纤维混凝土的前沿技术和最新进展

1纤维混凝土的前沿技术和最新进展

1.1钢纤维高强、高性能混凝土

　　（1）由于高强混凝土脆性明显，采用钢纤维改善高强混凝土的性能尤为必要。因此钢纤维高强高性能混凝土，已经成为国内近年来研究应用一个热点，开展了大量的试验研究。    （2）试验表明,在高强高性能混凝土基体中掺入适量的钢纤维后,形成的钢纤维高强高性能混凝土，既具有高强高性能混凝土自身优点，又对高强高性能混凝土基体起到增强、增韧和阻裂作用，可显著地改善其脆性性质，并能较大地提高混凝土基体的抗拉、抗折、抗疲劳、抗冲击爆炸等一系列性能。

　　（3） 钢纤维高性能混凝土最主要的优点是在于其拌合料具有良好的工作性，硬化后混凝土又有优良的结构密实性、耐久性和较高的强度。为此，在材料和配合比方面，与钢纤维普通混凝土相比，水胶比低，胶凝材料用量大，通常在500 kg/m3～600 kg/m3。如果完全使用水泥，既不经济，且水化放热量大，对混凝土微观结构的形成不利。因此，钢纤维高性能混凝土要掺入一定量的微细填充材料来代替部分水泥。目前使用较多的微细填充材料有硅粉、磨细矿渣、粉煤灰及沸石粉等。主要应用于国防工程和重要的建筑工程及桥梁工程。

1.2层布钢纤维混凝土

（1）提出背景

　　层布钢纤维混凝土是指在构筑物混凝土截面的顶层和底层或底层约20mm厚度内,撒布适量的钢纤维浇筑而成的混凝土，称为层布钢纤维混凝土。层布钢纤维混凝土适用于面板类结构工程，如路面、桥面、地坪等。

　　应用表明,钢纤维普通混凝土(SFPC)路面的厚度，当钢纤维体积率为0.8%～1.5%，约为同类混凝土路面厚度的40%～60%。使路面的物理力学性能有明显改善，厚度可大幅度减薄，但是,路面工程的总造价一般比同类混凝土路面要高10%～20%，从经济分析角度看,造价相应要高,影响了钢纤维混凝土在路面的推广应用。

　　层布钢纤维混凝土的提出是考虑到钢纤维普通混凝土的造价较高，这已经成为当前推广应用钢纤维普通混凝土路面的瓶颈，同时施工不甚方便，如果施工方法不当，易引起钢纤维的结团和裸露在混凝土路面的表面，导致钢纤维的锈蚀，影响路面的表观等缺陷。试验表明，层布钢纤维混凝土比普通混凝土有着优良的弯拉强度、抗裂性能、韧性、抗冲击性能及弯拉疲劳强度等性能。层布钢纤维混凝土比钢纤维普通混凝土造价较低，在保证与钢纤维普通混凝土性能相当的情况下，钢纤维的用量约可节省70％。

　　近年，由武汉理工大学等单位提出了一种称为上、下层布式钢纤维混凝土路面，即分别在普通混凝土路面板的下层(底层)和上层(顶层)铺撒适量的钢纤维，形成一种新的复合路面结构，如图1所示。

　　通过研究和应用表明，用少量的钢纤维对普通混凝土路面板承受最大弯拉应力易断裂的薄弱处进行有效增强,可减薄混凝土路面的厚度,提高混凝土路面的耐久性和承载能力，此种路面不仅优于普通混凝土路面，而且也胜于钢纤维普通混凝土路面，突出的优点是钢纤维用量少，单位水泥用量降低，工程造价低、施工工艺简便易行，有显著的社会经济效益，对进一步推广我国的钢纤维混凝土面类结构工程（路面、道面、桥面、地面等）的应用有重要作用。           

　　该技术尤其在降低钢纤维混凝土路面造价和简化施工工艺方面有重要突破，属国内首创，已在我国的105、107、209、312、318国道部分路段及湖北、湖南、河南、江西、浙江、云南、安徽、天津、新疆、广东、海南、山西等省市部分一、二级公路路段，相继修筑了层布钢纤维混凝土路面大约300余公里，取得良好的经济和社会效益。为了更好地推广应用这一新技术，已将有关层布钢纤维混凝土路面的内容，列入中国工程建设标准化协会标准《纤维混凝土结构技术规程》CECS38-2004，必将有良好的应用前景。

