纤维混凝土综述

1、 道路1004班黄博引言引言 自 1824 年英国工匠约瑟夫阿斯普丁发明波特兰水泥后，水泥混凝土得到迅速发展，经过近 190 多年的研究和应用，混凝土已成为当今主要的一种优良建筑材料。 但是，水泥混凝土仍然存在着突出的缺陷，即：它的抗压强度虽然比较高，但其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性、抗爆等性能却比较差。 纤维混凝土就是人们考虑如何改善混凝土的脆性，提高其抗拉、抗弯、抗冲击和抗爆等力学性能的基础上发展起来的， 它具有普通混凝土所没有的许多优良性能。 纤维混凝土，又称纤维增强混凝土，是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材，以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地掺和在混凝

2、土中，成为一种可浇注或可喷射的材料，从而形成的一种新型增强建筑材料。概论概论( (一一) )纤维纤维混凝土混凝土发展历程发展历程n1910年美国的H.F.Porter提出掺用短钢纤维提高水泥混凝土的抗拉性能的想法，发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇论文。n20 世纪 40 年代，由于军事工程的需要，多国的科学家先后发表了纤维混凝土的研究报告，但这些研究报告均未能从理论上说明纤维对混凝土的增强机理， 因而限制了这种复合材料在工程结构中的推广应用。n1963年J.P.Romualdi和G.B.Batson发表有关纤维水泥混凝土的一系列研究成果，首次提出了纤维的阻裂机理。n20世纪70年代，美国B

3、attelle公司开发了熔抽技术，降低了钢纤维的价格，为钢纤维混凝土的实际应用创造了条件。n20世纪7080年代，钢纤维混凝土开始广泛应用，芳纶（Kevlar）纤维和改性晴纶等有机纤维开始在水泥砂浆和混凝土中应用。其他纤维在水泥混凝土中的应用也有较大进展。（二二）纤维在混凝土中的作用）纤维在混凝土中的作用n在混凝土中掺入短而细且均匀分布的纤维后，明显提高混凝土的性能。n纤维与水泥基材料复合的主要目的在于克服后者的弱点，以延长其使用寿命，扩大其应用领域。纤维在混凝土中主要起着以下三方面的作用：1、阻裂作用2、增强作用3、增韧作用1、阻裂作用、阻裂作用 n纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展，这种

4、阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段，也存在于混凝土的硬化阶段。n水泥基体在浇注后的24 h内抗拉强度低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时，极易生成大量裂缝，此时，均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝的生成。n混凝土硬化后，若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。2、增强作用、增强作用 混凝土不仅抗拉强度低，而且因存在内部缺陷而往往难于保证。当混凝土中加入适量的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及抗疲劳强度等有一定的提高。3、增韧作用

5、、增韧作用 n纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标，一般用混凝土的荷载挠度曲线或拉应力应变曲线下的面积来表示的。n另外，还可提高和改善混凝土的抗冻性、抗渗性以及耐久性等性能。应强调的是应强调的是:纤维混凝土中纤维的作用，并非所有纤维混凝土中纤维的作用，并非所有纤维都能同时起到以上三方面的作用纤维都能同时起到以上三方面的作用 。（三三）纤维的主要力学性能纤维的主要力学性能n抗拉强度 纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出二个数量级。n弹性模量 不同品种纤维的弹性模量值相差很大，有些纤维(如钢纤维与

6、碳纤维)弹性模量高于水泥基体，而大多数有机纤维(包括很多合成纤维与天然植物纤维)的弹性模量甚至低于水泥基体。纤维与水泥基体的弹性模量比值对纤维增强水泥复合材料力学性能有很大影响，如该比值愈大，则在承受拉伸或弯曲荷载时，纤维所分担的应力份额也愈大。n断裂延伸率纤维的断裂延伸率一般要比水泥基体高出一个数量级，但若纤维的断裂延伸率过大，则往往使纤维与水泥基体过早脱离，因而未能充分发挥纤维的增强作用。 表1 增强水泥基材料用纤维的主要力学性能（四四）纤维混凝土的分类和特性）纤维混凝土的分类和特性1、纤维混凝土的分类、纤维混凝土的分类(1)按纤维弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量，其增强、增韧效果有明

