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纤维增强混凝土的性能
发布人:周伟 发布时间:2011年2月25日 被浏览 3439

纤维对混凝土基体的作用
     将纤维掺入混凝土中使得混凝土性能发生明显的改善,将纤维混凝土的特点归纳如下:
    (1)与普通混凝土相比,纤维混凝土的抗拉强度、弯拉强度(又称折断模量、抗弯强度、抗折强度)、抗剪强度均有提高,尤其是对于高弹模纤维混凝土或高含量纤维混凝土提高的幅度更大。
    (2)纤维在基体中可明显降低早期收缩裂缝,并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝,阻止水泥基体原有缺陷(微裂缝)的扩展并有效延缓新裂缝的出现。
    (3)纤维混凝土的收缩变形和徐变变形较基体混凝土有一定程度的降低。
    (4)纤维混凝土的抗压疲劳和弯拉疲劳性能,以及抗冲击和抗爆裂性能显著提高。
    (5)高弹模纤维增强混凝土用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件,可显著提高构件的抗剪强度、抗冲切强度、局部受压强度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,提高构件的延性。
    (6)由于纤维可降低混凝土微裂缝和阻止宏观裂缝扩展,故可使其耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度的提高;使侵蚀介质浸入基体的速率降低,对钢筋混凝土构件中钢筋的防腐蚀有利。
    (7)某些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,并具有一定的“压阻效应”;低熔点的合成纤维配制的纤维混凝土在火灾环境下,细微纤维熔化可降低混凝土的爆裂。
      在混凝土中,并非所有的纤维都能起到完全相同的作用,这是由于不同的纤维分别具有的个性所决定的,例如纤维的弹性模量。另一方面,这些纤维也有共性,例如所有纤维在混凝土中都能起到一定的抗裂作用。

钢纤维混凝土的基本性能
     钢纤维的主要性能包括抗拉强度与黏结强度。试验表明,由于普通钢纤维混凝土主要是因钢纤维拔出而破坏,并不是因钢纤维拉断而破坏,,因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用要求,,而其与混凝土基体界面的黏结强度是钢纤维混凝土性能的主要因素。黏结强度除与基体的性能有关外,就钢纤维本身而言,与钢纤维的外形和截面形状有关。
     国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究并作归纳,具体的研究内容如下:
    (1)强度和重量的比值增大。这是纤维混凝土具有优越经济性的重要指标,也是它具有广阔应用前景的重要保证;抗拉强度和主要有主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度明显提高。当纤维掺量在1%~2%范围内, 抗拉强度提高25%~50%,抗弯强度提高30%~80%,用直接双面试验所测定的抗弯强度提高50%~100%。抗压强度提高幅度较小,一般在0~25%。
    (2)变形性能明显改善。钢纤维对混凝土抗压弹性模量影响不显著,受拉弹性模量随纤维掺量的增加约提高0~20%。钢纤维对混凝土的韧性比素混凝土大大提高。在通常的纤维掺量下,抗压韧性可提高2~7倍,抗弯韧性可提高几倍到几十倍;弯曲冲击韧性可提高2~4倍,板式试验落锤法击碎试验所测得的冲击韧性可提高几倍到几十倍。
    (3)抗收缩和徐变性能有所提高。钢纤维混凝土的收缩值随着掺量的增加而有所降低。例如,掺量为1.5%(长径比为50)的钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%~9%。持续荷载下钢纤维混凝土的受压徐变比相同条件的普通混凝土有所降低。
