合成纖維在混凝土中的效果和機(jī)理綜述--工程用合

    摘要：綜述了國(guó)內(nèi)外科研人員對(duì)合成纖維在混凝土中所起作用的研究狀況，其中包括對(duì)混凝土的抗塑性收縮、抗?jié)B性、抗凍性、抗沖擊性、抗腐蝕性和對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度影響的理論機(jī)理及使用時(shí)注意事項(xiàng)。
    關(guān)鍵詞：混凝土；合成纖維；抗裂
    中圖分類號(hào)：TU528.57     文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
    混凝土是一種抗壓強(qiáng)度大而抗張強(qiáng)度相對(duì)較低的脆性材料。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)水泥混凝土這一最大宗建筑材料提出了更高的要求，它正朝著高強(qiáng)度、高韌性、高阻裂、高耐久性、高體積穩(wěn)定性和優(yōu)工作性的方向發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，在水泥基體中隨機(jī)分布一些合成纖維是提高混凝土的韌性、耐沖擊性、抗?jié)B性及耐收縮斷裂性的有效途徑。各種可用的纖維，如鋼纖維、合成纖維、天然纖維已被應(yīng)用于混凝土。本文旨在綜述合成纖維在混凝土領(lǐng)域的增強(qiáng)效果機(jī)理。
1 用于增強(qiáng)混凝土的合成纖維種類及性能指標(biāo)
　　常用于增強(qiáng)混凝土的合成纖維有：聚丙烯（PP）纖維、聚酯纖維、聚酰胺（PA）纖維高強(qiáng)高模聚乙烯（PE）纖維、芳香族聚酰胺纖維、聚丙烯腈纖維等。其性能指標(biāo)見表1。

表1　常用纖維性能指標(biāo) 
Table 1 The properties of fiber

2 合成纖維應(yīng)用于混凝土中的增強(qiáng)效果和機(jī)理
　　大量實(shí)驗(yàn)表明，在混凝土中加入少量的合成纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度變化不大，而對(duì)混凝土的抗彎強(qiáng)度、塑性收縮、抗?jié)B性、抗凍性、抗沖擊性、抗腐蝕性有明顯提高，表2是水利部長(zhǎng)江科學(xué)院在混凝土中摻入聚丙烯纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比。其中聚丙烯纖維為中國(guó)紡織科學(xué)研究院的CTA
Fiber，抗拉強(qiáng)度：500MPa，直徑：48μm，長(zhǎng)度：19mm，斷裂伸長(zhǎng)率：18.2%。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以對(duì)比 
Table2 Comparison of test results

2.1　合成纖維的摻入對(duì)混凝土塑性收縮的影響（抗裂性）
　　合成纖維摻入到混凝土中對(duì)混凝土的最大影響是大大提高了混凝土的抗裂性，水泥砼裂縫的產(chǎn)生主要有兩個(gè)原因：（一）混凝土在拌料過(guò)程中有大量的水化熱產(chǎn)生，在混凝土澆搗成型過(guò)程中必然受到熱脹冷縮的效應(yīng)作用。在混凝土澆搗成型過(guò)程中料與料之間主要靠表面間的吸附力作用，所以表面積大的吸附力也較大。混凝土在成型過(guò)程中，我們可以看成是較大表面積的料體（如卵石）吸附表面積較小的料體形成的單體的集合。單體與單體之間的吸附力必然小于單體內(nèi)部的吸附力。在混凝土成型過(guò)程中受熱脹冷縮的作用必然總體積要減少，致使混凝土在成型過(guò)程中收縮，這種收縮又受到基底、模板等的作用，使得混凝土的收縮不可能以某點(diǎn)為中心四周收縮，而是以單體為單位收縮，這樣單體與單體之間不可避免地也現(xiàn)裂縫。（二）混凝土在澆搗以后，由于脫水產(chǎn)生收縮，這種收縮受到基底、模板和鋼筋等不同程度的約束作用，因而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力。所以混凝土產(chǎn)生了不同程度的塑性裂縫。
　　 為了抑制早期裂紋的生長(zhǎng)，必然要使得單體與單體之間的吸附力增大使之趨于一個(gè)整體，使混凝土內(nèi)部能很好的傳遞消耗基底、模板和鋼筋在混凝土成型過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在混凝土中摻入少量的合成纖維就很好地做到了這一點(diǎn)。由于合成纖維是一種較低彈性模量纖維，纖維自身柔韌性很好，且摻入到混凝土中能很好地分布在混凝土中形成一種三維亂向支撐網(wǎng)。在單體與單體內(nèi)部形成一種（橋梁）結(jié)構(gòu)，它既能很好增大混凝土形成過(guò)程中單體之間的吸附力，又能很好地吸收基底、模板和鋼筋在成型過(guò)程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力。所以在混凝土中摻入少量的合成纖維能很好地阻止在混凝土澆搗成型過(guò)程中裂縫的產(chǎn)生，從而對(duì)混凝土的抗裂性有很好的效果，并且隨著摻入量的增加效果更好。表3是素混凝土和不同體積摻量聚丙烯纖維混凝土的抗裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3　不同摻量纖維混凝土抗裂效果對(duì)比 
Table3 Cracking—resistance test results