7、显差异，故可分：n高弹性模量纤维混凝土，如钢纤维混凝土。n低弹性模量纤维混凝土，如合成纤维混凝土。(2)按纤维的长度分：n非连续纤维增强混凝土是短切、乱向、均匀分布于混凝土基体中。n连续纤维增强混凝土的纤维(如单丝、网、布、束等)分布于基体中。(3)按水泥基体材料分：n纤维增强水泥净浆 指在不含集料的水泥净浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥净浆基体中掺入纤维。多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纤维水泥墙板等。n纤维增强水泥砂浆 指在含有细集料的水泥砂浆基体中掺入纤维。多用于防裂、抗渗结构。如聚丙烯纤维抹面砂浆、钢纤维防水砂浆等。 通常将纤维增强水泥净浆和纤维增强水泥砂浆统称为纤维增强

8、水泥。纤维增强水泥中的纤维，主要起着增强材料的作用，可明显提高基体材料的抗拉、抗折、抗剪、抗冲击、抗疲劳等力学性能，不同程度地增进复合材料的延性与韧性，主要用以制作薄壁的水泥制品。n 纤维增强混凝土 指在含有粗、细集料的混凝土基体中掺入纤维，简称为纤维混凝土。依混凝土基体的特征不同，可分为如纤维普通混凝土、纤维高强混凝土、纤维膨胀混凝土、纤维耐火混凝土等。 有时为了获得需要的纤维混凝土特性和降低成本，将两种或两种以上纤维混合使用或按纤维功能不同组合使用，分别称为混合纤维混凝土或组合纤维混凝土。2、纤维混凝土的特性、纤维混凝土的特性（1）降低早期收缩裂缝，并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝。（2）裂

9、后抗变形性能明显改善，弯曲韧性提高几倍到几十倍，极限应变有所提高。破坏时，基体裂而不碎。（3）高弹模的纤维对混凝土抗拉、抗折、 抗剪强度提高明显，对于低弹模纤维变化幅度不大。（4）弯曲疲劳和受压疲劳性能显著提高。（5）具有优良的抗冲击、抗爆炸及抗侵彻性能。（6）高弹模纤维用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件，可提高抗剪、抗冲切、局部受压和抗扭强度并延缓裂缝出现，降低裂缝宽度，提高构件的裂后刚度、延性。（7）混凝土的耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度提高。（8）特殊纤维配制的混凝土，其热学性能、电学性能、耐久性能较普通混凝土也有变化。如碳纤维混凝土导电性能显著提高，并具有一定“压

10、阻效应”；低熔点合成纤维配制的纤维混凝土在火灾过程中，细微纤维熔化可降低混凝土的爆裂。（9）使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比设计和拌合工艺上采取相应措施，使纤 维在基体中分散均匀，拌合料具有良好的工作性。（10）提高混凝土的耐久性。 应该说明的是，纤维混凝土的上述特性，并非所有纤维混凝土都同时具有这些特性，应该说明的是，纤维混凝土的上述特性，并非所有纤维混凝土都同时具有这些特性，纤维混凝土的特性与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的粘结状况以及基体纤维混凝土的特性与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的粘结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素有关。混凝土的类别和强度等级等因素有

11、关。各种纤维混凝土工程实例各种纤维混凝土工程实例( (一一) )钢纤维混凝土工程实例钢纤维混凝土工程实例山东省平阴黄河公路大桥，建于 1969 年，全长 963.52m333（9611296）（9611296）733。 主桥上部结构为两联（9611296）m 三跨连续栓焊钢桁引桥，上部结构为单跨标准跨径为 33m 的预应力混凝土工字梁与钢筋混凝土行车道板组成的迭合式组合梁。 原设计荷载为：汽-13，挂-60。经过多年使用， 早桥出现多处病害之一是桥面铺装损坏严重。 为提高桥梁的技术状况，延长桥梁的使用寿命，加固的设计荷载提高为汽-20，挂-100。 加固维修桥面铺装的方法就是洗刨旧桥混凝土，改