    (4)抗裂和抗疲劳性能有较大改善。由于钢纤维对混凝土的阻裂作用,钢纤维混凝土比素混凝土具有更好的软化性能和抗疲劳性能。
    (5)具有较好的物理耐久性和化学耐久性。钢纤维混凝土在各种物理因素作用下的耐久性一般来说都有不同程度的提高,其中耐久性、耐热性和抗蚀性有显著提高,抗渗性能与普通混凝土相比没有明显提高变化。掺有1.5%的钢纤维混凝土经150次冻融循环,其抗压和抗弯强度下降约20%,而其他条件相同的普通混凝土却下降60%以上,经过200次冻融循环,钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为CF35的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。
     钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性,暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5mm,只有表层的钢纤维产生锈斑,内部钢纤维未锈蚀,不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后,锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。
  


聚丙烯纤维混凝土的主要性能
     在混凝土里掺加一定量的聚丙烯纤维后,聚丙烯纤维在混凝土内形成了一种加强系统,大大地改善了普通混凝土的性能:
    (1)提高了混凝土的抗裂性。塑性状态的混凝土强度极低,而刚浇灌后的混凝土,常常表面失水较大,使混凝土发生塑性收缩而出现裂缝。硬化的混凝土由于存在干燥收缩、温度收缩和碳化收缩,内部会产生各种收缩拉应力,当混凝土结构内产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土就会产生大量裂缝。而聚丙烯纤维加入混凝土中后,就有大量的单丝纤维均匀地分布于混凝土中,并在混凝土内部构成了均匀的三维乱向支撑体系,从而使收缩变形引起的微裂缝,在产生过程中遭遇到纤维的阻挡,能量被消耗后微裂缝就难以进一步发展。
    (2)提高混凝土的抗渗性。掺入聚丙烯纤维可以大幅度提高水泥基材的抗渗性。掺加大量纤维,可有效抑制早期干缩裂纹及连通裂缝的产生,减少了收缩裂缝;均匀分布且彼此相粘连的大量纤维同时起到了骨料的作用,阻断了混凝土中的毛细管,使水分迁移困难,大大提高了混凝土的抗渗透能力。
    (3)提高混凝土的均质性。混凝土在浇灌后,常常会发生离析现象,即比重较大的骨料下沉与水泥砂浆有所分离,同时混凝土表面出现析水,并因此降低了混凝土的均质性,使混凝土上、下部位的性能出现差异,严重时还会使混凝土出现裂缝。而在混凝土中掺加适量聚丙烯纤维后,均匀分布于混凝土中的纤维,可以起到承托作用并阻止上述离析现象的发生,从而保证了混凝土的均质性。
    (4)提高混凝土的抗冲击。聚丙烯纤维的弹性模量较低,其断裂伸长率大于混凝土的断裂伸长率,故纤维的掺入提高了混凝土的延性,改善了混凝土的变形性能,而且聚丙烯纤维增强了混凝土介质的连续性,减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象。当混凝土受冲击荷载作用时,纤维起到了阻止混凝土中裂缝扩散与发展的作用,从而改善了混凝土的整体性能,使混凝土的抗疲劳性有很大增强。
    (5)聚丙烯纤维混凝土除了组成材料水泥浆体和粗细骨料对耐磨性的贡献外,纤维的阻裂效应,使和混凝土在磨损过程中始终保持其整体性。纤维的连续作用又使骨料之间不至于破损,保证了聚丙烯纤维混凝土内部结构的连续性,而材料的整体性直接增强了其抵抗微切削磨损破坏的能力,因此,聚丙烯纤维掺入混凝土中,对于提高混凝土本身的耐磨性有很大帮助。
    (6)聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土相当,抗弯强度因混凝土的延性而有一定的增加。纤维对混凝土的力学性能的最大改变,不是旨在提高其抗压、抗弯等强度指标,而是极大限度地提高了混凝土的断裂能、延展性。