注：　1.此實(shí)驗(yàn)用聚丙烯性能指標(biāo)為：直徑：48mm，長(zhǎng)度：19mm，抗拉強(qiáng)度：276MPa，類型：束狀型
　　　 ，拉伸極限：15%，比重：0.91彈性模量：3793MPa，長(zhǎng)徑比：396
　　　2.此實(shí)驗(yàn)采用的數(shù)值對(duì)應(yīng)為：d≥3mm，3mm>d≥2mm為2，2mm>d≥1mm為1，1mm>d≥0.5mm為0.5，d>0.5mm為0.25
　　 從上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在砂漿中加入體積摻量分別為0.05%和0.10%的聚丙烯纖維后，砂漿的抗裂性能有明顯的改善。其裂縫減少分別達(dá)到65%和75%。并且裂縫的產(chǎn)生趨于細(xì)化。
2.2纖維摻入混凝土對(duì)其抗?jié)B性的影響
　　一種物體的滲水性可歸結(jié)為兩種情況的組合：①是由物體中的毛細(xì)管現(xiàn)象產(chǎn)生的微滲水。②是物體中的大孔隙和裂隙產(chǎn)生的宏滲水。在混凝土中加入少量的合成纖維，纖維在混凝土中能很好地均勻分布且與混凝土的粘合性很好，在混凝土澆搗成型過(guò)程中增加了混凝土內(nèi)部的束縛力，從而減少了混凝土在成型過(guò)程中大孔隙和裂隙的產(chǎn)生，減小了宏滲水，在混凝土中加入少量的合成纖維，在混凝土的成型過(guò)程中因?yàn)槔w維的摻入增加了其內(nèi)部的束縛力，從而使混凝土構(gòu)件成型后的機(jī)構(gòu)更加緊密，從而有效地減少了微滲水的產(chǎn)生。所以，合成纖維摻入到混凝土中對(duì)其抗?jié)B性有很大的提高。表4是水利部長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)摻有0.1%體積率的聚丙烯纖維的混凝土和未摻纖維的混凝土進(jìn)行抗?jié)B對(duì)比實(shí)驗(yàn)。所用混凝土的配合比與表2相同。可以看到少量的纖維摻入到混凝土中就能很好地改善其滲水性。

表4　抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果 
Table4 Seeping resistance test results

