混凝土科学技术-纤维混凝土

主要内容1.引言2.概述3.纤维在混凝土中的作用机理4.钢纤维混凝土5.玻璃纤维混凝土6.碳纤维混凝土7.纤维混凝土的不足及发展前景1.引言混凝土是由水泥、砂、石组成的非均质体，具有高的抗压强度，然而它本身也具有弱点—如抗拉压强度小，韧性小，耐化学腐蚀性差，抗疲劳能力低，易产生裂纹，抗冲击性差等，限制了其在工程中的应用范围。长期以来，许多专家和学者不断探索改善混凝土性能的各种方法和途径，于是提出啦了一种以传统混凝土为基体的新型复合材料—纤维混凝土。

2.概述

图1介绍内容2.1定义纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强材所组成的水泥基复合材料。2.2分类

图2分类标准较多

三种分类材质金属纤维无机纤维有机纤维纤维长度非连续的短纤维连续的长纤维弹性模量高弹性模量低弹性模量2.3

纤维的性能

图3性能纤维混凝土砌体性能阻裂抗拉耐久美观减重抗冲击防渗纤维混凝土是将短而细、具有高拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等优良性能的纤维均匀分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维混凝土有效的克服拉普通混凝土抗拉强度低，抗冲击，抗阻裂，抗爆延性，耐火等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋、减重等方面也有很大的贡献。2.4

纤维混凝土的发展简史纤维混凝土的诞生

黄土白灰+“麻刀”

20世纪50年代的成就理论研究与工程应用

20世纪60年代，Goldfein等研究合成纤维作水泥砂浆增强材的可能性纤维混凝土在中国

20世纪70年代传入中国典型的植物纤维钢纤维的；玻璃纤维的；聚丙烯纤维混凝土3.纤维在混凝土中的作用机理

混凝土之所以表现出上述优越的性能，与纤维的作用是分不开的，纤维对基体的主要作用是：阻裂、增强、增韧。下面对阻裂和增强作用进行分析。

3.1纤维对基体的阻裂作用阻裂作用指纤维对新拌混凝土早期收缩裂纹和硬后的化的收缩裂纹产生和扩展的阻碍作用。均匀分布的纤维在混凝土中起到支撑骨架的作用，即阻止了粗细骨料的沉降。纤维的存在同时可以减少其表面析水防止表面失水快而发生收缩导致的裂缝。应力——应变比较图5纤维对裂纹的作用效果表1钢纤维混凝土开裂情况（长径比）表2玄武岩纤维混凝土开裂情况（纤维含量）3.2

纤维对基体的增强作用增强作用主要为抗拉强度的提高，相应地以主拉应力为控制破坏的，如抗折强度，抗剪强度等也随之提高。均匀而任意分布的纤维对混凝土抗拉强度的增强机理，目前存在2种解释模型:（1）复合材料机理；（2）纤维间距机理。合成纤维混凝土的早期抗裂机理美国Romualdi提出的“纤维间距理论”英国Swamy提出的“复合材料理论”根据弹性断裂学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。从复合材料构成的混合原理出发，将纤维看成强化体系，应用混合原理推定纤维混凝土的抗拉强度。（1）Swamy的复合理论σc=σfVf+σmVm，

（Vf+Vm=Vc=1）

式中σc———复合材料的抗拉强度、σm———基体的抗拉强度;Vf———纤维体积;Vm———基体体积。

（2）Romualdi计算公式Romualdi推导出的纤维平均间距公式

S=1.25×d×Vf-1/2式中S———某一截面的平均间距;

d———纤维直径;

Vf———单位体积内的纤维体积。纤维增强混凝土的抗拉强度为:

σcf=σmt+k(S-1)-1/2式中σcf———纤维增强混凝土的抗拉强度;

σmt———基体混凝土的抗拉强度;

K———试验常数。3.3工程纤维对混凝土力学性能的影响3.3.1

试验概况本实验设计混凝土强度等级为C40。各项试验参照中国工程建设标准化协会标准《钢纤维混凝土试验方法》实施。试验原材料如下：(1)水泥:石河子开发区天业牌P·O32.5R级水泥;(2)砂:玛纳斯河水洗砂;(3)

改性聚丙烯纤维:

中国纺织科学研究院生产的凯泰(CTA)牌改性聚丙烯纤维;(4)

钢纤维:嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的经纬牌剪切波浪型B30mm钢纤维;(5)

碎石:玛纳斯河碎石(10~20mm,20~40mm);(6)水:普通自来水。3.3.2配合比设计混凝土强度按C20进行配合比设计,试验配合比基本参数:砂率33%、水灰比0.57、大小碎石比例55∶45,石子最大粒径40mm。混凝土配合比见表1,采用强制式小型搅拌机,干拌30s后再湿拌60

s,

纤维无结团和并丝现象,抗折试件为550mm×150mm×150mm,试件在振动台上振动成型。在标准养护室养护28d,

温度(20±3)℃,相对湿度95%,以纤维掺量和类型不同共设计12组,见表2。表3普通混凝土配合比

3.3.3实验结果纤维不同掺量对混凝土抗折、抗压强度影响见图1、2。图6纤维混凝土7、28d抗压强度图7纤维混凝土7、28d抗折强度表4纤维不同掺量对混凝土抗折、抗压强度影响3.3.4结果分析(1)改性聚丙烯纤维混凝土抗压强度均呈现负效应,

