纤维混凝土在预制混凝土结构中的应用.docx

1、纤维混凝土在预制混凝土结构中的应用纤维混凝土在预制混凝土结构中的应用一、纤维混凝土的定义及类型纤维混凝土（FRC, Fiber-reinforced concrete）是一种由水泥或液压态水泥、水、粗细骨料、以及短小不一、均匀分布的不连续纤维组成的一种复合材料。纤维可以为钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚合纤维、植物纤维（见图1图5）等，长度通常为3mm64mm之间变化不等，直径可以从数微米到1mm大小不等。纤维的截面形状可以为圆形、椭圆形、多边形、三角形、月牙形或正方形，这主要取决于所用的原材料及加工制作过程。纤维主要分为两大类：粗纤维和细纤维。细纤维的直径或等效直径通常小于0.3mm，而粗纤维的

2、直径或等效直径为0.3mm。所谓等效直径即为与圆形纤维具有相同截面面积折算出的圆形直径，即（4A/）0.5。用于混凝土中的纤维体积占比通常为0.1%5%。这个体积占比的大小主要由混合物搅拌的便易性及工程的应用场景来决定。举个例子，因混凝土收缩和温度变化所引起的二次应力通常用低剂量（体积占比为0.1%0.3%）的纤维进行控制解决。当纤维剂量超过0.3%时，与不含纤维的普通混凝土相比，纤维混凝土的力学反应将发生显著的不同，主要表现在于其开裂后依然具有的承载能力。纤维混凝土在发生开裂之后依然具有吸收能量的这种能力被称之为“韧性”。当向混凝土中添加更高剂量的纤维时，它除了具有开裂后的韧性之外，纤维混凝

3、土还表现出应变强化的特性（见图6）。也就是说，这复合材料可以承受超过普通混凝土本身所应具有的抗拉应力。在这些假延性复合材料里，经常可以看到多缝开裂且具有相当吸能耗能的特性特征。美国标准ASTM C116/C116M给出了四种类型的纤维混凝土：第一种是钢纤维混凝（SFRC），主要有不锈钢纤维、合金钢纤维、碳素钢纤维；第二种是玻璃纤维混凝土（GFRC），由耐碱玻璃纤维组成；第三种为合成纤维混凝土（SynFRC），第四种为天然纤维混凝土（NFRC）。表1 各种纤维的力学特性由上表可以看出，钢纤维的强度和弹性模量相对比较高，并且因其处于高碱性环境中而不易发生锈蚀。它与混合物之间的粘结作用可以通过加强表

4、面的粗糙程度及变形来达到更有效的力学锚固。合成纤维主要是由石油化工和纺织工业的发展而产生的非金属纤维，包括各种形式的聚合物，下面列举一些常用于预制混凝土中的合成纤维：1）碳纤维：相对于钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维等，碳纤维的优势在于其自身的特性，高模量、耐热性、在碱性环境及其他侵蚀性的化学环境中的化学稳定性；另外，其具有显著的改善力学性能的特性。历史上第一次将碳纤维应用于水泥基材料的形式是高模量聚丙烯腈纤维，可以看到其力学性能得到了显著的改善。这些碳纤维是通过高温加工碳化聚丙烯腈材料然后经过热拉伸的石墨化工序而制成。起初这种聚丙烯腈基纤维因其高昂的价格并不应用于混凝土中；在上个世纪80年代早期

5、，随着低廉的沥青基碳纤维的出现，人们开始有将碳纤维应用于水泥基材料中。2）尼龙纤维/聚酰胺纤维：这类纤维具有很好的抗拉强度、很高的韧性、弹性恢复力及很好的亲水性、而且在水泥基的碱性环境下相对的稳定性。3）聚丙烯：这种纤维弹性模量较低、熔点低，因此不太适宜于高温蒸压下的预制混凝土构件产品。但因其熔点低的特性，故可以用于生产耐火材料或具有高耐火性的产品。有两种类型的聚丙烯纤维用于混凝土的增强，单纤维丝和原纤化纤维（拉裂纤维）。这类纤维是憎水性的，与水之间的接触角很大。因此，相对于亲水纤维而言，它们与混凝土之间的粘结作用很差。另外，也没有证据表明其具有化学粘结力。然而通过分裂纤维或原纤化纤维加工过程

6、使其发生几何变形之后，其与混凝土之间便具有一定的机械咬合力。4）聚乙烯醇纤维：这种纤维是用PVA树脂经过多道工序的高拉伸形成的，具有很高的刚度和不容水性特点。经过特殊的表面处理可以改变其在混凝土基中的纤维分布状态。遗憾的是，PVA纤维具有不小的热收缩系数，200C下其收缩率高达4%。它对碱性环境和有机物溶剂具有很好的抵抗性，在长期紫外线照射下强度损失也很小。5）玻璃纤维：用于混凝土中的玻璃纤维需含最低16%的二氧化锆以用于耐碱性；其他类的玻璃纤维，诸如无碱纤维不建议用于混凝土中。玻璃纤维具有很高的模量和很高的强度，并且与混凝土之间具有很好的粘结作用。玻璃纤维增强型混凝土与其他纤维混凝土（诸如钢

