纤维增强混凝土

2006中国国际混凝土技术交流会热烈祝贺2006中国国际混凝土技术交流会召开2006中国国际混凝土技术交流会纤维混凝土研究应用现况与前景王璋水空军工程设计研究局1000682006.3北京2006中国国际混凝土技术交流会主要内容引言：一、概论二、纤维混凝土研究应用的现况三、纤维混凝土的发展前景四、结语2006中国国际混凝土技术交流会引言：纤维混凝土是一种新型的复合材料，是当代混凝土改性研究的一个重要领域，近年，以钢纤维、合成纤维、碳纤维及玻璃纤维为代表的纤维，在混凝土中应用取得了迅速的发展，纤维混凝土是继钢筋混凝土、预应力混凝土之后的又一次重大突破。由于纤维和混凝土的共同作用，使混凝土具有一系列优越的性能，因而受到国内外工程界的极大关注和青睐，并广泛应用于各工程领域，现就纤维混凝土研究应用的现况与发展前景做出评述。2006中国国际混凝土技术交流会一、概论(一)水泥混凝土的特点优点—取材方便，造价低廉，生产简单，抗压强度较高等。弱点—主要是抗拉强度低、抗裂性差和抵抗变形性能差，即韧性差，材料的脆性或准脆性明显，其抗拉强度仅是抗压强度的1/7～1/10受拉的极限延伸率只有0.01%～0.06%，在较低的拉伸变形时极易发生开裂。尤其是随着抗压强度大幅度提高，其收缩裂缝与脆性问题也更为突出，由此经常导致许多建築物发生开裂和破碎,并进一步发生渗水,钢筋受到腐蚀使结构失效或遭受突然破坏。2006中国国际混凝土技术交流会（二）改善途径混凝土存在上述缺陷是本质性的，不可能通过本身材质的改良来解决，只有采用“复合化”的技术途径。经材料科学工作者的长期探索与研究，提出了钢筋混凝土、预应力混凝土的二次的重大突破，而后又提出了纤维增强混凝土，有学者认为，这是继钢筋混凝土、预应力混凝土之后的第三次的重大突破。2006中国国际混凝土技术交流会（三）纤维在混凝土中的作用在混凝土中掺入短而细且均匀分布的纤维后，明显提高混凝土的性能。纤维与水泥基材料复合的主要目的在于克服后者的弱点，以延长其使用寿命，扩大其应用领域。纤维在混凝土中主要起着以下三方面的作用：1、阻裂作用2、增强作用3、增韧作用2006中国国际混凝土技术交流会1、阻裂作用纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展，这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段，也存在于混凝土的硬化阶段。水泥基体在浇注后的24h内抗拉强度低，若处于约束状态，当其所含水分急剧蒸发时，极易生成大量裂缝，此时，均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力，从而阻止或减少裂缝的生成。混凝土硬化后，若仍处于约束状态，因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时，也极易生成大量裂缝，在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。2006中国国际混凝土技术交流会2、增强作用混凝土不仅抗拉强度低，而且因存在内部缺陷而往往难于保证。当混凝土中加入适量的纤维后，可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高。2006中国国际混凝土技术交流会3、增韧作用纤维混凝土在荷载作用下，即使混凝土发生开裂，纤维还可横跨裂缝承受拉应力并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标，一般用混凝土的荷载—挠度曲线或拉应力—应变曲线下的面积来表示的。另外，还可提高和改善混凝土的抗冻性、抗渗性以及耐久性等性能。应强调的是:纤维混凝土中纤维的作用，并非所有纤维都能同时起到以上三方面的作用。2006中国国际混凝土技术交流会（四）纤维的分类和性能1、纤维的分类纤维可以按照不同的原则进行分类。从工程实用观点考虑，可按：纤维的材质弹性模量纤维的长度见表1。2006中国国际混凝土技术交流会表1纤维分类表分类原则类别按纤维的材质（1）金属纤维—碳钢纤维、不锈钢纤维、钢棉等。（2）无机纤维—玻璃纤维、碳纤维、石棉、矿棉、陶瓷纤维等。（3）有机纤维1）天然纤维—纤维素纤维、麻纤维、草纤维等；2）合成纤维—聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维、聚乙烯、醇纤维等。