開展試驗研究。

        關鍵詞：纖維混凝土；物理性能；試驗研究

        1 纖維混凝土概述

        纖維作為建筑材料使用已有相當長的歷史，早期人們就把天然纖維，例如稻草、麥稈、棉、麻等添加到墻體材料中，以增加墻體的強度和韌性，防止墻體裂紋[1]。近代關于纖維混凝土的理論研究開始于1910 年，由美國的Porter 首創(chuàng)。1911 年美國的Graham 正式將鋼纖維摻到混凝土中，并初步驗證了它的優(yōu)越性。著名的化學公司如杜邦公司、3M 公司、日本帝人公司等都開發(fā)出了多種水泥增強用纖維品種，并已經在高速公路、橋梁、摩天大樓、地鐵、隧道等土木工程中獲得廣泛應用。

        國內的研究起步較晚，上海合成纖維研究所研究了錦綸短纖維對水泥混凝土的增強效果，安徽皖維公

        司將高強高模聚乙烯醇短纖維用于增強混凝土。目前發(fā)布的相關標準有YB/T 151—1999《混凝土用鋼纖維》、GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》、GB/T 23265—2009《水泥混凝土和砂漿用短切玄武巖纖維》、GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強水泥性能試驗方法》等。

        纖維混凝土通常是以水泥凈漿或者砂漿為基體，以非連續(xù)的短纖維或者連續(xù)的長纖維做增強材料所組

        成的水泥基復合材料。纖維在其中起著阻止水泥基體中微裂縫的擴展和跨越裂縫承受拉應力的作用，因而

        使復合材料的抗拉與抗折強度以及斷裂能較未增強的水泥基體有明顯的提高。纖維混凝土增強機理主要有

        兩種理論。一種是纖維間距理論，另一種是復合力學理論。纖維間距理論由 Romualdi 和 Batson 于 1963 年提出，根據線彈性斷裂力學來說明纖維對裂縫發(fā)生和發(fā)展的阻滯作用。該理論認為要增強混凝土的抗裂性和延性，必須盡可能地減小基體內部缺陷的尺寸，降低裂縫端的應力集中程度。而纖維的摻入起到了優(yōu)化材料內部組織結構和降低裂縫端應力集中的雙重效應。后來英國 Swamy mangat 教授提出了“復合材料機理”，從復合材料的混合原理出發(fā)，將纖維增強混凝土看作纖維的強化體系，用混合原理推求纖維混凝土的抗拉和抗彎拉強度。

        2 用于水泥混凝土的纖維

        用于水泥混凝土的纖維按其材質可分為三類。金屬纖維：鋼纖維、鍍銅微絲鋼纖維等；無機纖維：又

        分為天然礦物纖維（如玄武巖纖維）和人造礦物纖維（如耐堿玻璃纖維、碳纖維、碳化硅纖維）；有機纖

        維：又分為植物纖維（如木質素纖維）、動物纖維和合成纖維。幾種纖維性能對比見表1。

        2.1 鋼纖維

        鋼纖維是當今世界各國普遍采用的混凝土增強材料。它具有抗裂、抗沖擊性能強、耐磨強度高、與水泥親和性好，可增加構件強度，延長使用壽命等優(yōu)點。但是鋼纖維攪拌時易結團，混凝土和易性差，泵

        送困難、難以施工且易銹蝕，鋼纖維混凝土的自重大、振搗澆注時往往會沉于混凝土下部，不可能均勻分布。

        2.2 耐堿玻璃纖維

        耐堿玻璃纖維強度/重量比要比鋼大，具有高抗拉強度，延伸性低，很高的抗變形能力。玻璃纖維在道路工程施工中，有很廣泛的應用，因為它與路面混合料具有良好的相容性。但玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時間后，其強度和韌性會有大幅度下降，即由早期高強度、高韌性向普通混凝土退化。　　