2.3 纖維摻入混凝土對(duì)其抗凍融性和抗化學(xué)侵蝕性能的影響
　　混凝土在凍融條件下產(chǎn)生較大的膨脹壓力，易使混凝土開裂和原有裂隙擴(kuò)展。在混凝土中摻入少量的合成纖維，雖然摻入量較小，由于纖維條干較細(xì)，且能很好地在混凝土中均勻分布，單位面積的纖維數(shù)量較多，這樣纖維能起到一個(gè)很好的約束作用，抵抗凍融和化學(xué)侵蝕時(shí)的膨脹力。同時(shí)，纖維的摻入大大提高了混凝土的抗?jié)B性，這樣便阻得了化學(xué)物質(zhì)的滲入，大大提高了混凝土的抗化學(xué)侵蝕性能。表5及圖1是纖維混凝土與素混凝土的抗凍性和抗化學(xué)侵蝕性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表5 抗凍試驗(yàn)結(jié)果 
Table5 Freezing resistance test results

　　從表5的結(jié)果可知，經(jīng)過(guò)50次和100次的凍融循環(huán)，纖維增韌高性能混凝土試樣與普通混凝土試樣相比，其重量損失和強(qiáng)度損失均大為減少，說(shuō)明纖維增韌高性能混凝土具有很強(qiáng)的抗凍性。從圖1結(jié)果可知，在50%（WT）Na2SO4溶液侵蝕后，纖維增韌高性能混凝土和基準(zhǔn)普通混凝土試件都發(fā)生了膨脹，但纖維增韌高性能混凝土試件抗硫酸鹽侵蝕能力明顯改善，這說(shuō)明纖維的摻入提高了混凝土抵抗化學(xué)侵蝕的能力。
2.4纖維摻入混凝土中對(duì)其抗沖擊性的影響
　　 抗沖擊性是指物體受到?jīng)_擊時(shí)，抵抗沖擊對(duì)其造成的破壞能力。物體抗沖擊能力的好壞由三方面決定，即由物體瞬時(shí)能承受的最大沖擊力、物體吸收、傳遞沖擊能量的多少?zèng)Q定。物體瞬時(shí)能承受的最大沖擊力由物體本身的強(qiáng)度所決定。在混凝土中摻入少量的合成纖維對(duì)混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度有不同程度的提高，從而混凝土構(gòu)件的抗瞬時(shí)最大沖擊力得以提高。在混凝土中摻入少量的合成纖維能使混凝土的韌性有很好的提高，韌性是提高使混凝土受沖擊時(shí)，纖維混凝土較素混凝土能更好的積蓄沖擊時(shí)帶來(lái)的能量，使能量慢慢的釋放，這樣纖維混凝土較素混凝土因能量釋放過(guò)快而造成的破壞要小得多。混凝土中摻入合成纖維，在混凝土受到破壞時(shí)，合成纖維仍具備一定的荷載傳遞效應(yīng)，這樣也對(duì)混凝土的抗沖擊性有利。

表6 抗沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果 
Table 6 Impact--test results

　　表6是鋼球沖擊法測(cè)得的素混凝土與合成纖維混凝土抗沖擊性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　 從上表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，纖維的摻入使混凝土的抗沖擊性得到了很大的提高，且隨著纖維量的增加而提高。

2.5纖維摻入到混凝土中對(duì)其抗沖刷耐磨性能的影響
　　眾所周知，物體的尖端在外力的作用下容易被破壞，而物體的破壞總是從其最薄弱環(huán)節(jié)開始，慢慢擴(kuò)展。混凝土構(gòu)件的裂縫就好像構(gòu)件的尖端和最薄弱環(huán)節(jié)，混凝土構(gòu)件在水沖刷和外力磨損作用下的破壞總是從裂隙處開始，且裂隙越大越容易被破壞。合成纖維摻入到混凝土中具有很好的抗裂作用，在混凝土澆搗成型的過(guò)程中很好地減少了裂縫的產(chǎn)生，從而減少了混凝土構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)的形成。所以，合成纖維摻入到混凝土中對(duì)混凝土的抗沖刷耐磨性有很大的提高。表7是在混凝土中摻入0.05%體積合成纖維的抗沖耐磨和彈模檢測(cè)結(jié)果。