玻璃纤维混凝土的性能优势
    (1)较好的力学性能。用耐碱玻璃纤维增强混凝土,可使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、耐磨性、弯曲疲劳等性能得到较大地改善。
    (2)优良的防裂抗渗功能。由于耐碱玻璃纤维的单丝直径仅为11mm~15 mm,与其他纤维相比具有较大的比表面积,因而同等质量的耐碱玻璃纤维可以握裹更多的水泥基材料,与水泥基体有更紧的结合力,同时纤维在水泥基体内部形成一种均匀的三维乱向分布支撑体系,从而产生一种有效的加强效果,防止微裂缝的产生与扩展,达到抗渗防渗的目的,典型的应用为玻璃纤维喷射混凝土,它喷射在开炸石渠凹凸不平的石壁裂隙上,将裂隙全部封闭,堵塞渗水通道,起到较好的防渗堵漏作用。这种方法具有适用性和施工可行性,经实际工程考验,未出现起壳或脱落现象,具有较好的社会效益和经济效益。
    (3)优越的耐火,抗冻,耐温度、湿度变化性能以及耐久性。耐碱玻璃纤维是一种完全不燃烧的材料,软化点为860℃,其使用环境温度范围大,可抗冻融循环100次以上,有适应骤冷骤热、干湿交替的能力。中国建筑材料科学研究院研究表明,由耐碱玻璃纤维与混凝土复合制成的GRC试件,加速老化试验360d的保留率为88.5%以上,而从扫描电镜照片中看出这种被加速老化试验一年后的玻璃纤维,表面仍然比较光滑,粘附物很少,没有明显被侵蚀。根据其极缓慢的下降趋势,可以预测,耐碱玻璃纤维增强水泥混凝土制品的安全期超过100年。
    (4)绿色环保。耐碱玻璃纤维原材料来源于硅酸盐类矿物质,不产生有害气体,对人体、大气无害;生产玻璃纤维混凝土的工厂和建筑工地的单纯的废物可直接加以利用,也可用它作为混凝土中人工集料,尤其是在没有足够或合适集料的地区;这种废料还适用于制成混凝土砾石,还可用于生产空心混凝土砌块,因而不需要消耗自然资源;回收的材料也可用作建造道路的防冻层或承重层。这些充分说明了玻璃纤维混凝土是一种绿色环保的优良建材。


碳纤维混凝土的性能 
    (1)碳纤维对混凝土力学性能的改善。CFRC中乱向分布的碳纤维主要作用是:阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生和发展。因此,对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善;同时提高机体的抗变形能力,从而改善其抗拉、抗弯和抗冲击韧性。 
     碳纤维体积分数1.18%时,CFRC试件劈裂拉伸强度提高122%,按复合规则,碳纤维的增强作用应随水泥中纤维含量的增大而增加,在碳纤维的重量百分含量小于5%时,这个关系几乎是线性的,含量再增加时,碳纤维难以在基体中分散均匀,不能起到增强效果,甚至使CFRC抗拉强度降低。 
     碳纤维含量小于5%,试件抗折强度随纤维含量增加而增加。在沥青基碳纤维增强轻骨料混凝土研究中,当碳纤维重量百分含量为3.3%时,CFRC试样的抗折强度(8.6MPa)是未增强试样(3.9MPa)的2.2倍。CFRC的抗折破坏亦显示更高的破坏韧性,抗冲击性能(用疲劳冲击能量表示时)是未增强试样的10倍左右(如采用热水养护,可提高约25倍)。 
     碳纤维对混凝土抗压强度提高不多,有时还略有下降,但在基体中加入超细颗粒(如硅粉)可使CFRC的抗压强度明显增加,掺有10%硅粉的CFRC是基体抗压强度的4倍。 
     此外,CFRC还具有良好的耐化学腐蚀性、抗渗透性、耐磨性、耐干缩性及耐久性。 
    (2)碳纤维对混凝土电学性能的改善。混凝土材料是不导电的,碳纤维具有良好的导电性,在混凝土中掺入适量的碳纤维,不仅可显著提高其强度和韧性,而且由碳纤维和碳纤维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络,可使其电阻率下降四个数量级,具有显著的导电性能。更为重要的是,材料电导率所受应力及温度的变化而呈有规律的变化,且具有电热(由电产生热)、电力(由电产生变形)效应。 