按纤维的弹性模量（1）高弹性模量纤维—弹性模量高于水泥基体的纤维，如钢纤维、石棉、矿棉、玻璃纤维、碳纤维等。（2）低弹性模量纤维—弹性模量低于水泥基体的纤维，如聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维等。按纤维的长度（1）非连续的短纤维—如钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维等。（2）连续的长纤维—如连续的玻璃纤维等。2006中国国际混凝土技术交流会2、纤维的主要力学性能抗拉强度纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出二个数量级。弹性模量不同品种纤维的弹性模量值相差很大，有些纤维(如钢纤维与碳纤维)弹性模量高于水泥基体，而大多数有机纤维(包括很多合成纤维与天然植物纤维)的弹性模量甚至低于水泥基体。纤维与水泥基体的弹性模量比值对纤维增强水泥复合材料力学性能有很大影响，如该比值愈大，则在承受拉伸或弯曲荷载时，纤维所分担的应力份额也愈大。断裂延伸率纤维的断裂延伸率一般要比水泥基体高出一个数量级，但若纤维的断裂延伸率过大，则往往使纤维与水泥基体过早脱离，因而未能充分发挥纤维的增强作用。2006中国国际混凝土技术交流会表2增强水泥基材料用纤维的主要力学性能纤维品种密度(g/cm3)抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)断裂延伸率(%)碳钢纤维不銹钢纤维抗碱玻璃纤维温石棉聚丙烯单丝纤维聚丙烯膜裂纤维高模量聚乙烯醇纤维改性聚丙烯腈纤维尼龙纤维高密聚乙烯纤维芳纶纤维芳纶纤维碳纤维7.807.802.702.600.910.911.301.181.150.971.451.39500～200020001400～2500500～1800500～600500～7001200～1500800～950900～96025002800～29003000～3100200～210150～17070～75150～1703.5～4.85.0～6.030～3516～205.0～6.011762～7071～773.5～4.03.02.0～3.52.0～3.015～1815～205～79～1118～203.53.6～4.44.2～4.42006中国国际混凝土技术交流会（五）纤维混凝土的分类和特性1、纤维混凝土的分类●按纤维弹性模量是否高于基体混凝土的弹性模量，其增强、增韧效果有明显差异，故可分：■高弹性模量纤维混凝土，如钢纤维混凝土。■低弹性模量纤维混凝土，如合成纤维混凝土。●按纤维的长度分：■非连续纤维增强混凝土是短切、乱向、均匀分布于混凝土基体中。■连续纤维增强混凝土的纤维(如单丝、网、布、束等)分布于基体中。2006中国国际混凝土技术交流会●按水泥基体材料分：■纤维增强水泥净浆指在不含集料的水泥净浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥净浆基体中掺入纤维。多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、石棉水泥板、玻璃纤维水泥墙板等。■纤维增强水泥砂浆指在含有细集料的水泥砂浆基体中掺入纤维。多用于防裂、抗渗结构。如聚丙烯纤维抹面砂浆、钢纤维防水砂浆等。通常将纤维增强水泥净浆和纤维增强水泥砂浆统称为纤维增强水泥。纤维增强水泥中的纤维，主要起着增强材料的作用，可明显提高基体材料的抗拉、抗折、抗剪、抗冲击、抗疲劳等力学性能，不同程度地增进复合材料的延性与韧性，主要用以制作薄壁的水泥制品。■纤维增强混凝土指在含有粗、细集料的混凝土基体中掺入纤维，简称为纤维混凝土。依混凝土基体的特征不同，可分为如纤维普通混凝土、纤维高强混凝土、纤维膨胀混凝土、纤维耐火混凝土等。有时为了获得需要的纤维混凝土特性和降低成本，将两种或两种以上纤维混合使用或按纤维功能不同组合使用，分别称为混合纤维混凝土或组合纤维混凝土。