高性能纤维混凝土在工程结构中的应用

高性能纤维混凝土在工程结构中的应用 摘 要：本文主要介绍了现阶段结构工程建设中最新发展起来的的一类改善材料―高性能纤维混凝土。概述其进展和不同类型的高性能纤维混凝土的特点，针对在结构工程中的应用和试验得到不同类型的高性能纤维混凝土的特点及存在的缺陷并提出改善的建议，为未来混凝土材料的发展特别是高性能混凝土提供方向。

关键词：高性能；纤维混凝土；结构 Abstract：This paper mainly introduced a kind of newly developed and improved materials of high performance fiber concrete in the present structural engineering. Summary its progress and the characteristics of different types of high performance fiber concrete， and analysis the application in structural engineering which can get the flaws of the different types of high performance fiber concrete then put forward the improvement suggestions， so that provides direction for the development of concrete material， especially high performance concrete in the future. Keywords：high-performance； fiber concrete； structure 1 前言 合成材料改进的高性能混凝土材料是现今工程结构中应用最广泛的一种的建筑材料，在水利和土木行业占有极重的分量。我国正处于改革转型的重要时期，“十二五”计划的提出对我国工程建设提出了新的要求，作为工程建设的基础―水泥材料已经作为一个专项列入了发展规划，发展绿色环保，多功能，高品质的工程材料将成为未来的发展方向。由于普通混凝土存在强度低，易脆性破坏等特点，1950年左右高强混凝土开始被工程采用，但其抗裂性能比较差，且耐高温性能差，引发了新一轮的水泥混凝土复合材料的研究热潮，科学研究表明在混凝土中掺入纤维可以有效降低混凝土的高温易爆特点并改善裂缝的发展。 纤维混凝土是指掺有离散状的纤维（或其它形状） 的普通水泥砂浆或混凝土的增强型复合材料[1]。高性能则不仅仅掺入了纤维，更是添加了硅灰和粉煤灰等使混凝土的强度大幅提高的同时也解决了其脆性问题，纤维材料的不同将直接决定复合材料的工作性能。 2 高性能纤维混凝土 高性能纤维混凝土作为一种新型的高性能复合增强材料在不断发展，形成了以下几种极具优势的新型高性能纤维混凝土材料。 2.1 钢纤维混凝土 钢纤维混凝土（简称SFRC）是在普通混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配筋的混凝土[2]。钢纤维混凝土对抗弯、抗剪、抗扭强度等有明显的改善作用。钢纤维混凝土的延性比素混凝土高很多，在裂缝发展的过程中不会突然断裂。由于钢纤维约束裂缝的发展，在一定程度上抑制了碳化作用，同时钢纤维面积大对于采取保护措施的结构构件效果比普通钢筋混泥土要明显，因此其耐久性提高较普通钢筋混凝土好。钢纤维本身不耐腐蚀，因而特殊环境下要采取保护措施。 多用于水利大坝、机场道路、桥梁、公路以及高层结构和地下工程等方面作为承重和面板结构。大型水利设施葛洲坝的泄水闸门采用了钢纤维混凝土。我国江苏石舀港码头的轨道梁工程中也使用了钢纤维混凝土。钢纤维混凝土随着施工工艺的发展，在结构加固上由于喷射技术的引进也有着重要作用。 2.2 碳纤维混凝土 高性能碳纤维混凝土主要是指将碳纤维加入到轻集料组成的水泥混凝土基体中制成的增强混凝土基复合材料。我国于2003年开始使用的《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》成为今后碳纤维加固工程的行业规范[3]。 碳纤维混凝土中加入碳纤维，可以显著提高抗拉、抗压、冲击韧性，改善混凝土的干缩性能，提高混凝土的耐久性，相比钢纤维更耐腐蚀。碳纤维具有较高的热传导系数，因此把碳纤维混凝土作为火灾易发区的监控传递载体。碳素纤维混凝土具有良好的导电性能，其电阻率与温度以及压力有相关性。由于碳纤维混凝土是一种复杂的复合材料，其作用机理比较复杂，现阶段研究得到的温敏和压敏特性规律并不能大范围适用。 