PVA纤维混凝土(ECC) 
     ECC是高性能纤维增强水泥基复合材料(HPFRCC)中的一种,是基于微观物理力学原理优化设计的具有应变硬化特性和多缝开裂特征的一种新型工程用水泥基复合材料。其组成材料与FRC类似,包括纤维、水泥、砂、水、矿物掺和料和一些普通的化学外加剂,通常情况下水灰比(水胶比)≤0.5。与HPFRCC不同的是,ECC中纤维体积掺量较少(≤2%),而具有与铝合金类似的高断裂韧性,其单轴极限拉伸应变可达3%~7%,甚至在剪切荷载下依然可以保持韧性特征。 
    (1)抗拉性能与应变硬化。ECC材料单轴受拉时的初裂荷载与素混凝土基本相当,极限受拉荷载甚至低于素混凝土(骨料对强度有贡献),但极限拉应变接近普通混凝土或传统纤维混凝土(FRC)的500倍,表现出极大的韧性性质。 
     由于高强、高弹模且无毒亲水的PVA纤维的作用,显著地改善了水泥基材料的脆性性质,同时提高了材料的断裂能,这对于解决由水泥基材料高脆性引发的诸多耐久性问题十分重要。 
    (2)抗剪性能和能量吸收。对钢筋混凝土(R/C)和钢筋-ECC(R/ECC)梁构件进行的抗剪周期循环试验表明,R/ECC剪切破坏时出现大量的细微斜裂缝,类似于延性破坏,抗剪韧性大大优于R/C。 
     在抗震结构中,塑性铰区的能量吸收是耗散地震能的主要途径,但是在周围脆性混凝土的包裹下,只有极小部分的钢筋能经历屈服阶段。然而,即使取消抗剪箍筋,当梁端侧移比达到10%时,ECC悬臂梁构件试验中仍未出现保护层剥落或爆裂现象,其滞回环形状饱满,具有较强的能量吸收能力,这对于抗震结构设计具有重要意义。 
    (3)裂缝控制与变形性能。ECC的另一个显著特点是多缝开裂。典型ECC材料最大裂缝宽度可以稳定控制在60m左右。其裂缝控制左右表现在:收缩裂缝控制,应力裂缝控制,钢筋与ECC的协同变形,分层、剥落或爆裂控制等几个方面。 


玄武岩纤维混凝土的主要特性 
     玄武岩纤维增强混凝土(basalt fiber reinforced concrete,BFRC)就是将玄武岩连续纤维或不连续纤维按合理的用量和适当的方式掺入混凝土中,而形成的一种新型混凝土复合材料。在土木工程领域,为了改善混凝土的脆性大、易开裂和耐腐蚀性能差等弊端,利用玄武岩纤维的力学和功能性,用混凝土作基体制成玄武岩纤维增强混凝土材料,这充分体现了混凝土复合材料“性能与经济效应超叠加”的设计思想。将玄武岩纤维合理地掺入混凝土中,可在保留混凝土抗压强度高等优点的同时,大大增加其抗拉、耐磨和抗冲击等性能,可在混凝土工程中起到加固补强、增强增韧、延长使用寿命等作用。 
     玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维,具有天然的相容性,用它与水泥混凝土和砂浆拌和时很容易分散,因此,新拌玄武岩纤维混凝土体积稳定,且和易性较好。与普通混凝土相比,玄武岩纤维混凝土还具有优越的耐久性,扩大混凝土的使用范围。在混凝土中合理地掺入玄武岩纤维,还可以提高混凝土的抗冲击性能,降低其脆性,改善混凝土的力学性能。另外,由于生产玄武岩纤维的原料取自于天然的火山岩喷出岩,且原料中几乎不含有对人类健康有害的成分,在如今节约资源、绿色环保、以人为本的社会,玄武岩纤维混凝土在建筑工程领域的推广也具有重大而深远的意义。 
    (1)承载能力高抗冲击性能好。混凝土最大的缺陷就是抗拉强度低,容易收缩开裂,在冲击荷载下极易遭到破坏,破坏呈现出显著的脆性,这严重影响了建筑结构特别是一些特殊混凝土工程的安全性和可靠性。利用玄武岩纤维的高模量、耐冲击和成本低的优势,在混凝土中掺入短切玄武岩纤维,可有效地降低混凝土的脆性,提高其承载力,改善其抗裂性能和抗冲击能力。同时,由于玄武岩纤维较细,比表面积大,单位体积内纤维根数多,在混凝土内部易构成一种均匀的三维乱向分布的网络体系,这一均匀的乱向网络体系也有助于提高混凝土受冲击时对于动能的吸收。试验表明,均匀分布的玄武岩纤维对于混凝土的冲击力学性能具有一定的改善效果,通过对玄武岩纤维混凝土(BFRC)和碳纤维混凝土(CFRC)冲击力学性能的对比发现:玄武岩纤维对混凝土的增强、增韧效果明显优于碳纤维,当纤维的掺量为0.1 %(体积分数)时,玄武岩纤维的增强、增韧效果最佳。因此,玄武岩纤维可用于机场跑道、高速公路等经常受到冲击荷载作用的混凝土工程中,同时也可以在国防工程中发挥重要的作用。当然,对于玄武岩纤维混凝土冲击力学性能,目前研究的还相对较少,其实际应用仍需要在理论研究和工程施工等方面作大量工作。 