表7 彈性模量及抗沖耐磨性能 
Table7 Elastic modulus and the properties in scouring and wearing

　　從上表看出，無(wú)論摻入何種纖維，混凝土摻入纖維后的抗沖耐磨性能均有提高，且提高的幅度較大，達(dá)1.4-2.0倍，彈性模量早齡期明顯下降，這對(duì)防裂是有利的。總之，纖維摻入混凝土中大大提高了混凝土的抗沖耐磨性能。

2.6合成纖維摻入混凝土中對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗彎（折）強(qiáng)度的影響 
從表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，與基準(zhǔn)混凝土相比，在混凝土中摻入聚丙烯纖維，隨著纖維體積量的增加，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度變化很小。由于在混凝土中摻入的聚丙烯纖維量較少，且聚丙烯纖維在混凝土中的物理、化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，不會(huì)改變混凝土的物理、化學(xué)性能。少量的摻入量也不會(huì)對(duì)混凝土的脆性產(chǎn)生較大的影響。
抗折強(qiáng)度主要檢驗(yàn)其韌性。材料的韌性反映材料在破壞時(shí)吸收能量的能力。雖然在混凝土中摻入少量的聚丙烯纖維，由于聚丙烯纖維組織結(jié)構(gòu)為纖化網(wǎng)狀，與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度較高，當(dāng)應(yīng)力自基體傳遞給聚丙烯纖維時(shí)，纖維因變形而消耗能量，使混凝土構(gòu)件達(dá)到初裂時(shí)的荷載及宏觀變形增大。其次，因聚丙烯纖維具有良好的延伸性，極限變形值很大，混凝土一經(jīng)開裂，聚丙烯纖維跨接在裂紋的表面，阻止裂紋的迅速擴(kuò)展。只有當(dāng)（彎）應(yīng)力大于聚丙烯纖維與基體的粘結(jié)強(qiáng)度或大于纖維抗拉強(qiáng)度時(shí)纖維才可能被撥出或拉斷。但在受拉（彎）斷裂時(shí)，聚丙烯纖維將提高混凝土的斷裂韌性。所以，纖維混凝土的抗彎（折）強(qiáng)度明顯提高。各方人員通過(guò)對(duì)其他幾種纖維實(shí)驗(yàn)得出相同結(jié)論。

2.7合成纖維摻入混凝土中對(duì)混凝土抗爆裂能力的影響
　　混凝土抗爆裂能力是反映混凝土構(gòu)件在遭受突然強(qiáng)大沖擊和爆炸等條件下混凝土構(gòu)件的破損情況。合成纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度，且摻入混凝土中后能均勻分布在水泥混凝土中，由于合成纖維直徑小，單位體積中的纖維數(shù)量多（如：摻入體積率.1%的CTA纖維，每立方米的混凝土約有三千萬(wàn)條的纖維均勻分布其中），這樣合成纖維在混凝土中形成了三維亂向支撐網(wǎng)，使混凝土構(gòu)件保證了良好的整體性，合成纖維在混凝土中起到了很好的配筋作用，在混凝土爆裂時(shí)這些配筋有效地減少了混凝土構(gòu)件破碎機(jī)率。另外合成纖維摻入到混凝土中提高了混凝土的韌性，合成纖維在混凝土中的荷載傳遞特征又能極大地減少混凝土構(gòu)件遭受爆炸時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。美軍在貝魯特對(duì)未添加聚丙烯纖維和添加了聚丙烯纖維的混凝土柱進(jìn)行火箭彈破實(shí)驗(yàn)得出，未添加聚丙烯纖維的混凝土柱完全粉碎性破損，而添加了纖維的混凝土柱破損很小，且破損的地方因纖維粘連而保持整體性。總之，合成纖維摻入到混凝土中能大大提高混凝土構(gòu)件的抗爆裂能力。

