纖維混凝土概述

    1.混凝土的非結(jié)構(gòu)性裂縫

    混凝土出現(xiàn)裂縫，長(zhǎng)期以來認(rèn)為是一種正常的現(xiàn)象，并認(rèn)為不影響其使用。當(dāng)混凝土應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)就出現(xiàn)裂縫。由外力所產(chǎn)生應(yīng)力而引起的裂縫可用提高混凝土鋪砌面、板墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度加以補(bǔ)償。然而由混凝土本身收縮引起的內(nèi)蘊(yùn)應(yīng)力長(zhǎng)期以來是一個(gè)需加控制 的問題。由于這類裂縫不可預(yù)見它們發(fā)生的種類、位置和機(jī)理，其絕大多數(shù)是由于干燥過程產(chǎn)生的收縮應(yīng)力引起的內(nèi)蘊(yùn)裂縫。這些裂縫是混凝土澆筑后的第一個(gè)24h內(nèi)形成。沉陷和收縮裂縫初期在一段時(shí)間內(nèi)是無(wú)法觀察到的，它們常被表面抹光于表面彌合，或者只是不夠?qū)?而看不到，直到混凝土裂縫由于荷載使這些微裂隙薄弱面發(fā)展成可見裂縫。

    塑性收縮裂縫一般貫穿整個(gè)構(gòu)件或板塊，使混凝土達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度前就形成薄弱面而降低其整體性。幾種內(nèi)蘊(yùn)裂縫的成因和出現(xiàn)的時(shí)間如表1。

    合成纖維混凝土是在混凝土中加入由聚丙烯制成的合成材料纖維絲，以增強(qiáng)塑性混凝土的抗拉能力，顯著降低其塑性流動(dòng)和收縮微裂紋。這種減少或消除塑性裂紋使混凝土獲得其最佳的長(zhǎng)期整體性。由聚丙烯制成的合成材料纖維絲是特為應(yīng)用于混凝土而開發(fā)的產(chǎn)品，它制成纖維束。當(dāng)這種纖維束用量為0.9 kg/m3加入混凝土拌合料，經(jīng)拌合使其打開并分散成無(wú)數(shù)單個(gè)纖維。這些纖維呈各向均勻分布于整個(gè)混凝土，使混凝土得到輔助的加強(qiáng)，以防止收縮裂縫。在隨處都有纖維的混凝土中，亦可最大限度減小在有強(qiáng)度狀態(tài)下混凝土可能出現(xiàn)裂縫的寬度和長(zhǎng)度。

    加入聚丙烯纖維的混凝土可減小其泌水率和總量，增加塑性混凝土的延伸度，由此可成倍增加抗塑性沉陷裂縫的作用。

    2.　微觀補(bǔ)強(qiáng)的現(xiàn)代技術(shù)

    為避免混凝土表面裂縫，常應(yīng)用鋼絲網(wǎng)，這總是擔(dān)心它們的位置是否正確或已移動(dòng)，給施工增加難度。而現(xiàn)今開發(fā)的聚丙烯纖維混凝土，是一種極為高級(jí)的在混凝土塑性和硬化過程中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的現(xiàn)代新技術(shù)。

    與鋼絲網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)比較，纖維混凝土除能防止裂縫的集中出現(xiàn)外，還有對(duì)混凝土補(bǔ)強(qiáng)防止塑性收縮裂縫的出現(xiàn)，加強(qiáng)抗沖擊、抗磨損、抗破損，具有防銹防蝕，并有安全、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。另外纖維混凝土不必使用吊車、固定鋼絲網(wǎng)等設(shè)備，因而可加快施工進(jìn)度，節(jié)省施工費(fèi)用。

    合成材料纖維絲是一種惰性材料，并不影響混凝土的成型特性，它能適應(yīng)多種表面處理工藝，如壓實(shí)成型、手抹刀擠抹、動(dòng)力抹壓、表面涂層處理、涂顏色、干刷、加入液體早強(qiáng)硬化劑和加氣劑等。

