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(guó)學(xué)者紛紛開(kāi)展了增強(qiáng)增韌水泥混凝土的研究，其中利用纖維增強(qiáng)增韌水泥混凝土引起了研究人員的廣泛關(guān)注。　　

為了降低水泥混凝土因裂縫導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，各國(guó)學(xué)者紛紛開(kāi)展了增強(qiáng)增韌水泥混凝土的研究，其中利用纖維增強(qiáng)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(shí)代，草筋粘土磚和紙筋灰是最早的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。美國(guó)在1990年和1991年舉行了纖維增強(qiáng)混凝土的專題報(bào)告會(huì)，拉開(kāi)了纖維增強(qiáng)混凝土研究的序幕；1995年韓國(guó)舉行了纖維增強(qiáng)水泥混凝土的專題報(bào)告會(huì)，1996年在中國(guó)北京舉行了第三屆國(guó)際水泥混凝土報(bào)告會(huì)，表明纖維增強(qiáng)混凝土的研究與應(yīng)用已經(jīng)國(guó)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(kāi)發(fā)出了多種水泥增強(qiáng)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(qiáng)度、高韌性、高耐久性的纖維增強(qiáng)增韌水泥混凝土取得長(zhǎng)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(guó)際趨勢(shì)。在國(guó)外，纖維增強(qiáng)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(guó)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(duì)水泥混凝土的增強(qiáng)效果，安徽皖維公司將維綸用于增強(qiáng)混凝土，東華大學(xué)對(duì)水泥增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和剛性。

　　水泥混凝土增強(qiáng)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(guò)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(guò)程中的塑性收縮，提高構(gòu)件的耐沖擊力，延長(zhǎng)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(qiáng)二者之間的有效粘結(jié)，提高增強(qiáng)增韌效果；④表面涂層改性纖維，利用有機(jī)或無(wú)機(jī)化合物處理或涂層，改善纖維在混合過(guò)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(qiáng)機(jī)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(xiàng)排列。該混凝土的強(qiáng)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(qiáng)度公式為：
　　　　σc=σfVf+σmVm
式中
σc—復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度
σm—基體的抗拉強(qiáng)度
σf—纖維的抗拉強(qiáng)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(jiǎn)單的對(duì)纖維和水泥基體力學(xué)性能加合，并沒(méi)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(duì)亂向短鋼纖維增強(qiáng)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(qiáng)機(jī)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(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)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(qiáng)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(jì)算公式。

　　纖維間距理論盡管只強(qiáng)調(diào)間距對(duì)纖維增強(qiáng)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(duì)纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)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(duì)纖維增強(qiáng)作出了解釋。在實(shí)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(shí)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(qiáng)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(kuò)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(qiáng)度。纖維隨機(jī)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(duì)裂縫產(chǎn)生約束作用，阻止裂縫擴(kuò)展，提高水泥混凝土的強(qiáng)度。
　　　Tjiptobroto等[5]研究了高體積率鋼纖維增強(qiáng)的DSP材料，當(dāng)鋼纖維的體積率為12%時(shí)，DSP的極限拉應(yīng)變可由0.015%增至0.2%，與此同時(shí)抗壓強(qiáng)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(guò)程中形成的張力，從而延緩水泥固化過(guò)程中微裂紋的形成和擴(kuò)散，提高水泥混凝土的抗凍性。戴建國(guó)[6]指出，在混凝土中加入聚丙烯纖維，按混凝土抗凍試驗(yàn)方法，經(jīng)25次反復(fù)凍融，無(wú)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(shí)驗(yàn)表明，摻入聚丙烯纖維的混凝土經(jīng)24小時(shí)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(shí)形成的張力。在水泥混凝土收縮時(shí)，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(yàn)規(guī)程，采用TMS－04型水泥膠砂耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，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(qiáng)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(guó)倫比亞大學(xué)所作做的抗沖擊試驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)增韌的目的。