由于其具有温敏和热敏效应，长用于重要需要监控的结构中如桥梁、大坝、隧道、特殊环境中的结构物。广州番禺龙湾大桥的加固，使碳纤维混凝土布与混凝土达到固化，增加钢筋混凝土的强度，改善结构的受力状态。如今也有学者开始利用碳纤维混凝土的智能效果，用来调控温度，减轻温度引起的裂缝以及应力集中。 2.3 玻璃纤维混凝土 玻璃纤维与混凝土的粘结性比钢纤维效果好，玻璃纤维可以很细，几乎能与混凝土成一个整体。提高了普通钢筋混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击性，抗压性能提高有限。玻璃纤维混凝土，形成的高性能混凝土，其制作材料简单，取材方便。玻璃纤维混凝土的废物特别适合于循环处理。但玻璃纤维混凝土对裂缝的约束有限，其延性的增强明显低于前两种类型的纤维混凝土。但其对早期混凝土干缩裂缝无明显抑制作用。 高性能玻璃纤维混凝土主要应用于非承重构件。淮南田集电厂专用线范围内袁庄路下穿铁路，立交桥箱顶面采用玻璃纤维混凝土，该工程施工玻璃纤维均匀分布在混凝土中，易于施工，可成型各种形状的制品，防干缩性裂缝较好[4]。 2.4 矿物纤维混凝土 矿物纤维混凝土主要是指采用矿物原材料制成的纤维状与混凝土混合成的复合材料。例如，玄武岩纤维是指由纯天然玄武岩矿石经高温熔融后，通过铂锗合金拉丝漏板制成，其原材料主要采自于火山矿物，因此其性能稳定，抗高温，耐腐蚀。矿物纤维混凝土中除玄武岩纤维还出现了一种新型―水镁石矿物纤维混凝土，水镁石纤维具有优良的力学性能、抗碱性能、水分散性能及环境安全性，与水泥具有很好的相容性和结合强度[5]。经研究表明玄武岩纤维可能在混凝土内形成通道，降低其抗渗性能。但其对于高强混凝土的抗压强度提高并不明显。 玄武岩纤维不需要特殊添加与混凝土有很好的相容性，可广泛应用于消防建筑、桥梁、机场道路及公路等军工民用领域以及水利设施中的建筑、加固修复，以及处于恶劣环境中的工程结构。湖南省宁道高速公路路面采用玄武岩纤维加入混凝土中制约普通混凝土干缩时容易发生的裂缝[6]。 2.5 有机合成纤维混凝土 有机合成纤维，主要是指一些聚合物类似塑料之类的纤维化合物。主要用来提高混凝土的韧性和延性以及水工防渗。最新发展起来的具有广阔前景的是聚乙烯醇纤维混凝土。PVA纤维具有良好的亲水性和分散性能，能比较均匀地分散在混凝土中，因此方便施工，但其耐高温性能差。 欧美以及日本等国已开始在路面、桥面、隧道、水电站、机场以及建筑墙体中使用，并用于结构修复和加固。由于水利大坝容易出现劈裂破坏，PVA纤维混凝土的抗劈拉效果好，因此在修筑心墙是采用PVA纤维混凝土能增加结构的安全性。位于京杭运河的大王庙至淮安段的皂河三线船闸，其闸室墙体采用具有高强度和高弹性模量的聚乙烯醇纤维混凝土，以减小由于多变截面，大体积易水化热和不均匀沉降产生的开裂，以及营运期间的外界冲击荷载等，这是聚乙烯醇纤维混凝土在水利工程中的一成功应用，经过一年多的营运证实到达了设计要求[7]。 3 建议及展望 纤维的加入改善了混凝土易脆性开裂等的缺陷，并在不同方面增强了混凝土的力学性能。水泥的制作容易产生污染，在绿色环保环保的要求下，工程材料势必向高性能发展，因而纤维混凝土作为一种新型复合材料结合高性能混凝土在工程结构中具有较高的发展潜力。通过对其发展现状的分析，结合工程结构以及环境的需要，高性能纤维混凝土的发展需要考虑以下几个问题： 1.高性能纤维混凝土的力学及破坏机理的研究。如何得到纤维混凝土的准确的破坏机理以及设计准则是使用高性能纤维混凝土的前提。 2.多种纤维的混合使用。纤维品种较多，各自具有其优势，如何将几种纤维的优势合并，已有学者将两种纤维混杂在一起形成复杂纤维混凝土，但力学性质还不稳定，构造复合稳定的高性能纤维混凝土是发展的趋势。 3.提高其经济效益。纤维混凝土虽然能提高混凝土的力学性能，但其造价较高，因此许多工程结构仍使用普通钢筋混凝土，如何降低纤维混凝土的单价是其广泛应用的一个重要因素。 4.纤维混凝土材料的回收利用。高性能纤维混凝土的基料仍是混凝土，工程建设需要大量的水泥，水泥的制作对环境影响很大。已有针对再生骨料的研究，对废旧混凝土进行二次利用，但再生混凝土性质不稳定。高性能纤维混凝土绿色可持续化发展势必与再生混凝土联系起来，因此研究再生混凝土并应用在纤维混凝土中是发展高性能纤维混凝土的最终选择。 参考文献 [1] 关于钢纤维混凝土的一般说明[J]. 国外桥梁. 1977（02）： 33-35. [2] 白振鑫. 关于钢纤维混凝土的探讨[J]. 河南建材. 2011（02）： 130-131. [3] CN-CECS.碳纤维片材加固混凝土结构技术规程[S]，