        2.3 碳纖維

        碳纖維是20世紀60年代開發(fā)研制的一種高性能纖維，具有抗拉強度和彈性模量高、化學性質穩(wěn)定，與混凝土粘結良好的優(yōu)點，但由于碳纖維價格昂貴，工程應用中受到很大限制。

        2.4 玄武巖纖維

        玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，比重為2.63g/cm3～2.8g/cm3，用它與水泥混凝土和砂漿混合時易于分散，新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩(wěn)定、耐久性好，耐酸又耐堿，具有優(yōu)越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性。

        2.5 合成纖維

        常用的大多數合纖，如經機械、表面活性劑、氧氟等表面處理后，其短纖都可用于混凝土的改性，從而提高或改善其物理力學性能，尤其是可大幅度提高其韌性。而且價格低廉，生產工藝先進，且施工方便，被廣泛應用于廣場、機場等大面積混凝土工程中。采用高彈性模量纖維可大幅度提高混凝土抗拉、抗彎強度。

        2.5.1 按彈性模量可分為：

        ①高彈性模量纖維混凝土（如高強高模聚乙烯醇纖維、芳香族聚酰胺纖維），高彈性模量纖維混凝土在未產生裂紋之前，因纖維彈性模量較高，根據“混合定律”，復合材料的彈性模量隨纖維摻量增加而增加，開裂之后主要是纖維受力，只要纖維體積摻量超過臨界纖維體積摻量，復合材料承載能力就不會降低，反而增加。采用高彈性模量纖維可大幅度提高混凝土抗拉、抗彎強度，對韌性也有提高，但費用大。

        ②低彈性模量纖維混凝土（如:聚丙烯纖維、聚酰胺纖維、聚乙烯醇纖維、聚丙烯腈纖維）。它們與鋼纖維的相似點是不受水化產物的侵蝕，有一定的抗拉強度，可三維亂向分布于混凝土基體中，其阻裂原理是充分發(fā)揮了纖維數量（每公斤數千萬根）優(yōu)勢，具有很大的表面積，對微裂縫約束，使之不至于連通，效果顯著。

        2.5.2 按作用方式可分為：

        ①短纖維，改善纖維在水泥混凝土中的分散性，通過傳遞應力吸收高能量，有效抗擊沖擊力和控制裂縫。

        ②短纖維鋪網或網狀纖維，增加纖維與基體的接觸面積和接觸力，有效降低水泥混凝土固化過程中的塑性收縮，提高構件的耐沖擊力，延長構件的使用壽命。

        ③異型化纖維。如V形纖維、Y形纖維、帶鉤形纖維等，異型化能夠增加纖維與基體的接觸表面，加強二者之間的有效粘結，提高增強增韌效果。

        ④表面涂層改性纖維，利用有機或無機化合物處理或涂層，改善纖維在混合過程中的分散性，提高纖維與基體材料的粘結力。

2.5.3 合成纖維加入水泥基體中的作用

        ①阻裂。阻止水泥基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并有效延緩新裂縫的出現。

        ②防滲。通過阻裂提高水泥基體的密實性，防止外界水分侵入。

        ③耐久。改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性。

        ④抗沖擊。提高水泥基體的耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性。

        ⑤抗拉。在使用高彈性模量纖維前提下，可以起到提高基體的抗拉強度的作用。

        ⑥美觀。改善水泥構造物的表觀形態(tài)，使其更加致密、細潤、平整、美觀。

        大力開發(fā)合成纖維在非紡織類領域中的應用，已成為世界合纖市場保持持續(xù)發(fā)展的應對策略之一。開發(fā)我國合成纖維在產業(yè)中的應用，潛力巨大，而其中開發(fā)合纖在混凝土建材中的大量應用，對擴大合纖在產業(yè)中的應用領域，以及改善我國混凝土建材的性能具有重要意義。

        3 物理性能試驗

        3.1 抗?jié)B性能試驗

        試驗依據GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》[2]的規(guī)定進行。參照生產企業(yè)的建議（每方混凝土纖維摻量為0.9kg~1.8kg、長度為12mm~19mm）。試驗采用的聚丙烯工程纖維長度為19mm，摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3。試件共分為5組。每組6個試件。試件上口內部直徑為175mm，下口內部直徑為185mm，高度為150mm。