3 在混凝土中使用合成纖維注意事項(xiàng)
　　（1）合成纖維的使用極為方便，無(wú)須改變?cè)O(shè)計(jì)的配比，也不取代原設(shè)計(jì)的受力鋼筋。纖維在加入干料（砂石、水泥等）之后，加水之前投入，攪拌時(shí)間比不加纖維的混凝土攪拌時(shí)間略延長(zhǎng)30～60秒。纖維只作為混凝土的“次要加強(qiáng)筋”，主要作用為抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土基體的抗?jié)B性等，延長(zhǎng)混凝土的使用壽命，而非“主要增強(qiáng)筋”承擔(dān)結(jié)構(gòu)主要荷載。因此，纖維的摻入不能改變?cè)O(shè)計(jì)中心主要受力筋的配筋率。
　　 （2）纖維的加入會(huì)增加拌合料的粘稠度，使塌落度略有降低。每個(gè)工程需要不同的塌落度，所以在工程使用前應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)塌落度。如果塌落度不能滿足施工要求時(shí)，不應(yīng)用增加用水量來(lái)提高塌落度，而應(yīng)采用塑化劑或減水劑來(lái)提高塌落度以滿足施工要求。
纖維的加入不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但應(yīng)在每個(gè)工程使用前對(duì)已確定的混凝土配合比進(jìn)行摻加纖維與不摻加纖維的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。
　　 （3）混凝土出模后立即進(jìn)行一次壓面，特混凝土初凝結(jié)束前完成二次壓面。此外在壓面時(shí)應(yīng)盡量利用鋼或鐵質(zhì)抹子，木質(zhì)的不夠光滑，會(huì)勾出纖維。
　　 （4）摻入了纖維的混凝土在成型時(shí)無(wú)特殊要求，但應(yīng)保證混凝土充分振實(shí)。摻加了纖維的混凝土養(yǎng)護(hù)無(wú)特殊要求，可按正常混凝土的養(yǎng)護(hù)進(jìn)行。不能因摻入纖維而放松對(duì)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)
　　1）少量合成纖維摻入混凝土中對(duì)混凝土成型時(shí)的塑性影響很大，可以很好地提高混凝土的阻裂性，當(dāng)混凝土中體積摻入量為0.05%和0.1%時(shí)，其裂縫減速少分別達(dá)到65%和75%。
　　 2） 少量的合成纖維摻入混凝土中能很好改善其抗?jié)B性，當(dāng)混凝土中摻入0.1%體積率的聚丙烯纖維時(shí)，滲透性減少了60%
　　3） 少量合成纖維摻入混凝土中能增加混凝土的抗凍性和抗化學(xué)侵蝕性能。經(jīng)過(guò)50次凍融，纖維增韌高性能砼的重量損失率只有普通砼的7.6%，經(jīng)過(guò)100次凍融，纖維增韌高性能砼的重量損失率只有普通砼的重量損失率的2.4%。在5%（WT）Na2SO4侵蝕40周后，纖維高性能混凝土的膨脹率約是普通高性能混凝土的1/3，約是普通混凝土的1/10。
　　4） 少量的合成纖維摻入混凝土中能很好地增加混凝土的抗沖擊能力，且隨著纖維量的增加而提高。當(dāng)纖維摻入量分別為0.05%和0.1%體積摻量時(shí)，其初裂沖擊次數(shù)和破壞沖擊次數(shù)約提高2.0～2.5倍和1.5～2.0倍。
　　5） 摻入體積率0.05%的合成纖維時(shí)，其抗沖刷耐磨性提高達(dá)1.4～2.0倍。
　　6） 少量合成纖維摻入混凝土中對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，而摻入體積率從0.05%～0.1%時(shí)，其抗折強(qiáng)度提高12%～26%
　　7） 合成纖維摻入到混凝土中能大大提高混凝土構(gòu)件的抗爆裂能力，在混凝土構(gòu)件受爆炸時(shí)仍有可能保持良好的整體性。
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