纤维混凝土的发展及性能研究

摘要：为了改善混凝土性能，掺加纤维是工程中常常采取的措施之一。从纤维的微观特性出发，分析加强混凝土的种类及添加纤维对混凝土的性能改善，结合工程实例，分析加纤维前后性能的变化情况，说明了混凝土路面添加纤维对其抗裂、抗渗、耐磨、抗冲击、抗腐蚀等的加强和改善作用机理，对实际施工有一定的指导意义。

关键字：纤维混凝土性能研究作用机理

Abstract: in order to improve the performance of concrete, adding fiber is often taken one of the engineering measures. The microscopic characteristics from fiber, strengthen the species and concrete analysis of concrete adding fiber the performance improvement, combined with the engineering practice, it analyzes the change of the performance before and after fiber and show the concrete pavement of adding fiber its crack, anti-permeability, wear resistance, impact resistance, corrosion resistance, strengthen and improve the mechanism for the construction of a certain guiding significance.

Keywords: fiber concrete， performance research, mechanism

1 引言

交通运输是经济、社会发展的基本需要和先决条件，现代社会的生存基础和文明标志，促进社会分工、大工业发展和规模经济的形成，巩固国家的政治统一和加强国防建设，扩大国际经贸合作和人员往来发挥重要作用，是国民经济发展的命脉。改革开放以来，随着我国经济的快速发展，我国的公路交通向着高速、大流量、重载等方面发展，传统的混凝土已不能满足现代化发展的需要，开展新型混凝土的研制及研究工作就显得非常重要，近年来发展了许多适应于不同气候地质条件的混凝土，目前的研究思路有两个方面：一个是是从添加剂上对混凝土性质进行加强和改善；另一个是加入纤维等筋材对混凝土性质进行补充和加强[1]。

2 加强混凝土的种类及作用

混凝土是现代化发展的产物，其广泛应用于工业与民用建设的各个领域，虽然如此混凝土也有自身的缺点，比如抗拉抗弯强度低、耐热性能差、凝结过程中放热等，所以在使用过程中必须取长补短，对其缺点进行相应的改善。众所周知单纯从外加剂上对混凝土性能进行改善是不够的，尤其是混凝土应用于道路建设中，因为经常受到无规律动荷载、重载的影响，混凝土构件很容易受到影响。应

该从道路本身的特性出发，增加一部分筋材，从本质上进行改善，目前加筋混凝土的种类很多，主要由以下两个方面：

1）钢筋混凝土，通常混凝土结构拥有较强的抗压强度（大约 3.000 磅/平方英寸）。但是混凝土的抗拉强度较低，通常只有抗压强度的十分之一左右，任何显著的拉弯作用都会使其微观晶格结构开裂和分离从而导致结构的破坏。钢筋砼相较混凝土而言，钢筋抗拉强度非常高，一般在200MPa以上，故通常人们在混凝土中加入钢筋等加劲材料与之共同工作，由钢筋承担其中的拉力，混凝土承担压应力部分。

2) 纤维混凝土，其应用机理早已被混凝土工程界所认同，而纤维的种类、纤维的材料一直是国内外工程界人士研究的课题，按纤维的种类划分为硬纤维和软纤维。硬纤维是经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维；软纤维是由合成纤维制成，按期材料划分为玻璃纤维、尼伦纤维，碳纤维，聚丙烯纤维，聚丙烯腈纤维等。经过国内外众多专业工程师多年来对不同纤维的应用研究，发现纤维制品对混凝土有加强作用，但是有一些纤维由于自身的缺点应用严重受阻，比如刚纤维的对车辆的摩擦等，合成纤维由于自身的材料的可控性受到了工程界的极大关注，应用前景广泛。

3 纤维混凝土的微观作用机理

合成纤维是指用合成高分子化合物做原料而制得的化学纤维。我国合成纤维有四大品种：聚酰胺纤维素、聚酯纤维、聚丙烯晴纤维、聚乙烯醇缩甲醛纤维。其主要的微观组成如下：(1)按主链结构可分碳链合成纤维，如聚丙烯纤维(丙纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶)；杂链合成纤维，如聚酰胺纤维(锦纶)、聚对苯二甲酸乙二酯(涤纶)等。(2)按性能功用可分耐高温纤维，如聚苯咪唑纤维；耐高温腐蚀纤维，如聚四氟乙烯；高强度纤维，如聚对苯二甲酰对苯二胺；耐辐射纤维，如聚酰亚胺纤维；还有阻燃纤维、高分子光导纤维等。这些纤维应用到混凝土里面极大的增强了混凝土的韧性和强度，提高混凝土的粘结力，通过均衡应力的分布，增加混凝土路面抗剪性、抗冲击性、抗裂性等，也可以通过自身特性的改进，（比如引进乙烯醇等）满足不同的使用功能[2]。

