纖維在水泥混凝土中的應用

摘要:為了降低水泥混凝土因裂縫導致的結構破壞，各國學者紛紛開展了增強增韌水泥混凝土的研究，其中利用纖維增強增韌水泥混凝土引起了研究人員的廣泛關注。　　

為了降低水泥混凝土因裂縫導致的結構破壞，各國學者紛紛開展了增強增韌水泥混凝土的研究，其中利用纖維增強增韌水泥混凝土引起了研究人員的廣泛關注。纖維在水泥混凝土領域的應用最早可以追溯到古埃及時代，草筋粘土磚和紙筋灰是最早的纖維增強復合材料。美國在1990年和1991年舉行了纖維增強混凝土的專題報告會，拉開了纖維增強混凝土研究的序幕；1995年韓國舉行了纖維增強水泥混凝土的專題報告會，1996年在中國北京舉行了第三屆國際水泥混凝土報告會，表明纖維增強混凝土的研究與應用已經(jīng)國際化。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(jīng)在高速公路、橋梁、圍欄等建筑物中獲得廣泛應用。

 　高強度、高韌性、高耐久性的纖維增強增韌水泥混凝土取得長足發(fā)展，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土或預應力混凝土已經(jīng)成為國際趨勢。在國外，纖維增強水泥混凝土復合材料已經(jīng)廣泛應用于非承重構件中。國內(nèi)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，安徽皖維公司將維綸用于增強混凝土，東華大學對水泥增強用丙綸短纖維進行了研究。此外，一些高校和研究院所也就不同種類纖維的增強增韌作用進行了研究。

1 水泥混凝土中的纖維的種類
　　水泥混凝土中常用的纖維分為鋼纖維和非鋼纖維兩類，非鋼纖維按照彈性模量可以分為兩大類：高彈性模量纖維（Ef/Ec＞1）和低彈性模量纖維（Ef/Ec＜1）[2]。低彈性模量纖維（如各種有機纖維、尼龍、聚丙烯、聚乙烯等）只能提高混凝土的韌性、抗沖擊性能等與材料的塑性有關的物理性能；高彈性模量纖維（如鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維等）則能夠改善混凝土的強度和剛性。

　　水泥混凝土增強增韌用纖維按作用方式可分為：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(wǎng)或網(wǎng)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]；③ 異形化纖維。如V形纖維、Y形纖維、帶鉤形纖維等，異形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 纖維增強機理
2.1 混合原理
　　混合原理假定混凝土基體和纖維完全粘結，且纖維在混凝土中呈一維單項排列。該混凝土的強度是由纖維和基體的體積比和應力所共同決定的，該復合材料的抗拉強度公式為：
　　　　σc=σfVf+σmVm （1）
式中
σc—復合材料的抗拉強度
σm —基體的抗拉強度
σf —纖維的抗拉強度
Vf—單位混凝土體積中的纖維體積
Vm—基體體積
由于 Vf＋Vm＝Vc=1
因此 σc=σfvf+σm(1-Vf)
由于混凝土基體與纖維充分粘結可以得到：
εc=εf=εm 或 σc/Ec=σf/Ef=σm/Em (2)＜br＞


設 σf/σm＝Ef/Em=m

則有 σc=σm[1+Vf(m-1)]

　　混合理論只是簡單的對纖維和水泥基體力學性能加合，并沒有考慮纖維在水泥基體中復雜的排列方式，纖維與基體的界面 粘結情況，纖維的體積摻量等影響因素，因此該理論有待于進一步的完善。
                
2 .2 纖維間距理論
　　Romualdi等在1963年針對亂向短鋼纖維增強混凝土提出 了纖維間距理論，它依據(jù)線彈性斷裂力學原理，提出以纖維間距作為基本參數(shù)的增強機理。該理論認為水泥基體內(nèi)部存在不同尺度層次的孔隙和缺陷，造成應力集中。為了增強水泥基材料的強度就必須減少裂縫的尺度和數(shù)量，緩和應力集中的程度，提高抑制裂縫發(fā)展的能力。在水泥基體中摻入纖維將發(fā)揮約束裂縫發(fā)展的作用。纖維間距越小，則緩和裂縫應力集中的作用越大，纖維混凝土的強度和韌性的提高程度也越大。