2006中国国际混凝土技术交流会●纤维增强水泥和纤维增强混凝土的区分对比项目0纤维增强水泥纤维增强混凝土水泥基体材料水泥净浆或水泥砂浆混凝土纤维长度短纤维、长纤维、纤维织物或短纤维与长纤维(或纤维织物)并用短纤维纤维体积率3%～20%0.05%～2%制备工艺装备采用专门的工艺与装备一般采用普通混凝土的工艺与装备物理力学性能有显著的改进或提高，尤其是力学性能某些性能无影响，某些性能有适度改进或提高应用范围主要用于制作薄壁(厚度3mm～20mm)的预制品主要用于现㘯浇注的构件或构筑物(一般厚度为50mm以上)表3纤维增强水泥与纤维增强混土的对比表2006中国国际混凝土技术交流会●纤维增强水泥和纤维增强混凝土的区分目前在不少国内外文献资料中常把二者不作区分。■纤维的作用不同纤维在水泥和砂浆中起着主要增强材的作用,而在混凝土中起着非主要增强材的作用。如果不作区分，误以为在纤维增强混凝土中纤维也可起着主要增强材的作用，试图在某些结构中减少钢筋的用量。再如，当前国际上正在大力开发的“活性粉末混凝土”，在有些国家又称之为“超高性能混凝土”,实际上按其纤维掺量、水泥基体的组成，理应归属于纤维增强水泥而不应归属于纤维增强混凝土，在该复合材料中纤维起着主要增强材的作用，有助于大幅度提高抗拉、抗折、抗剪、抗冲击与抗疲劳等力学性能。■制备工艺不同分类主要是考虑到因基体的不同，而使纤维与基体的相互制约以及复合材料的制备工艺等有很大差异，从而影响到复合材料的一系列性能及其应用范围等。表3对纤维增强水泥与纤维增强混凝土的主要不同点进行了对比。根据此表不难看出将纤维增强水泥复合材料分为两大类是合理的。2006中国国际混凝土技术交流会2、纤维混凝土的特性（1）降低早期收缩裂缝，并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝。（2）裂后抗变形性能明显改善，弯曲韧性提高几倍到几十倍，极限应变有所提高。破坏时，基体裂而不碎。（3）高弹模的纤维对混凝土抗拉、抗折、抗剪强度提高明显，对于低弹模纤维变化幅度不大。（4）弯曲疲劳和受压疲劳性能显著提高。（5）具有优良的抗冲击、抗爆炸及抗侵彻性能。（6）高弹模纤维用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件，可提高抗剪、抗冲切、局部受压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、延性。（7）混凝土的耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度提高。（8）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“压阻效应”；低熔点合成纤维配制的纤维混凝土在火灾过程中，细微纤维熔化可降低混凝土的爆裂。（9）使拌合料的工作性有所降低，因此在配合比设计和拌合工艺上采取相应措施，使纤维在基体中分散均匀，拌合料具有良好的工作性。（10）提高混凝土的耐久性。应该说明的是，纤维混凝土的上述特性，并非所有纤维混凝土都同时具有这些特性，纤维混凝土的特性与纤维品种、纤维性能、纤维与混凝土界面间的粘结状况以及基体混凝土的类别和强度等级等因素有关。2006中国国际混凝土技术交流会二、纤维混凝土研究应用的现况（一）研究应用概况研究和应用较多是钢纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维和碳纤维等配制的混凝土，其次是由玻璃纤维、聚酰胺纤维及聚乙烯醇纤维等配制的混凝土。2006中国国际混凝土技术交流会＊钢纤维生产我国四大类（切断型、剪切型、铣削型和熔抽型）钢纤维都有生产，产量逐年增加，质量不断提高，不但满足国内供应还大量出口。据估计我国每年钢纤维的销量在1～2万吨，钢纤维混凝土年用量约30万m3。＊钢纤维混凝土种类分属有钢纤维普通混凝土、钢纤维高强高性能混凝土、钢纤维膨胀混凝土、钢纤维耐火混凝土、钢纤维碾压混凝土、层布钢纤维混凝土及钢纤维喷射混凝土等＊应用公路、隧道、码头铺面、工业建筑地面、刚性防水、结构复杂应力区、抗冲磨结构等工程中得到了广泛应用。在桥梁工程和隧道工程中的应用是卓有成效。＊占主导地位，但钢纤维的质量和纤维混凝土的成本仍是影响工程应用的主要因素。1、钢纤维和钢纤维混凝土研究和应用2006中国国际混凝土技术交流会2、合成纤维混凝土的研究应用目前，美国合成纤维混凝土的使用量约占混凝土总量的7%，钢纤维混凝土使用量约占混凝土总量的3%，合成纤维混凝土数量已超过先期开发的钢纤维混凝土使用量。因此深入研究合成纤维混凝土，尤其是聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维混凝土的材料和构件的基本物理力学性