　　(2)作用原理

　　1）根据路面板的受力状态，路面板的设计以简支小梁标准试件的弯拉强度为主要指标，小梁试件中和轴以下承受弯拉应力的作用，而且离板中和轴向下愈远，弯拉应力愈大，直至下层边缘,承受的弯拉应力最大，将钢纤维层布在承受弯拉应力最大处的下层是合理，同时考虑到路面板上层的板角、板边有时在荷载及温度的作用下也承受弯拉应力，另外为了防止混凝土表面产生收缩裂缝，在上层也撒布一层钢纤维。而在板的中和轴附近，承受弯拉应力和压应力最小，可不配置钢纤维，因此，钢纤维的配置是根据路面板的受力状态按需要分配，需要增强的部位以配置，不需要增强的部位或者说钢纤维不能发挥作用的部位，则可以不配，以减少钢纤维用量。钢纤维的配置真正符合“好钢用在刀刃上”的原则，使需要配置的钢纤维充分发挥其抗拉强度高的最大效用，用少量钢纤维即可使路面达到增强、增韧、阻裂目的。

　　2）层布钢纤维混凝土的上、下层钢纤维的分布基本是呈二维分布（面分布），根据理论的推算，钢纤维二维分布时的有效利用系数为0.637，而钢纤维普通混凝土中的钢纤维呈三维分布，三维分布的钢纤维有效利用系数为0.5，比前者的有效利用系数低27%。

　　3）层布钢纤维混凝土可比钢纤维普通混凝土的钢纤维长径比大，其长径比可为80～100，长径比增大后，增大了钢纤维与混凝土粘结界面，提高了弯拉强度。

1.3聚丙烯粗纤维混凝土

　　过去研究应用较多的是聚丙烯细纤维（当量直径10μm～100μm）混凝土，近年来国内外对聚丙烯粗纤维（当量直径10μm ～1000μm）研究应用十分门。

　　聚丙烯粗纤维按形态基本上可分为单丝纤维与纤维束两种，如图2所示。在纤维束中许多单丝纤维相互缠绕在一起，与混凝土拌合时再分散成为单丝。聚丙烯粗纤维在混凝土中的体积率为0.3 %～2.0 %。目前在工程中使用较多的有日本产的Barchip粗纤维、美国产的Forta Ferro粗纤维 与HPP152纤维，新近我国浙江宁波大成新材料股份有限公司研制的大成（DC）粗纤维，试验表明，具有优良的性能。现简要介绍由Barchip和DC粗纤维配制的纤维混凝土的力学性能、耐久性和工程应用情况。

　　Barchip粗纤维抗拉强度为620 MPa～758MPa，弹性模量为6GPa，密度为0.90～0.92 g/cm3，纤维横截面尺寸为1.6mm×0.6mm，长度为30 mm、42 mm和48mm，纤维表面有凹凸形的压纹如图2（a）。DC粗纤维抗拉强度为530MPa，弹性模量为7GPa，密度为0.95 g/cm3，纤维直径为0.91mm，长度为30 mm、40 mm和50mm，横截面为五叶形，长度方向有波浪形压纹，如图2（b）所示。

　　粗合成纤维与细合成纤维和钢纤维比较

　　粗合成纤维是一种新型阻裂增韧材料，与钢纤维、细合成纤维相比，具有下列的优点：

　　1）质轻；

　　2）易于均匀分散；

　　3）无腐蚀；

　　4）明显改善混凝土的韧性；

　　5）显著提高混凝土的抗冲击性能；

　　6）改善混凝土的抗疲劳性能；

　　7）更适合用作喷射混凝土。

　　(2)粗合成纤维混凝土的性能

　　DC和Barchip粗纤维、盾形钢纤维配制的纤维混凝土及普通混凝土进行力学性能试验，在同样配合比下，粗合成纤维掺量为6 kg/m3～13kg/m3, 钢纤维掺量为 40 kg/m3 ～ 60kg/m3，试验结果表明：