　　1964年Romualdi將上述概念用于纖維混凝土中得到纖維間距的計算公式（略）。

　　纖維間距理論盡管只強調(diào)間距對纖維增強混凝土的力學性能的影響，有不全面之處，但是直到現(xiàn)在該理論對纖維混凝土的增強機理仍有指導作用。

      上述兩種理論從不同角度針根據(jù)理想情況對纖維增強作出了解釋。在實際試件中，纖維的排列方式、作用形式更加復雜，因此必須充分考慮纖維在基體中的排列方式、纖維與基體的作用力、纖維在試件破裂時的受力情況等。 
 
3 纖維在水泥混凝土中的作用

　　在水泥混凝土中摻入一定量的纖維，當水泥凝固后，纖維在試體中呈三維亂向分布，能有效提高水泥混凝土構件的力學性能。在纖維增強的水泥混凝土復合材料中，纖維能減少水泥基體收縮而引發(fā)的微裂紋，在受荷初期延緩和阻止基體中微裂紋的擴展并最終成為外荷的主要承載者[ 4 ]。纖維在水泥和混凝土中的作用主要有：① 提高水泥混凝土的強度。纖維隨機地分布在水泥或混凝土中，并跨越水泥混凝土中存在的微細裂縫，對裂縫產(chǎn)生約束作用，阻止裂縫擴展，提高水泥混凝土的強度。 
　　　 Tjiptobroto等[ 5 ]研究了高體積率鋼纖維增強的DSP材料（Densified system containing homogeneously arranged ultra-fine particles，意即“均布超細微粒密實體” ），當鋼纖維的體積率為12%時，DSP的極限拉應變可由0.015%增至0.2%，與此同時抗壓強度可提高3.8倍。② 提高水泥混凝土的抗凍性。纖維可以吸收水泥固化或冷凍過程中形成的張力，從而延緩水泥固化過程中微裂紋的形成和擴散，提高水泥混凝土的抗凍性。戴建國[6]指出，在混凝土中加入聚丙烯纖維，按混凝土抗凍試驗方法，經(jīng)25次反復凍融，無分層與龜裂等現(xiàn)象產(chǎn)生。③ 提高水泥混凝土的抗?jié)B性。均勻亂向分布在混凝土中的大量纖維起了承托作用，降低混凝土表面的析水與集料的離析，使混凝土中直徑約100納米左右的孔隙含量大大降低，極大地提高混凝土抗?jié)B防水能力。朱江[ 7 ]所做的實驗表明，摻入聚丙烯纖維的混凝土經(jīng)24小時1.3MPa水壓作用，未出現(xiàn)滲漏；摻量為0.05%和0.1%（體積率）的聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B能力分別比素混凝土提高了40%和48%。④ 提高水泥混凝土的抗裂性。纖維與水泥基材料充分混合，在水泥凈漿或混凝土砂漿中形成多向分布的網(wǎng)絡支撐體系，降低水泥或混凝土在塑性收縮及冷凍時形成的張力。在水泥混凝土收縮時，其收縮能量被纖維所吸收，有效增加了水泥混凝土的韌性，抑制其裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。谷章昭等[ 8 ]在研究中發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入尼龍纖維，可以使混凝土中裂縫減少近70%。⑤ 提高水泥混凝土的耐磨能力。陳栓發(fā)等[9]按照公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程，采用TMS－04型水泥膠砂耐磨試驗機進行試驗，發(fā)現(xiàn)聚丙烯混凝土的耐磨能力優(yōu)于普通混凝土，當聚丙烯纖維的摻量為0.9kg/cm3，耐磨能力提高27.13％。⑥ 提高水泥混凝土的抗沖擊性。纖維作為增強材料，可以抑制水泥混凝土中微裂紋的產(chǎn)生，提高水泥混凝土的韌性、抗沖擊性。美國倫比亞大學所作做的抗沖擊試驗表明[10]：在鋼筋混凝土中加入0.5％的纖維，其抗沖擊能力明顯提高。研究中發(fā)現(xiàn)，由于水泥基材自身具有多相、多組分、多尺度層次的非均質(zhì)特性，通常一種纖維很難達到預期的增強增韌效果，將高彈模和低彈模、大尺度和小尺度的纖維混雜，使其在水泥基材不同結構和性能層次上發(fā)揮作用，從而達到增強增韌的目的。