H(CH—CH2)mRnH

4 合成纤维的优缺点

合成纤维的优点主要有以下三点：（1）价格低廉：合成纤维是石油化工大工业化产物，研究技术已经很成熟，可以根据人们的需求对其微观结构进行改善，应用于实际工程，切可以批量生产，造价相对较低。（2）可以根据需要键合改性（如增加羟基，就能使吸水性增加等）（3）强度韧性优于一般天然纤维（单晶纤维韧性可以承受几千米长的自身重量）

合成纤维的优点主要缺点：（1）绝大部分不能像天然纤维一样在自然界中降解（2）工艺的问题，可能有单体小分子的残留（如聚氯乙烯中残留氯乙烯），可能对人体有不良影响。考虑到合成纤维混凝土应用到道路建设中，广阔大气的稀释作用，对人体的危害大大减低。

5 加合成纤维前后混凝土的性能变化

长沙-常德高速公路项目A2合同段，位于长沙市境内，混凝土的设计强度等级为C25，施工混凝土强度标准差为5MPa，使用的材料为：雪峰牌P·032.5水泥，实测28d抗压强度fce=37.2MPa，泰银砂业的河砂和卵石，卵石Dmax=31.5mm，测定的表观密度2.70g/cm3，现场石子含水率为1%，河沙为中砂，测定的表观密度2.65g/cm3，现场砂含水率为3%，拌和用水为自来水，桥梁所处地区（w/c）max=0.60,Cmin=300kg/m3。水灰比：0.50；砂率Sp（%）=33。分别进行两组试验，一种直接制备混凝土，另一种加入不同量的聚乙烯醇纤维制备混凝土进行试验，试验结果如下：

水泥是碱性的硅酸钙，其PH值可达11。把聚乙烯醇纤维受到PH=11强碱作用测量其强度只下降9.86%，弹性模量只下降13.5%;在干燥的气候条件下加入1斤的即可降低收缩65%，对已有裂缝也有抑制作用。试验表明，加入1斤的聚乙烯醇纤维，整个裂缝长度减少71.5%；加入1公斤聚乙烯醇纤维，裂缝长度减少83%。进行抗拉试验可以得到纤维进入混凝土的最佳嵌入深度为5—10mm时，此时纤维全部受力并被拉断。对抗弯强度的影响：纤维含量为达到1.8%时，抗弯强度比未加纤维时增加36.7%。加入聚乙烯醇纤维使混凝土中水的渗透率大大减少，对于0.15mm的裂缝，水的渗透率下降达87%；混凝土的抗拉强度可以增加15%左右，抗磨性、抗疲劳性的不同程度增加5%—8%左右。

6 小结

聚乙烯醇等合成纤维在混凝土中可以分散均匀，与水泥基体的握裹力强。通过物理作用改善混凝土的性能，同混凝土骨料，外加剂，掺合料的水泥混合后不发生明显的化学反应。其物理，化学性能稳定，故与混凝土材料有良好的亲和力,也改善了混凝土的工作性能。聚乙烯醇纤维混凝土是以PVA纤维作为增强材料的水泥基复合材料，较之于普通混凝土具有更高的抗拉强度，抗折强度力学性能，并具有良好的抗冲击，抗疲劳性能，抗渗防水性能，抗冻性能和抑制早期塑性收缩裂缝的能力，从而提高混凝土的耐久性。试验证明在混凝土中掺入聚乙烯醇纤维，通过调整混凝土的配合比，使混凝土拌和物具备良好的施工性能，对混凝土拌和物的坍落度、含气量均得到改善，大幅度地降低了混凝土拌和物的泌水率；混凝土的劈拉强度均有增加；降低了混凝土的弹性模量；可以明显地改善混凝土的变形性能；降低了混凝土干缩收缩值，这些对于混凝土温控防裂是非常有利的。

参考文献

[1]王丽艳.纤维混凝土特性及前景分析.科技资讯,2006,(7):22一23

[2]周明耀等.合成纤维混凝土材料的发展与应用.水利与建筑工程学报,2003,(4):11一15

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。