纖維混凝土存在的問題與玄武巖纖維應用分析

摘要：總結分析了纖維增強混凝土的作用機理、影響因素和目前存在的主要問題。新近開發(fā)研究的新型玄武巖纖維具有優(yōu)異性能，并且被認為是富有希望的新型礦物纖維。結合當前的研究發(fā)展情況，認為玄武巖纖維在纖維混凝土中將起重要作用。

　　關鍵詞：纖維混凝土；玄武巖纖維；應用分析

　　0引言

　　混凝土是一種多相復合材料、各組成材料性質差異、并且受施工養(yǎng)護影響，混凝土內不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。加入摻合料和化學外加劑，提高混凝土的密實性和強度，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，它們的抗拉強度與抗壓強度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點[1]。并且隨著強度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點之一。纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題[1]。同時，也能夠適應現(xiàn)有施工水平和設備條件。

　　1纖維在混凝土中作用的機理

　　纖維的阻裂效應是纖維作用的主要方面。早期混凝土和硬化混凝土性能不同，纖維取的作用及其效果也不同。因此，纖維作用機理可以從早期混凝土和硬化混凝土兩個階段論述。

　　1.1早期混凝土中纖維的作用

　　混凝土中摻入一定量的纖維攪拌時，纖維在混凝土內部能構成一種均勻的亂向支撐體系承托骨料，產(chǎn)生一種有效的二級加強效果，阻礙了沉降裂縫的產(chǎn)生與集料的離析、減少了離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展。混凝土成型后，水泥和水發(fā)生水化反應以及水分蒸發(fā)、產(chǎn)生塑性收縮，此時混凝土的抗拉強度低，收縮容易產(chǎn)生裂縫。在混凝土中摻入纖維后，纖維在混凝土中亂向分布，纖維的彈性模量相對于混凝土塑性漿體的較高，依靠纖維材料與水泥漿之間的界面吸附粘結力，將一部分收縮能量分散到纖維單絲上，增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強度，從而抑制混凝土微細裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了混凝土的密實。表層材料中存在纖維，也使其水分遷移較為困難，從而使毛細管失水收縮形成的毛細管張力有所減少，減少了水分的蒸發(fā)，降低了材料表面的析水，提高了混凝土的保水性能。

　　1.2纖維在硬化混凝土中阻裂作用

　　硬化混凝土在荷載作用下，原有裂縫逐步擴展同時引發(fā)新的裂縫。當微裂縫的長度小于纖維間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維生成更微細的裂縫場，也能阻礙荷載裂縫的形成和擴展，起增強增韌的作用。在荷載作用下，裂縫進一步擴展，當微裂縫長度大于纖維間距裂縫發(fā)生時，其前端與纖維相交，纖維將跨越裂縫，起傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內的應力場更加連續(xù)、均勻，微裂縫尖端的應力集中得以緩和，裂縫的進一步擴展受到約束。

　　如果纖維摻過少，纖維間距較大，纖維還未發(fā)揮其阻裂效應，混凝土就可能已經(jīng)破壞。依據(jù)多縫開裂理論，當纖維摻量大于臨界體積率時，纖維將承擔全部荷載，并有可能產(chǎn)生多縫開裂現(xiàn)象。在多縫開裂時，裂縫間距變小、數(shù)量增多、裂紋更細，從而提高了復合材料的韌性，改變了應力－應變狀態(tài)。對于低彈性模量的纖維在混凝土能吸收破壞能量，延緩混凝土破壞速度，分散了破壞程度，表現(xiàn)為多縫開裂方式。

　　與此同時，纖維是一種不連續(xù)的分散相、摻入混凝土中后使材料界面增加，并且纖維表面易吸附水分、影響了界面性能、可能降低混凝土強度。纖維表面對水分的吸附以及纖維的粘滯作用也導致了混凝土流動性的降低。

　　2纖維在混凝土中作用的影響因素

　　混凝土質量穩(wěn)定，是纖維混凝土應用的前提之一。纖維的作用受施工過程、組成材料等影響波動較大，并且影響到纖維混凝土的質量。

　　2.1與纖維有關參數(shù)的影響

　　首先，纖維必須具有較好的耐堿性?；炷了蟪蕢A性，纖維不受水泥水化物的侵蝕才能發(fā)揮其物理效應。其次，纖維具有比較高的抗拉強度和較大的變形能力。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，與水泥基體相比，抗拉強度至少要高出兩個數(shù)量級，極限延伸率至少要高出一個數(shù)量級[2]。再次，纖維應該滿足長徑比的要求并且具有合適的尺寸規(guī)格。纖維長度與直徑的比值大于臨界值時才能保證足夠的粘結力，對水泥基體產(chǎn)生增強效應。纖維過長，在攪拌過程中較易成團。在均勻分散的前提下，纖細而挺實的纖維界面層的疊加效應尤為顯著[3]，具有更好的抗裂、增強性能，但是過細的纖維對強度影響不利。最后，纖維應滿足合適摻量的要求。纖維摻量太少，纖維起不到阻裂的作用。纖維摻量過多使混凝土和易性變差，同時，過多的界面使內部界面微裂紋增多，混凝土基體強度性能反而下降。

　　2.2施工方式的影響

　　纖維混凝土中纖維應具有良好的分散性、不結團、不成束，這樣纖維才能在實際的混凝土工程中推廣應用。不同的施工方式，對纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。強制式攪拌時間過長，葉片較容易損傷纖維，所以應合理控制攪拌時間。近幾年來，也有地方研究開發(fā)了專門的纖維混凝土攪拌機。在采用振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會產(chǎn)生平行于骨料、模板或振搗設備表面的“邊緣效應”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應該盡可能提高纖維混凝土的自密實能力。

　　2.3配合比的影響

　　與普通混凝土的配合相比，纖維對混凝土配合比的影響具有以下特點：

　　骨料間的空隙率增加。1m3混凝土中摻入1%體積率的鋼纖維時，纖維的堆積體積占0.12m3是其絕對體積的12倍[4]。所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

　　纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應采用較高的單位水泥用量。纖維之間交錯搭接阻礙了骨料間的相對滑移，同時將吸附部分拌和水，使拌和物變稠，流動性下降。

　　選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結構的薄弱處，也是最先發(fā)生破壞的地方。如果纖維長度大于最大公稱粒徑時，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發(fā)揮纖維的增強、增韌作用[4]。集料粒徑大于平均纖維間距，將導致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。骨料粒徑小，使得單位用水量增加，水泥用量增大。有學者提出，骨料的合適粒徑應與纖維間距理論相匹配[5]。

　　各影響參數(shù)的影響程度，不同的試驗條件下得出的試驗結論差別較大。深入研究它們之間的相互關系，有利于得出準確的結論，推動技術標準的制定和促進工程應用。

　　3纖維混凝土目前存在的主要問題

　　3.1理論研究和微觀分析相對滯后

　　纖維增強理論主要是基于主拉應力和纖維阻裂進行分析，而實際工程混凝土是處于復雜應力和變形條件下。相關理論缺少具體的數(shù)值指標，并且不同試驗結果的誤差較大。纖維與水泥基體的界面狀況是影響纖維混凝土性能的關鍵環(huán)節(jié)，也認為是導致纖維混凝土強度降低的主要原因。受研究手段的制約，對纖維混凝土微觀作用和影響因素的研究結論較少。

　　3.2纖維本身的不足

　　目前研究較多的主要是鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維和近年來的植物纖維混凝土等[6]。這些纖維具有以下特點：