纤维混凝土的应用和发展状况(综述)

I

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毕业设计(论文)纤维混凝土的应用和发展状况指导教师

2014年 4 月 6 日

纤维混凝土的应用和发展状况

摘要

纤维混凝土是一种新型的复合材料，是混凝土改性的最新的科研方向以及重要领域，玻璃纤维、钢纤维、合成纤维、碳纤维在混凝土改性中发展迅速。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。纤维和混凝土掺杂在一起后，使得混凝土的性能得到了很大提升，受到国内外科研领域的广发关注，在实际生产中有着重大的意义。

上个世纪初纤维混凝土开始逐步发展，其中钢纤维混凝土研究的时间最长，在工程上的应用也最为广泛。H.F.Porter在上世纪初就发表了关于短钢纤维增强混凝土的论文。到了20世纪40年代由于军事工程的需要，科学家先后发表了纤维混凝土的研究报告，但并没有从理论上解释纤维在混凝土中的增强原理，因而限制了这种复合材料在工程结构中的推广应用。纤维混凝土真正进入应用于工程的研究是在20世纪60年代初期。1963年美国的J.P.Romualdi等发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，首次提出了纤维的阻裂机理，才使这种复合材料的发展有实质性的突破，尤其钢纤维混凝土的研究和应用受到高度重视。随着纤维混凝土技术科学研究的不断进步，除去钢纤维混凝土的研究发展很快之外，其他的混凝土技术比如碳、玻璃、石棉等弹纤维混凝土研制也蓬勃发展，受到各国的重视。

关键词：纤维混凝土，复合材料，增强

纤维混凝土概况

这种优良材料纤维混凝土和普通混凝土相比较其抗拉、抗冲击、抗弯曲能力是相当突出的，解决了普通混凝土的脆性问题，展现出来很多优良的性能。[2]水泥诞生自英国，它是一位英国工匠发明的，从诞生之日起水泥混凝土发展迅速，时至今日混凝土俨然成为了人们最为广泛应用的一种建筑材料，，科学家在这上面的科学研究有很多。但是，尽管水泥混凝土的抗压强度虽然比较高，但是抗拉、抗冲击韧性、抗弯、抗裂能力不行，研究的初衷就是如何提高这方面的能力，使其在建筑上能使用的更加有效、更加安全。纤维混凝土，以混凝土、水泥净浆、砂浆作为基体材料，所以又可以称作纤维增强混凝土。纤维混凝土以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均匀的掺杂在水泥中，既可以浇筑又可以喷射，成为一种新兴的不同于普通混凝土的加强型材料。[1]

分布均匀的短纤维纤维掺入混凝土中其增强增韧，阻止裂变的效果突出。纤维与水泥基材料结合不仅改良性能而且还能延长寿命，一举两得，更能扩大在工程领域的使用范围。纤维在混凝土中有三个方面的作用：

（1）纤维在混凝土硬化与未硬化的阶段都起着阻止裂变的作用，也就是阻止微裂缝在水泥基体中扩展。水泥基体在浇筑一天后，由于所含有的水分流失蒸发，在收缩时产生应力，这时就容易产生裂缝，而分布均匀的具有塑性能力的纤维就阻止了应力的继续作用。当混凝土经过一段时间硬化后，有可能仍处于约束状态，由于温度与湿度的作用，收缩产生的拉应力会大于其本身的抗拉强度，生成大量裂缝，这时纤维的抗阻裂能力就又会体现出来。

（2）普通混凝土抗拉强度低，而且它的内部往往出现各种各样的缺陷，难于保证工程质量。但是当混凝土中加入分布均匀的长短纤维后，混凝土的抗弯、抗剪、抗冲击、抗疲劳、抗震、抗爆将得到提高。

（3）纤维混凝土在负载条件下，即便是混凝土开裂，纤维仍旧可以连接裂缝抵抗拉应力，使混凝土具有良好的增韧效果。韧性是表征材料抵抗变形性能的指标，一般用混凝土的荷载应变曲线下的面积来表示。

纤维混凝土的优良技术性能：纤维混凝土低重量高强度，是其他混凝土所不

能比的，这是纤维混凝土在建筑上实现经济化的前提；材料抗冲击和震动载荷的性能力，称为冲击韧性，掺杂纤维可以使得混凝土比普通的提高好几倍。提高收缩性能改善抗疲劳能力：纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能提高，掺有质量比为1.5%纤维时，抗弯疲劳寿命为1*106次，应力比为0.68而普通混凝土仅为0.51；仅再提高0.5%个百分点，即当掺有2%纤维混凝土抗压疲劳寿命可以提高一倍达到2*106次，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。[3]

纤维混凝土的分类，按纤维的材质：金属纤维、无机纤维、有机纤维天然纤维、合成纤维。按纤维的弹性模量：高弹性模量纤维、低弹性模量纤维。按纤维的长度：非连续的短纤维、连续的长纤维。应该指出，对纤维增强混凝土的分类尚不明确。有些国家将纤维增强水泥基复合材料与纤维增强混凝土等同。一般而言基体包括三种水泥净浆、水泥砂浆和混凝土。

自纤维混凝土诞生以来，科学家一直研究它的增强原理，纤维混凝土的增强原理，经过一个世纪不懈努力，逐步发展起来。目前，有两种理论对均匀的短纤维在混凝土中增强机理存进行了的解释[4]。首先是，美国的J.P.Romualdi提出的纤维间距机理。该理论是运用线弹性断裂力理论来解释纤维是如何约束裂缝的。这一理论认为混凝土内部本来就有缺陷，欲提高强度，必须减小缺陷的数量。提高材料的韧性并且还要降低裂缝的应力系数。再者，英国的Swamy Mamgat 等提出复合材料机理。[1]复合材料机理的理论基于复合材料构成的复合原理，将纤维混凝土看做是纤维强化体系，抗拉和抗弯强度在基体和纤维良好黏结的条件下进行计算。

纤维混凝土在工程中的实际应用：上海世博会期间，有一个法国馆，白色的表面混凝土结构用一种玻璃纤维加强混凝土材料，这种混凝土网格它的弯曲度、抗压、防风抗震性能优良，比起一般的混凝土要好。[5,6]

关于纤维混凝土存在的主要问题及目前纤维混凝土技术的研究发展方向以及纤维混凝土存在的主要问题。

改善纤维与水泥基之间的界面粘结：纤维混凝土的失效与其界面粘结有着重要的关系。陶粒和聚合物在改善界面粘结的性状时作用很大，适合的水灰比，加

入不同比重的硅灰和复合物也能调整界面结构，不同尺度和不同性质的纤维混合增强。[7]

掺入纤维后会使得混凝土的成本加大，性能也不够稳定。纤维一般用量大，其价格也高。混凝土中纤维掺加量大时，搅拌起来很困难，钢纤维容易暴露在外面，影响质量，影响施工进程，要想解决就要增加施工量，提高成本。钢纤维容易生锈，影响混凝土使用寿命和使用安全性。而玻璃纤维耐碱性差，在纤维增强混凝土领域中备受限制。由于钢纤维混凝土的价格高，阻挠了推广钢纤维普通混凝土路面，而且如果果施工不当，钢纤维的容易结团和裸露在混凝土路面的表面，钢纤维发生化学锈蚀，影响外观。

对混凝土用不同的纤维进行掺杂，使得混凝土具有多种相结构、多种组织成分，使得纤维在不同尺寸上形成非均匀的多层次结构。混凝土加入各种尺度和不同性质的纤维会使得其具有良好的综合性能，在水泥基中发挥各种不同尺寸纤维的综合效果，达到性能上取长补短的作用。[8]