12、用钢纤维混凝土桥面铺装。 滑模摊铺双钢混凝土桥面的优势除了上述各项性能和耐久性提高以外,桥面的平整度特别优异，能够达到动态平整度 1.0 的水平。在桥面铺装施工过程中进行现场取样试验，经过28d 养护，测试得出普通混凝土、钢纤维混凝土的抗压与抗折强度。通过钻孔取芯进行劈拉试验，钢纤维混凝土比普通混凝土的抗折强度提高 28.99%，抗压强度仅提高了 8%。通过对试验路半年通车试验的调查分析，无明显断板、开裂等现象。由此可见，采用钢纤维混凝土路面，确实收到了良好的使用效果。( (二二) )聚丙烯纤维混凝土工程实例聚丙烯纤维混凝土工程实例陕西宝鸡法门寺合十舍利塔工程为钢骨砼双向折线往复倾斜双塔体结构

13、，高度 147m，建筑面积 7 万 m2，塔身分为11 层，在54m 第 4 层处 ，设计有 18m 球冠状穹顶结构 ，穹顶壳体砼厚度为 0.2m，球冠上部由 3 道环梁和 8 根弧形 I 字钢梁与壳体连在一起。 原施工方案采用支设内外双层模板，浇筑大流动性砼，由于楼面结构十分复杂，上层模板的安装及拆除十分困难，支拆模费用将大大增加，室内狭小砼浇筑质量也难以保证。 经试验和研究后决定采用低坍落度泵送聚丙烯纤维砼，利用聚丙烯纤维在砼中的增稠效应 ，取消上层模板，一次浇筑成形的施工方案。 于 2007 年 10 月 23 日成功完成了垂直泵送 54m 穹顶施工任务，效果良好。( (三三) )玻璃玻

14、璃纤维混凝土工程实例纤维混凝土工程实例上海世博会法国馆是一个网格交错的四方形建筑，该建筑外表的白色混凝土网格，使用的是玻璃纤维增强混凝土的新材料。 这种混凝土网格，不仅有防风、抗震的效果，抗压能力、弯曲度等属性也比一般的混凝土要好许多。 而且，除了对建筑结构有所加强之外，这层光滑透薄的白色表皮还方便装饰，能够增强建筑物外墙的审美表现力。( (四四) )碳纤维混凝土工程实例碳纤维混凝土工程实例1986 年日本东京的 ARK 大厦一次使用碳纤维混凝土幕墙板（碳纤维 3%） 32000m2， 每块的尺寸为1147mm3176mm。可承受 63MPa 的风压，外墙减轻了 40 %的重量，使大楼钢架的重

15、量减轻 400t ，在使用中，表现出良好的耐久性和体积安定性。纤维混凝土存在的主要问题及目前纤维混凝土纤维混凝土存在的主要问题及目前纤维混凝土技术的研究发展方向技术的研究发展方向 掺入纤维后，混凝土成本过大、性能不稳定是纤维混凝土应用中的主要问题。 纤维一般用量较大，价格较高，纤维掺量大时，纤维在混凝土中容易产生纤维团，使得搅拌困难，在施工过程中钢纤维容易外露，这也增加了施工的难度。 并且如钢纤维容易发生锈蚀，影响混凝土耐久性和使用安全。 玻璃纤维由于耐碱性差， 玻璃纤维增强混凝土的应用受到限制。 此外，目前我国碳纤维大部分依赖进口，国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的 0.4%左右，纤维生产成本高，成本过高是制约碳纤维增强混凝土发展应用的因素。 目前纤维混凝土的发展主要有以下三个方向：通过化学或物理