　　1）DC粗纤维的界面粘结强度为3.1MPa, 与剪切钢纤维的粘结强度相近。

　　2）当粗合成纤维的掺量为6 kg/m3 ～13kg/m3时，纤维混凝土梁的初裂、破坏冲击次数比普通混凝土梁分别提高了0.77倍～1.94倍、1.84倍～21.5倍；钢纤维掺量为40～60kg/m3时，初裂、破坏冲击次数比普通混凝土分别提高了3.24倍～3.43倍、4.73倍～5.95倍。表明钢纤维对混凝土初裂时冲击的性能提高优于粗合成纤维，这与钢纤维的高弹性模量有关；但粗合成纤维混凝土破坏冲击性能明显优于钢纤维混凝土。

　　3）当纤维掺量为6 kg/m3 ～13kg/m3时，DC粗纤维混凝土弯拉强度比普通混凝土约提高3～16％；Baichip粗纤维混凝土弯拉强度比普通混凝土提高10～24％；钢纤维掺量为40 kg/m3 ～60kg/m3时，弯拉强度比普通混凝土提高了8～34％。

　　4）抗拉强度比普通混凝土约提高11.6～20.5%；极限拉伸应变提高40～83%；断裂能提高150～210%。

　　5）粗合成纤维对混凝土的增韧效果优于钢纤维。粗合成纤维掺量为6      kg/m3 ～13kg/m3时，韧性指数I5和I10分别比普通混凝土提高2.7～3.0倍和5.1～5.9倍，当DC粗纤维掺量为6kg/m3 , 钢纤维掺量为60kg/m3时，混凝土的韧性指数I10分别 为6.25和5.18,增韧效果比钢纤维提高21%。

6）DC粗纤维混凝土的疲劳性能比普通混凝土有明显提高，当应力水平0.5时，DC粗纤维混凝土200万次未破坏，普通混凝土疲劳寿命70.2万次。
 DC粗纤维混凝土与钢纤维混凝土疲劳性能的相比，当应力水平0.5时，前者200
万次未破坏，钢纤维混凝土疲劳寿命115万次，疲劳寿命至少提高74%。
7）经济比较，由试验结果可知，当掺量6kg/m3时的 DC粗纤维混凝土与掺量60kg/m3的钢纤维混凝土的性能接近计算，假定DC粗纤维40元/ kg，钢纤维6元/ kg，则每m3混凝土中纤维费用：DC粗纤维混凝土 240元/m3；钢纤维360元/m3, 可见,在混凝土性能相当时,每m3混凝土中DC粗纤维的费用比钢纤维降低33%。

1.4混合和组合纤维混凝土 

结合不同纤维的优势，将钢纤维与合成纤维或是不同种类的合成纤维混合在一起掺入混凝土，配制成混合纤维混凝土，由于单一纤维的增强作用是有限的，而不同尺度和不同性质的纤维混合增强，使其在水泥基材中不同结构和不同性能层次上逐级阻裂与强化，充分发挥各纤维的尺度和性能效应，并在不同的尺度和性能层次上相互激发、相互补充、取长补短，达到进一步提高阻裂、抗收缩、抗渗、抗疲劳、抗变形及强度等性能的目的。

自20世纪60年代以来，利用不同纤维的作用和功能，将多种纤维同时掺入混凝土中，以进一步提高混凝土的性能，称此种混凝土为混合（混杂）纤维混凝土。混合纤维混凝土中纤维是有其内在规律性和按一定的比例关系掺入，才能发挥效用。

　　根据近年来的应用发展状况和纤维掺入的方法不同,可将其分为混合纤维混凝土与组合纤维混凝土。

　　1）混合纤维混凝土

　　混合纤维混凝土是指用两种或两种以上不同尺寸或不同品种的纤维，适量掺入混凝土组分材料中，按一定程序经混合搅拌而成整体的混凝土。混合纤维混凝土可分为两种：同一种类（相同品种、质量）但不同尺寸的混合纤维混凝土和不同种类的混合纤维混凝土。如在混凝土中掺入不同尺寸的钢纤维，构成的混合钢纤维混凝土。不同种类纤维混凝土又可分为尺寸相同的纤维、尺寸不同的纤维、作用不同的纤维构成的混合纤维混凝土。如其尺寸相近和尺寸不同的钢纤维和合成纤维构成的混合纤维混凝土。