        混凝土配合比為水泥：石子：砂：水=360：1065：720：205。使用同一臺攪拌機，纖維加在集料之間，干拌30s左右，然后加水泥和水進行強制攪拌。試件試驗齡期為28d，使用同一臺混凝土抗?jié)B儀（HP-4.0自動調壓混凝土抗?jié)B儀），采用逐級加壓法，每次試驗安排一組度件（6個）。試驗時由初始0.1MPa開始加壓，以后每隔8h增加0.1MPa，隨時觀察試件端面滲水情況。當6個試件中有3個試件表面出現滲水時，試驗結束，記錄此時的水壓。抗?jié)B等級計算公式為：P=10H－1。其中：P——混凝土抗?jié)B等級，H——6個試件中有3個試件滲水時的水壓力

（MPa）。試驗結果如表2所示。

        試驗結果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，大幅度提高了混凝土的抗?jié)B性能，摻量越大，抗?jié)B性能等級越高。

        3.2 抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗

        試驗依據GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法》[3]進行。所用水泥為市售P.O42.5水泥，配制C40混凝土，水灰比為0.41。采用的聚丙烯工程纖維長度為19mm。試件共分為5組（聚丙烯工程纖維摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3），每組3個試件。

        試驗結果如表3所示。

        試驗結果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，對28d抗壓強度有一定幅度（1.4%～3.3%）的提高，但對混凝土劈裂抗拉強度的影響明顯，最高增幅為27.8%。

        3.3 抗沖擊試驗

        試驗依據GB/T 21120—2007《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》附錄C[4]規(guī)定的混凝土抗沖擊性能試驗方法進行。所用水泥為市售P.O42.5水泥，配制C40混凝土。采用的聚丙烯工程纖維長度為19mm。試件共分為5組（聚丙烯工程纖維摻量分別為0、0.9kg/m3、1.2kg/m3、1.5kg/m3、1.8kg/m3），每組6個試件。按附錄C.1自制沖擊裝置，方形鋼錘重4.5kg，垂直距離為457mm。

        試驗結果值如表4所示。

        試驗結果表明，混凝土中摻入聚丙烯工程纖維后，對抗沖擊性能有明顯影響，可提高破壞沖擊次數233%。

        4 試驗結論和建議

        1）摻入聚丙烯工程纖維的混凝土抗?jié)B性能改善效果與纖維摻量有關，在一定范圍內，摻量越大，效果越好。摻入聚丙烯工程纖維后，對混凝土劈裂抗拉強度的影響明顯，增幅為8.3%～27.8%，對抗沖擊性能也有明顯影響，破壞沖擊次數提高2～3倍。綜合考慮性能改善與經濟成本，建議摻量為1.5kg/m3～1.8kg/m3。

        2）相對于低彈性模量的聚丙烯纖維，高彈性模量纖維對混凝土性能的改善更為明顯。杜修力[5]等研究表明，隨著高強高模聚乙烯醇（PVA）纖維摻量由0.5%增加到1.5%，混凝土劈裂抗拉強度幾乎呈線性增長，分別比基體混凝土提高14.695%、35.23%，拉壓比提高了56.36%。彭苗[6]等研究表明，當玄武巖纖維摻量為4 kg/m3，28d抗壓強度提高率為46.3%。具體纖維摻量和纖維長度等應根據纖

        維類型、混凝土用途等來確定。

        3）日本防災科學技術研究所與東京工業(yè)大學合作，用長度為1.2cm、截面寬度為0.03mm、1.5%比例摻加聚丙烯纖維制成混凝土，用這種混凝土建造的橋墩模型能夠抵抗相當于1995年阪神大地震1.5倍的巨大晃動。我國在纖維混凝土的研究和推廣應用方面應進一步加強，此外，摻入纖維對混凝土各項性能的長期影響方面的研究還有待深入進行。

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