纤维在水泥混凝土中的应用

为了降低水泥混凝土因裂缝导致的结构破坏，各国学者纷纷开展了增强增韧水泥混凝土的研究，其中利用纤维增强增韧水泥混凝土引起了研究人员的广泛关注。 　　为了降低水泥混凝土因裂缝导致的结构破坏，各国学者纷纷开展了增强增韧水泥混凝土的研究，其中利用纤维增强增韧水泥混凝土引起了研究人员的广泛关注。纤维在水泥混凝土领域的应用最早可以追溯到古埃及时代，草筋粘土砖和纸筋灰是最早的纤维增强复合材料。美国在1990年和1991年举行了纤维增强混凝土的专题报告会，拉开了纤维增强混凝土研究的序幕；1995年韩国举行了纤维增强水泥混凝土的专题报告会，1996年在中国北京举行了第三届国际水泥混凝土报告会，表明纤维增强混凝土的研究与应用已经国际化。著名的化学公司如杜邦公司、3M公司、日本帝人公司等都开发出了多种水泥增强用纤维品种，并已经在高速公路、桥梁、围栏等建筑物中获得广泛应用。　高强度、高韧性、高耐久性的纤维增强增韧水泥混凝土取得长足发展，代替传统的钢筋混凝土或预应力混凝土已经成为国际趋势。在国外，纤维增强水泥混凝土复合材料已经广泛应用于非承重构件中。国内的研究起步较晚，上海合成纤维研究所研究了锦纶短纤维对水泥混凝土的增强效果，安徽皖维公司将维纶用于增强混凝土，东华大学对水泥增强用丙纶短纤维进行了研究。此外，一些高校和研究院所也就不同种类纤维的增强增韧作用进行了研究。 水泥混凝土中的纤维的种类.　水泥混凝土中常用的纤维分为钢纤维和非钢纤维两类，非钢纤维按照弹性模量可以分为两大类：高弹性模量纤维（Ef/Ec＞1）和低弹性模量纤维（Ef/Ec＜1）[2]。低弹性模量纤维（如各种有机纤维、尼龙、聚丙烯、聚乙烯等）只能提高混凝土的韧性、抗冲击性能等与材料的塑性有关的物理性能；高弹性模量纤维（如钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等）则能够改善混凝土的强度和刚性。　水泥混凝土增强增韧用纤维按作用方式可分为：① 短纤维，改善纤维在水泥混凝土中的分散性，通过传递应力吸收高能量，有效抗击冲击力和控制裂缝；② 短纤维铺网或网状纤维，增加纤维与基体的接触面积和接触力，有效降低水泥混凝土固化过程中的塑性收缩，提高构件的耐冲击力，延长构件的使用寿命[3]；③ 异形化纤维。如V形纤维、Y形纤维、带钩形纤维等，异形化能够增加纤维与基体的接触表面，加强二者之间的有效粘结，提高增强增韧效果；④ 表面涂层改性纤维，利用有机或无机化合物处理或涂层，改善纤维在混合过程中的分散性，提高纤维与基体材料的粘结力。 2 纤维增强机理2.1 混合原理　　混合原理假定混凝土基体和纤维完全粘结，且纤维在混凝土中呈一维单项排列。该混凝土的强度是由纤维和基体的体积比和应力所共同决定的，该复合材料的抗拉强度公式为：　σc=σfVf+σmVm （1） 式中 σc—复合材料的抗拉强度 σm —基体的抗拉强度 σf —纤维的抗拉强度 Vf—单位混凝土体积中的纤维体积 Vm—基体体积 由于 Vf＋Vm＝Vc=1因此 σc=σfvf+σm(1-Vf) 由于混凝土基体与纤维充分粘结可以得到： εc=εf=εm 或 σc/Ec=σf/Ef=σm/Em (2)设 σf/σm＝Ef/Em=m则有 σc=σm[1+Vf(m-1)]＜br＞　　混合理论只是简单的对纤维和水泥基体力学性能加合，并没有考虑纤维在水泥基体中复杂的排列方式，纤维与基体的界面粘结情况，纤维的体积掺量等影响因素，因此该理论有待于进一步的完善。2.2 纤维间距理论　Romualdi等在1963年针对乱向短钢纤维增强混凝土提出了纤维间距理论，它依据线弹性断裂力学原理，提出以纤维间距作为基本参数的增强机理。