　　2）组合纤维混凝土

　　组合纤维混凝土是指用两种或两种以上作用和功能不同的纤维，其中有的纤维掺入主要是为了增强和增韧，有的纤维主要是为了阻裂。掺入的纤维有的与混凝土各组分材料混合搅拌，有的纤维并不与混凝土各组分材料混合搅拌，而是将纤维分布于不同结构层次，将不同功能的纤维组合应用并与混凝土拌合料结合，构成整体的纤维混凝土，称为组合纤维混凝土。

　　层布钢纤维和合成纤维组合增强混凝土，是新近提出来的一种纤维增强混凝土。如钢纤维与腈纶纤维组合增强混凝土与普通混凝土、钢纤维混凝土相比，其显著优点是：

　　钢纤维—腈纶纤维组合增强混凝土，充分发挥了两种纤维的各自优势，将钢纤维层布于路面面层的底部，提高混凝土弯拉强度和弯曲疲劳强度；

　　将腈纶纤维均匀分散在混凝土中，提高混凝土的抵抗早期塑性收缩和抗裂性能，增强抵抗温度应力和疲劳应力的能力，从而提高混凝土的抗磨、抗冻融、抗冲击和抗渗性能，减少和防止混凝土板的断裂和板角开裂现象。并可大量减少钢纤维用量，降低工程造价。这是一种新的混凝土面类结构形式，具有良好的应用前景。

　　混合纤维混凝土与组合纤维混凝土的作用原理

　　通过合理的设计，充分发挥不同纤维的优点，使它们互相取长补短，在不同的结构层次和受力阶段，既发挥各单一纤维的作用和功能，又发挥多种纤维复合的叠加作用，可明显提高或改善原先单一纤维混凝土的若干性能，以取得优良的综合能，并可降低其成本。如用弹性模量高、长而粗的钢纤维或碳纤维与短而细的合成纤维混合掺入混凝土，在受力时，高模量的纤维在基体出现较小与中等宽度的裂缝时，可发挥最佳的增强作用，而低模量纤维在基体出现大裂缝才充分发挥其增强、增韧作用，与采用单一的纤维混凝土相比，既可提高混凝土的强度，又能明显提高其韧性、抗冲击性、耐疲劳及抗裂等性能，并可降低成本。

1.5纤维增强水泥

　　1）渍浆钢纤维水泥(SIFCON)

　　将水泥浆或水泥砂浆渗浇到钢纤维堆体中的高强度高韧性复合材料,其钢纤维体积率5％～20％。抗压强度达100 MPa～250MPa，抗拉强度可达38MPa，弯拉强度可达84MPa。弯曲韧性较普通混凝土提高三个数量级。

　　2）渗浇钢纤维网水泥（SIMCON）

　　将水泥浆或水泥砂浆渗浇到预置定向分布的钢丝网。其增强增韧效果比SIFCON成倍提高。SIFCON和SIMCON对于承受重复荷载作用和爆炸作用的结构具有显著的优越性，用于军事工程、保险库、防爆仓库容器、桥面接缝等结构。

　　3）活性粉末水泥(RFC)

　　采用水泥、超细粉料（硅粉、石英粉）及石英细砂和细短钢纤维、超塑化剂、极低水灰比经蒸压养护制成的一种超高强复合材料，抗压强度可达200MPa和800MPa，弯拉强度最高可达60 MPa～140MPa，现处于开发阶段。

　　4）纤维增强无宏观缺陷水泥(FRMDFC)

　　采用碳化硅纤维或是芳纶纤维、水泥、水和水溶性聚合物等制作成的复合体内无宏观缺陷。

　　5）PVA纤维增强水泥（ECC）

　　密歇根大学工程学教授维克托·李，将经过等离子处理PVA纤维加入水泥砂浆中，制成了一种重量轻，并且更具有耐久性的可弯曲材料，如图3所示，这种纤维增强材料，使脆性材料转为韧性更好的材料，在承受巨大压力时，它会弯曲而不是断裂。