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(遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000)

引言

纖維混凝土是近年來發(fā)展較快的新型復合材料。自20世紀70年代問世以來，引起了世界各國的廣泛關注，尤其是美、日、英、法等國家。近年來，我國的許多科研院所和高等院校對纖維混凝土也進行了大量的研究，并應用于工程實踐。纖維混凝土是以混凝土作為基材，均勻地摻入非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作為增強材料而形成的水泥基復合材料。通過纖維的物理力學性能來改善混凝土的內部結構，而不改變混凝土中各材料本身的化學性能，因而對混凝土的耐久性沒有影響。

混凝土具有較高的抗壓能力，但其抗拉能力和塑性性能極低，易發(fā)生脆性破壞。為了克服其缺陷，在混凝土中置入延性較好、抗拉能力強的鋼筋形成鋼筋混凝土構件。但要達到高性能混凝土(High Ptrformance Concrete，HPC)的要求，即保證混凝土的耐久性、工作性及各種力學性能，纖維混凝土便應運而生。

目前，常用的纖維混凝土有：鋼纖維混凝土(SFRC)、玻璃纖維混凝土(GFRC)、碳纖維混凝土(CFRC)及合成纖維混凝土(SNFRC)等。在我國很早就有將稻草拌入泥漿中制造土坯及土墻的歷史。利用纖維來改善混凝土的性能，可以使其有較高的抗拉及抗裂能力，能夠抑制塑性裂縫的產生，增強抗?jié)B水能力，因此它在世界范圍內被廣泛應用。主要用于建筑、交通、水利、礦山、冶金、軍事、耐火材料工業(yè)等方面。

1 纖維增強的機理分析

1.1 提高混凝土抗拉強度

目前，在混凝土中均勻任意分布的短纖維對混凝土抗拉強度的增強機理有兩種解釋模型：一種是美國Romualoli提出的“纖維間距機理”(又稱纖維阻裂機理)，根據線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫產生和發(fā)展的約束作用。認為在混凝土內部原來就存在缺陷，欲提高強度，必須盡可能地減小缺陷的程度，提高韌性，降低內部裂縫端部的應力集中系數(shù)。理論分析和試驗證明，當纖維的平均間距<7.6 mm時，纖維混凝土抗拉和抗彎初裂度均得到提高；二是英國的Swangat等提出的“復合材料機理”，其理論出發(fā)點是復合材料構成的混合原理，將纖維混凝土看作是纖維化體系，并應用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強度，提出了纖維混凝土與纖維摻入量、方向、長徑比以及粘結力之間的關系[1-9]。

1.2 延緩裂縫出現(xiàn)，提高韌性

混凝土在空氣中硬化會發(fā)生體積收縮。當收縮應力超出了混凝土本身的抗拉強度時，在混凝土內部便產生了微小的裂縫。在工程實踐中，由于缺少必要的防裂、抗裂措施，在外力的作用下，混凝土本身的微裂縫不斷擴展并互相搭接，最終形成了貫通裂縫，使結構的耐久性得不到保證，進而發(fā)展為結構破壞。

摻入纖維可以有效地延緩裂縫的發(fā)展。纖維以單位體積較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內部，故微裂縫在發(fā)展的過程中必然遭到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進一步發(fā)展，從而阻斷裂縫，達到抗裂的作用。纖維的加入猶如在混凝土中摻入巨大數(shù)量的微細筋，這些纖維筋抑制了混凝土的開裂進程，提高了混凝土的斷裂韌性[1]。

用纖維改善混凝土的性能主要是通過物理力學作用來改善混凝土內部結構，并不改變混凝土中各種材料本身的力學性能，也不影響混凝土的耐久性。

纖維混凝土是一種復合材料，復合材料是由若干種不同的材料組合而成，可最大限度地發(fā)揮出各種材料獨自的特性，并賦予整體以單一材料所不具備的優(yōu)良特性。混凝土本身也是復合材料，而在普通混凝土中摻加纖維，能夠充分發(fā)揮材料的抗拉強度，并能夠抑制混凝土中原有微裂縫的擴展，起到延緩裂縫的作用，提高基材的變形能力，進而改善了混凝土的韌性與抗沖擊性能。

1.3 纖維的要求

纖維應具有以下幾個特性：高抗拉強度，與水泥基材的抗拉強度相比，至少要高2個數(shù)量級；高彈性模量，纖維與水泥基材的彈性模量比值越高，則受荷時纖維分擔的應力也越大；高變形能力，與水泥基材的極限延伸率相比，至少要高1個數(shù)量級；低泊桑比，一般宜≯0.40；高耐堿性，不受水泥堿性水化產物的侵蝕；高粘結強度，纖維與水泥基材的界面粘結強度一般應≮1 MPa。