    纖維混凝土不會(huì)生銹和表面有銹蝕污點(diǎn)，合成纖維絲不腐蝕和耐酸堿。在通常纖維用量下新鮮混凝土粘滯性亦即振動(dòng)時(shí)的和易性好，不因加入纖維而影響其和易性。纖維不對(duì)水泥的化學(xué)水解作用產(chǎn)生任何影響，它完全是純力學(xué)作用改善其工作和力學(xué)性能。預(yù)先加入的纖維，在中心混凝土工廠或混凝土攪拌卡車上按規(guī)定時(shí)間和速度拌合，卸料后纖維都能均勻分布于混凝土中，攪拌過度也不會(huì)改變其工作性能。

    3.　纖維束--先進(jìn)的混凝土技術(shù)

    美國(guó)生產(chǎn)合成材料纖維束的公司FIBERMESH在全世界范圍實(shí)施一項(xiàng)連續(xù)的研究計(jì)劃，以推動(dòng)纖維束用于混凝土結(jié)構(gòu)，在一些著名的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行的研究有：塑性裂縫、沖擊 試驗(yàn)、撓曲強(qiáng)度、靜載強(qiáng)度試驗(yàn)、耐久性、噴漿、氯離子穿透性、鋼筋腐蝕、疲勞強(qiáng)度、抗磨損、受拉應(yīng)力應(yīng)變、流變性能、裂縫寬度、粘結(jié)性能、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、泌水性、抗震試驗(yàn) 、抗凍性、稠度、石油反應(yīng)、耐久級(jí)別。

    纖維束是專為發(fā)展新型混凝土而生產(chǎn)的合成材料產(chǎn)品。合成材料工業(yè)和混凝土技術(shù)工程師們緊密合作以發(fā)展新型混凝土、灰漿、砂漿和澆筑制品的研究和生產(chǎn)，這為合成材料在混凝土工業(yè)中的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)保證。根據(jù)試驗(yàn)研究和應(yīng)用實(shí)踐，纖維混凝土有下列優(yōu)點(diǎn)。

    3.1　減少塑性裂縫和混凝土的滲透性

    試驗(yàn)表明，摻加合成材料纖維的混凝土，明顯增加了混凝土早期抗收縮裂縫和震動(dòng)引起 裂縫的能力。加入量為0.9kg/m3聚丙烯纖維增大了抗拉強(qiáng)度，這一點(diǎn)特別重要。因?yàn)榇蟛糠只炷亮芽p在澆筑后第一個(gè)24h內(nèi)產(chǎn)生，這時(shí)混凝土最敏感產(chǎn)生震動(dòng)裂縫、收縮裂縫和沉陷裂縫。早期裂縫一旦發(fā)生，會(huì)增加混凝土的滲透性，并使混凝土暴露于易損傷環(huán)境的表面增加，這使混凝土早期老化,并縮短其使用壽命。

    在加州大學(xué)伯克利分校和圣荷西州立大學(xué)進(jìn)行板件裂縫試驗(yàn)表明，纖維絲在控制混凝土 裂縫的作用甚至在不是很好的養(yǎng)護(hù)條件下都十分明顯。試驗(yàn)采用了很多不同原料和配比，并加和不加纖維摻料兩種情況，無(wú)一例外，纖維混凝土在抑制裂縫發(fā)生方面比無(wú)纖維的對(duì)比試件要少90％～100％ ?；炷涟鍨闊o(wú)纖維摻加料的試板，2.5h就開始有微細(xì)裂縫，大部分裂縫在4h就已出現(xiàn)。而摻纖維的混凝土板在25h，甚至28d后未見裂縫。

    對(duì)素混凝土和加入不同量纖維的補(bǔ)強(qiáng)混凝土試件的滲透性進(jìn)行比較，由滲透量表明，在摻加量為9593kg/m3時(shí)，滲透系數(shù)減少33％～44％，而摻加量為1.186 kg/m3時(shí)，滲透系數(shù)減少高達(dá)79％。

    3.2增強(qiáng)抗磨損能力

    應(yīng)用美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)所采用的混凝土或砂漿表面抗磨損試驗(yàn)(轉(zhuǎn)動(dòng)切削法)方法，以評(píng)價(jià)其抗磨損性能。其結(jié)果表明，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)切削試驗(yàn)法纖維混凝土增強(qiáng)抗磨損能力105％。使用纖維后增加的粗糙度，將使混凝土在同樣外露表面磨損試驗(yàn)條件下，抗磨損能力增加1倍。

