纖維在水泥混凝土中的應(yīng)用

摘要:為了降低水泥混凝土因裂縫導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，各國學(xué)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(guān)注?！　?BR>
為了降低水泥混凝土因裂縫導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，各國學(xué)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(guān)注。纖維在水泥混凝土領(lǐng)域的應(yīng)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(fù)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(yīng)用已經(jīng)國際化。著名的化學(xué)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(yīng)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(yù)應(yīng)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(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于非承重構(gòu)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(xué)對水泥增強用丙綸短纖維進(jìn)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(jìn)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：高彈性模量纖維和低彈性模量纖維[2]。低彈性模量纖維只能提高混凝土的韌性、抗沖擊性能等與材料的塑性有關(guān)的物理性能；高彈性模量纖維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(yīng)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(gòu)件的耐沖擊力，延長構(gòu)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(jié)，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(jié)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(jié)，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(yīng)力所共同決定的，該復(fù)合材料的抗拉強度公式為：
　　　　σc=σfVf+σmVm
式中
σc—復(fù)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(jié)可以得到：
εc=εf=εm或σc/Ec=σf/Ef=σm/Em(2)＜br＞

設(shè)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(xué)性能加合，并沒有考慮纖維在水泥基體中復(fù)雜的排列方式，纖維與基體的界面粘結(jié)情況，纖維的體積摻量等影響因素，因此該理論有待于進(jìn)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(xué)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(rèn)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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。

　　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(xué)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(dǎo)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(fù)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(dāng)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(gòu)件的力學(xué)性能。在纖維增強的水泥混凝土復(fù)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(xì)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，當(dāng)鋼纖維的體積率為12%時，DSP的極限拉應(yīng)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(fù)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%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(luò)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(jìn)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(dāng)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(xué)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(dá)到預(yù)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(jié)構(gòu)和性能層次上發(fā)揮作用，從而達(dá)到增強增韌的目的。