但强度的绝对降低值不大,

对纤维混凝土抗折强度均呈现正效应,改性聚丙烯纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明显作用,28d抗折强度最大可提高19%。(2)

钢纤维混凝土抗折、抗压强度均呈现正效应,钢纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明显作用,28d抗折强度最大可提高64%,抗压强度最大可提高14%。(3)

混合纤维混凝土抗折、抗压强度均呈现正效应,混合纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明强度最大可提高78%,抗压强度最大可提高12%。显作用,28d抗折强度最大可提高78%,抗压强度最大可提高12%。4.钢纤维混凝土（SFRC）钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配比的混凝土。与普通混凝土相比，它能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨、和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的抗断裂性和抗冲击性。4.1

混凝土基体

任何品种的纤维增强混凝土都应采用强度高，密实性好的混凝土基体，这样可以保证纤维与基体有较高的界面粘结强度，从而充分发挥纤维的增强作用。（1）水泥水泥强度≥42.5%MPa，水泥中的C3A含量≤6%（２）集料要求选用硬度高，强度大的碎石，粒径最好在10～16ｍｍ，细集料要求细度模块数控制在2.5～3.2。（３）外加剂a.减水剂选用减水率高（＞18％），引气性低的高效减水剂。ｂ．缓凝剂适量。4.２性能物理性能普通混凝土SFRCＲ折（MPa）（开裂）200～250550～1250Ｒ折（MPa）（破裂）200～550550～1750Ｒ压（MPa）2100～55003500～5600Ｒ剪（MPa）250420弹性模量（MPa）2.0×105(1.5～2.8)×105Ｒ冲（kg/cm）4.813.8

表5SFRC（0.25%）与普通混凝土性能比较

除表中所示的性能外，由于所掺钢纤维性能明显不同，以及不同掺量的影响，SFRC的抗拉强度也有不用程度的提高。钢纤维掺量为1%时，抗拉强度可提高19%～79%，掺量为2%时，抗拉强度可提高32%～92%。钢纤维混凝土断裂模型SFRC中的真实裂纹,所有纤维均已被拔出,开裂表面抗力为零SFRC中的假塑性区,达到临界状态SFRC复合材料中的微裂区或称为过渡

带,随荷载的增加,该区将向Ⅱ区转化。4.3

耐久性（1）抗腐蚀性刚纤维增强混凝土具有很优良的抗腐蚀性，其主要原因：一方面是混凝土基体强度较高，致密性较好。另一方面是钢纤维掺入量ＦＤ对混凝土承受荷载及收缩变形产生的裂纹有较强的抑制作用，各种侵蚀介质向混凝土内部的扩散速度降低，因此也提高啦抗腐蚀能力。（2）抗冻性和抗渗性由于钢纤维混凝土孔隙率低，开口孔、连通孔和裂纹少，因此抗冻性和抗渗性也的到相应的提高。收缩率

Vf0

Vf1

龄期

图8钢纤维对收缩率的影响（3）收缩率混凝土掺入钢纤维后，由于钢纤维弹性模量高，尺度小，间距较密，因此对混凝土的收缩有一定的抑制作用。施工有两种方法：（1）全掺入施工法

（2）流动砂浆渗浇法4.4钢纤维混凝土的施工4.5应用

图9北京西直门立交（1）高速公路和机场跑道（2）桥梁工程（3）大跨度梁（6）水工结构及刚性防水功程木桩基（4）隧道及巷道等工程的养护（5）对抗冲击和耐磨性要求较高的建筑地面5.玻璃纤维混凝土（GRC）GRC是将弹性混凝土模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀的分布于水泥砂浆，普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把GRC的技术引向新的发展阶段。5.1

原料组成组成水泥耐碱玻璃纤维低碱硫铝酸盐水泥混合型低碱水泥5.2

GRC性能纤维品种ρ/g/cm3直径/㎜抗拉强度/MPa弹性模量/GPa极限延伸率耐碱玻璃纤维2.7～2.84～151500～8063～802～8纤维品种100℃和Ga(OH)2溶液浸泡4ｈ80℃

浸泡24ｈ（成分Ga(OH)2，NaOH耐碱玻璃纤维66.2～88.154.3～84.3

表7抗腐蚀性能玻璃纤维有着轻质、高强度、高弹性模量、和易性好，以及不导电等优点，其热膨胀系数比钢材更接近水泥，而且费用低廉，抗腐蚀性好。表6玻璃纤维力学性能5.3

GRC性能的影响因素主要因素有以下几个方面：（1）纤维含量（2）纤维品种和质量（3）水泥品种和质量6.碳纤维混凝土碳纤维是20

世纪60

年代发展起来的一种高强、高弹模、质轻、耐高温、耐腐蚀导电、导热性能好的一种纤维材料,并开始应用于混凝土材料。1989

年,美国的Chung

首先发现,将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土材料中,可以使材料具有感知内部应力、应变和损伤程度的功能。90年代后期开始,我国开展碳纤维混凝土自损伤诊断、自适应、自调节的研究。碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是:阻滞混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生发展。

碳纤维可以替代钢