7、纤维或聚丙烯纤维）的不同之处在于纤维的含量，前者具有的纤维体积占比为4%6%，而后者或其他的纤维体积占比大概为0.1%1%。为实现高含量玻璃纤维，混凝土成分需要高含量的水泥、细骨料，粗骨料基本没有。二、纤维在混凝土中的作用1. 准静力荷载和冲击反应纤维在改善力学性能方面的功效作用很显著。用于评估耐冲击性的落锤试验研究表明，相对于普通混凝土而言，体积占比0.1%0.2%的聚丙烯纤维混凝土具有更高的冲击强度，无论是初始开裂还是最后断裂阶段。类似的试验结论也可以从掺加了钢纤维的混凝土试验中得出。目前尚未有统一标准的试验方法用于测定纤维混凝土的抗压强度，但有关研究表明，相对于普通混凝土，纤维混凝土的轴

8、压强度增加了85%100%；进一步的研究表明，冲击荷载作用下纤维混凝土在受压后期并没有显著的峰后延性，这主要是因为混凝土碎片并没有与纤维粘结于一起。尽管试验结果表明钢纤维混凝土有冲击系数3的行为表现，而聚合物纤维混凝土却与普通混凝土没有什么不同，冲击系数均为1.5左右。而且，研究结果表明，三维变形的钢纤维比二维变形下的钢纤维具有更显著的动力冲击系数；但是，在动力荷载下的抗拉强度和开裂后的残余抗弯强度却得到了显著的改善。纤维增强改善了混凝土的能量吸收的能力，主要是因为其提升了峰值后的应力传递能力，因此这是一个提高抗冲击承载力的有效途径。纤维的类型、长度、形状都会显著影响这些特性。正如之前所陈述的

9、，纤维的种类很多，诸如钢纤维、合成纤维、玻璃纤维、天然纤维等。短小、离散的聚合物纤维增加混凝土的吸收能量的能力，有时候甚至会超过钢纤维混凝土的动力冲击系数。在冲击荷载作用下混凝土中纤维的表现性能在很大程度上取决于高裂纹开展率的位移作用下纤维与混凝土之间的粘结方式。研究表明，随着加载速率的增大，钢纤维混凝土具有很高的裂缝开展抵抗力，相对于一些采用聚丙烯纤维的混凝土试件，但后者却能很快赶上前者；推测起来主要可能是因为相对于钢纤维来说，聚丙烯纤维自身对应变率敏感性更强。2. 收缩裂缝的控制众所周知，纤维能显著影响水泥基复合材料的自由收缩和其他相关的早龄期特性。有研究表明采用体积占比1%左右的聚乙烯纤

10、维可以减小混凝土的自由塑性收缩达30%之多。除了自由收缩之外，采用各种技巧手段来研究纤维对混凝土受约束收缩的相关作用也在进行之中。纤维的加入主要是用于改变混凝土受约束环境下收缩裂缝的宽度和长度。相关的研究结论大概如下：1）纤维材料和类型对收缩裂缝影响很大。相同体积的纤维含量，玻璃纤维抑制裂缝增长最为有效，其次为合成纤维。2）对于给定的纤维体积占比及纤维类型，长度更长、直径更小的纤维要比更短、更粗的纤维要更有效；纤维表面具有更大程度的几何变形（比如拉裂纤维）要比未变形处理的纤维更有效。3）至于植物纤维，涂料镀膜或未涂料镀膜纤维仅在体积占比为0.3%以上才有效。3. 防水和耐久性由于硫酸侵蚀、循环

11、融冻、碱硅酸反应及钢筋的锈蚀等作用，预制混凝土构件极易发生性能退化。在所有的这些情况中，水的渗透（透水性）起到了至关重要的作用。预制混凝土产品的耐久性主要取决于水的入侵/渗透速度。结果表明，透水性又反过来取决于混凝土中的裂缝、以及混凝土裂缝宽度的增加，而这又将产生更高的透水性。纤维增强改善了混凝土的开裂抵抗力、增加了裂缝的表面粗糙度、并且提升了多裂缝的发展，从而显著减小了混凝土的透水性。至于应力和因应力引起的混凝土开裂，结果已经表明普通混凝土中的裂缝显著增加了其透水性，而纤维混凝土的透水性却显著低于普通混凝土的透水性。至于纤维如何改善防水性，有研究表明，因为纤维的加入而使得普通混凝土中的微孔隙被改变为纳米孔隙。预制混凝土中的钢筋锈蚀是个很重要的问题。混凝土中的氯离子污染是个主要的因素，其腐蚀钢筋的机理及过程已经很清楚也很好理解。遗憾的是，混凝土中的裂缝使得氯离子及其他腐蚀化学物更容易进入从而促使进一步的锈蚀。氯离子主要通过毛细水进行渗入扩散，而氯化物的扩散则主要取决于透水性。正如之前所表述的，纤维减小了应力混凝土或非应力混凝土的透水性，故减缓了氯离子的扩散速度。因此混凝土中加入纤维的做法是一种延长混凝土结构寿命行之有效的方法。三、纤维混凝土工程应用若干案例具体见图7图14。