该理论认为水泥基体内部存在不同尺度层次的孔隙和缺陷，造成应力集中。为了增强水泥基材料的强度就必须减少裂缝的尺度和数量，缓和应力集中的程度，提高抑制裂缝发展的能力。在水泥基体中掺入纤维将发挥约束裂缝发展的作用。纤维间距越小，则缓和裂缝应力集中的作用越大，纤维混凝土的强度和韧性的提高程度也越大。1964年Romualdi将上述概念用于纤维混凝土中得到纤维间距的计算公式（略）。　　纤维间距理论尽管只强调间距对纤维增强混凝土的力学性能的影响，有不全面之处，但是直到现在该理论对纤维混凝土的增强机理仍有指导作用。上述两种理论从不同角度针根据理想情况对纤维增强作出了解释。在实际试件中，纤维的排列方式、作用形式更加复杂，因此必须充分考虑纤维在基体中的排列方式、纤维与基体的作用力、纤维在试件破裂时的受力情况等。 3 纤维在水泥混凝土中的作用在水泥混凝土中掺入一定量的纤维，当水泥凝固后，纤维在试体中呈三维乱向分布，能有效提高水泥混凝土构件的力学性能。在纤维增强的水泥混凝土复合材料中，纤维能减少水泥基体收缩而引发的微裂纹，在受荷初期延缓和阻止基体中微裂纹的扩展并最终成为外荷的主要承载者[ 4 ]。 纤维在水泥和混凝土中的作用主要有：① 提高水泥混凝土的强度。纤维随机地分布在水泥或混凝土中，并跨越水泥混凝土中存在的微细裂缝，对裂缝产生约束作用，阻止裂缝扩展，提高水泥混凝土的强度。 　　　 Tjiptobroto等[ 5 ]研究了高体积率钢纤维增强的DSP材料（Densified system containing homogeneously arranged ultra-fine particles，意即“均布超细微粒密实体” ），当钢纤维的体积率为12%时，DSP的极限拉应变可由0.015%增至0.2%，与此同时抗压强度可提高3.8倍。② 提高水泥混凝土的抗冻性。纤维可以吸收水泥固化或冷冻过程中形成的张力，从而延缓水泥固化过程中微裂纹的形成和扩散，提高水泥混凝土的抗冻性。戴建国[6]指出，在混凝土中加入聚丙烯纤维，按混凝土抗冻试验方法，经25次反复冻融，无分层与龟裂等现象产生。③ 提高水泥混凝土的抗渗性。均匀乱向分布在混凝土中的大量纤维起了承托作用，降低混凝土表面的析水与集料的离析，使混凝土中直径约100纳米左右的孔隙含量大大降低，极大地提高混凝土抗渗防水能力。朱江[ 7 ]所做的实验表明，掺入聚丙烯纤维的混凝土经24小时1.3MPa水压作用，未出现渗漏；掺量为0.05%和0.1%（体积率）的聚丙烯纤维混凝土抗渗能力分别比素混凝土提高了40%和48%。④ 提高水泥混凝土的抗裂性。纤维与水泥基材料充分混合，在水泥净浆或混凝土砂浆中形成多向分布的网络支撑体系，降低水泥或混凝土在塑性收缩及冷冻时形成的张力。在水泥混凝土收缩时，其收缩能量被纤维所吸收，有效增加了水泥混凝土的韧性，抑制其裂纹的产生和发展。谷章昭等[ 8 ]在研究中发现，在混凝土中掺入尼龙纤维，可以使混凝土中裂缝减少近70%。⑤ 提高水泥混凝土的耐磨能力。陈栓发等[9]按照公路工程水泥混凝土试验规程，采用TMS－04型水泥胶砂耐磨试验机进行试验，发现聚丙烯混凝土的耐磨能力优于普通混凝土，当聚丙烯纤维的掺量为0.9kg/cm3，耐磨能力提高27.13％。⑥ 提高水泥混凝土的抗冲击性。纤维作为增强材料，可以抑制水泥混凝土中微裂纹的产生，提高水泥混凝土的韧性、抗冲击性。美国伦比亚大学所作做的抗冲击试验表明[10]：在钢筋混凝土中加入0.5％的纤维，其抗冲击能力明显提高。研究中发现，由于水泥基材自身具有多相、多组分、多尺度层次的非均质特性，通常一种纤维很难达到预期的增强增韧效果，将高弹模和低弹模、大尺度和小尺度的纤维混杂，使其在水泥基材不同结构和性能层次上发挥作用，从而达到增强增韧的目的。