纖維的發(fā)展及應用極其迅速。目前，國內生產各種纖維的廠家很多，美國的杜拉纖維在我國也得到了廣泛應用。

杜拉纖維(Durafiber)是美國希爾兄弟化工公司的產品。它是一種以聚丙烯為原料，以獨特工藝制造的高強聚丙烯單絲纖維，可以極有效地控制混凝土(砂漿)塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止和抑制裂縫的形成及發(fā)展，大大改善了混凝土的阻裂抗?jié)B性能、抗沖擊和抗震能力[5-8]，被大量使用于地下工程防水、工民建工程屋面、墻體、地坪、水池等以及道路和橋梁工程中，其顯著效果已被大量的實踐所證明。

2 纖維的應用

2.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維主要有碳素鋼纖維以及不銹鋼纖維。目前，國內制備鋼纖維混凝土用于承重結構使用的是普通鋼纖維，主要使用低碳鋼的鋼纖維，而制備鋼纖維耐火混凝土則必須使用不銹鋼纖維。鋼纖維通常以短纖維的形式亂向隨機分布于混凝土或水泥砂漿基體中，而利用電效應定向分布鋼纖維的方法因費用昂貴等原因仍停滯于研究階段。鋼纖維混凝土結構以其優(yōu)良的物理力學性能，在土木、水利、建筑等各個專業(yè)領域得到了廣泛應用。國內各生產廠家已生產出各種型號、規(guī)格的鋼纖維，廣泛應用于各類混凝土工程，但鋼纖維混凝土的成本比較高。

2.2 玻璃纖維混凝土

由于硅酸鹽水泥的水化產物對中堿與無堿玻璃纖維有強烈的侵蝕，因此工程中使用的主要是抗堿玻璃纖維，其有較好的耐火性、抗沖擊性，其長期耐久性正在進一步考查，現(xiàn)階段主要用于制作非承重與次要承重的構件或制品。

2.3 碳纖維混凝土

碳纖維是一種高性能纖維，具有很高的抗拉強度和彈性模量。其化學性質穩(wěn)定，與混凝土的粘結性能良好。目前，我國的碳纖維研制與生產還處于較低水平，主要表現(xiàn)在：一是性能不是很穩(wěn)定，離散系數(shù)相對較大，與國外同類纖維相比要大1倍；二是國產碳纖維大部分表面未經過處理，制成的復合材料剪切強度偏低，不能用作有高性能要求的復合材料增強劑；三是價格偏貴，成本組成需要改變。

上海某混凝土碳纖維布有限公司生產的碳纖維布(Carbon Fiber Cloth)用于結構的修復、補強的效果較好。

2.4 合成纖維混凝土

合成的聚合纖維是一種有機聚合物，在硅酸鹽水泥混凝土中進行過試驗并使用的聚合纖維有：聚丙烯尼龍(酰胺纖維)、聚酯和聚乙烯等。以聚丙烯為代表的如中國紡織科學研究院自主研制開發(fā)的抗裂合成纖維(CTA Fiber)系列產品。

CTA Fiber砂漿混凝土抗裂合成纖維是用于水泥砂漿及混凝土中的次要加強筋，其材料為100%的改性聚丙烯，能夠提高混凝土的抗裂性能，提高混凝土的防水、抗?jié)B能力，增強結構的抗沖擊及抗震能力，增強抗凍能力等，適用范圍廣泛。例如濟南某公司生產各種的纖維繩、聚乙烯圓絲繩(PE Round-silk Rope)、聚丙烯等系列產品。TH-Ⅰ和TH-Ⅱ型高強聚丙烯復合水泥增強纖維網作為混凝土的增強材料，在全國各地建筑工地均有使用。鞍山某碳纖維公司以石油瀝青為原料批量生產碳纖維，價格低廉。

活性碳纖維(Activated Carbon Fibers)主要用于空氣凈化、廢氣與廢水處理、放射性吸附以及防毒、防化服、防毒面具等。瀝青基碳纖維(Pitch-based Carbon Fiber)則用于摩擦、增強防電、防磁材料等。

聚乙烯纖維的彈性模量低，因而對其的研究也較少。

3 結語

目前，纖維混凝土已最大限度地應用于工程實際中，并按照不同的工程設計要求，選用不同性能及摻量的纖維。如飛機跑道、地鐵、公路、橋梁、核反應堆外殼、隧道等場所。在建筑物中主要用于受力核心部位，如框架結點、樁尖、樁帽等部位。在大體積混凝土中也得到了廣泛應用，例如用于結構防水及補強。隨著纖維混凝土研究及工程應用的不斷深入，纖維混凝土的應用前景會更加廣闊。

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