    也曾與挪威高速公路試驗(yàn)室合作進(jìn)行抗磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)在挪威有釘帽的輪胎測(cè)試混凝土磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。其結(jié)果表明，C－75有纖維的混凝土試樣比無(wú)纖維的對(duì)比試樣，其抗磨 損能力增加52％，而其試件磨損損失量少34.4％。C－50纖維混凝土試樣，水泥用量雖少，但所顯示比C－75對(duì)比試樣的抗磨損能力增加20％，而其材料磨損損失量少17.2％。

    3.3靜載試驗(yàn)表明可替代焊接鋼絲網(wǎng)

    此項(xiàng)試驗(yàn)的目的是在大比尺下比較摻加建議用量纖維混凝土板和素混凝土板的撓曲變形和強(qiáng)度，以及因?yàn)榭刂聘煽s裂縫而配有鋼絲網(wǎng)的板的比較。試驗(yàn)結(jié)果指出，纖維摻量為0.9kg/m3的板其撓曲強(qiáng)度比有鋼絲網(wǎng)的高2％，比素混凝土板高8％。而荷載－撓度曲線表明纖維混凝土完全可以用于代替焊接鋼絲網(wǎng)混凝土，鋼絲網(wǎng)一般都用于控制干縮裂縫的目的，特別在無(wú)鋼筋的混凝土結(jié)構(gòu)。

    3.4增加抗破損能力

    纖維混凝土和素混凝土抗破損能力試驗(yàn)用壓縮試驗(yàn)機(jī)測(cè)定。試件尺寸為525mm×150 mm ×150 mm，高寬比為3.5∶1，以模擬高層建筑的柱子，壓力強(qiáng)度機(jī)加載速度為0.635 mm/m in。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維混凝土試件的壓縮變形比素混凝土試件大10％，且并不碎塌，而素混凝土試件在出現(xiàn)第一個(gè)裂縫后，很快就碎裂坍塌。這一纖維混凝土的特性對(duì)考慮震動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的影響時(shí)是十分重要的。在混凝土劈裂時(shí)，纖維就顯露，纖維從混凝土中拉出時(shí)，整個(gè)長(zhǎng)度都和混凝土水泥漿粘結(jié)良好。

    3.5　增加抗沖擊能力

    纖維混凝土復(fù)雜的抗沖擊試驗(yàn)，是大不列顛哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用由Mindess博士研制的沖 擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。結(jié)果表明，對(duì)有鋼筋的梁和無(wú)鋼筋的梁，加入的纖維束對(duì)混凝土有明顯增加其能量吸收的作用。纖維束有兩種作用，它們使裂縫間阻止其進(jìn)一步發(fā)展，并在承受應(yīng)力時(shí)，于鋼筋周圍加強(qiáng)混凝土和鋼筋的連結(jié)。當(dāng)纖維量達(dá)0.5％時(shí)，對(duì)有鋼筋的混凝土梁抗沖擊能力有明顯提高。

     4.結(jié)束語(yǔ)

    纖維混凝土是一種新型建筑材料，它將合成化學(xué)纖維和傳統(tǒng)的混凝土相結(jié)合，可有效防止混凝土因早期干縮，塌沉所引起的內(nèi)蘊(yùn)裂縫。現(xiàn)美國(guó)高層建筑樓面，高速公路路面，荷載較大的倉(cāng)庫(kù)地面、停車場(chǎng)、貯水池等結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用。值得我國(guó)參考研究。但對(duì)纖維束本身的性能，如纖維絲的直徑強(qiáng)度、拉伸變形等尚未見有詳盡介紹。單價(jià)也是涉及應(yīng)用前景的問題。至今美國(guó)仍在開展纖維混凝土的研究，以便使新產(chǎn)品的發(fā)展有牢固的科學(xué)依據(jù)。我國(guó)某些科研院所和高等學(xué)校也已開始著手進(jìn)行這方面研究，但應(yīng)用于實(shí)際工程，尚有相當(dāng)工作要做。