    (2)加固补强性价比高。目前在混凝土结构的加固中应用比较多的新型纤维增强材料是碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP),其中CFRP的强度和耐腐蚀性最为理想,加固效果最好。碳纤维加固是近年来应用在土木工程中的一种新型补强技术,该技术能在不增加结构物荷重的前提下达到高效的加固目的,但碳纤维的价格太高,且我国碳纤维原丝基本上依赖进口,技术又受到美、日等国的封锁。而 GFRP虽有价格上的优势,但其力学性能比碳纤维差,且有些物理性能也不够理想,从而影响了在实际工程中的应用。玄武岩纤维作为一种无机纤维材料,有着较好的物理力学性能,性价比高,受力后与混凝土也具有良好的变形协调性,可为混凝土结构的加固提供另一种新型的纤维增强材料。吴栋等的试验研究表明,对混凝土结构的加固,连续玄武岩纤维片材具有与碳纤维相似的效果,有着耐腐蚀、质量轻、施工方便等优点,更具成本低、价格便宜等独特优势。所以,玄武岩纤维可替代碳纤维应用于混凝土梁、板、柱、墙等结构的加固补强和结构物的抗震加固中,发展前景十分广阔。 
    (3)耐腐蚀性和化学稳定性可靠。目前,大量的混凝土设施包括堤坝、港口深水码头、跨海大桥、机场跑道等经常受到高湿度、酸、碱、盐类介质的作用,暴露出化学稳定性差和钢筋锈蚀等一系列问题。玄武岩纤维中含有K2O,MgO,TiO 等成分,这对于提高纤维耐化学腐蚀及防水性能起到至关重要的作用。研究发现,玄武岩纤维在碱性溶液中具有独特的化学稳定性,耐酸性比ECR玻璃纤维还要好,具有明显的耐酸耐碱性;另外,该纤维防水性能好,属于一级防水材料。因此,利用玄武岩纤维增强混凝土可以在提高混凝土耐腐蚀性的同时,较好地解决钢筋的锈蚀问题,从而大大提高混凝土结构的可靠性和耐久性。同时,造价与碳纤维相比却低很多,优越性十分明显。 
    (4)良好的动态能量耗散性能。柔性纤维混凝土复合材料是上世纪 80年代后期出现的一种新型材料,它主要是由新的工艺与柔性增强纤维所构成,使得混凝土的弹性增加,并且能够承受较大的变形。柔性纤维混凝土有较高的承载能力和良好的动力性能,不仅使材料在高应力下表现高强度和高刚度的行为,而且可以增大能量耗散,改善其动力性能。柔性玄武岩纤维由于具有多孔结构和排列方式的无规则性,吸波性能好,对动力波的传递有良好的衰减作用,在水泥和混凝土中合理地掺入柔性玄武岩纤维,可使混凝土结构的能量耗散性能有较大程度的增长。所以,柔性玄武岩纤维可以应用在建筑结构的减振、抗震、消能以及隔音降噪中;同时,这一性能的研究对于一些特殊的混凝土防护结构的抗爆、抗冲击能力也具有重要而深远的意义。 
    (5)独特的耐高温性能。玄武岩纤维具有突出的耐高温性能,其温度使用范围为:-269~700℃(软化点为 960℃),而玻璃纤维为- 60~450℃。玄武岩纤维在400℃下工作时,其断裂强度能够保持85%的原始强度;在 600℃下工作时,其断裂强度仍能够保持80 %。而碳纤维的抗氧化性能则较差,在300℃会有CO和CO产生,间位芳纶纤维的最高使用温度也只有250℃。由此可见,玄武岩纤维增强混凝土材料具有独特的耐高温性能,可用于冶炼、发电等经常处于高温状态下的建筑结构中。同时,CBF材料超低温使用性能也比较好,在长期处于低温-196℃液氮介质作用后,玄武岩纤维的强度不会发生改变。因此,玄武岩纤维具有很好的抗冻融循环能力,在高原和北方寒冷地区的公路路面、机场道面和桥梁隧道等建筑设施中也具有良好的应用前景。 

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