常用纖維混凝土墻體板材性能的分析及比較

孫 奇

近幾年,纖維混凝土的發展越來越快。但是在國內,缺少對纖維混凝土特別是纖維混凝土墻材的系統的試驗和研究,造成了對纖維盲目的使用,在增加造價的同時,給工程帶來了不必要的麻煩。本文將介紹各種常用纖維的性能特點以及各種纖維板材的優缺點,做出比較和分析,作為日后選擇、使用纖維板的參考依據。

1 纖維水泥板的分類

1.1 GRC板

GRC由水泥、砂、耐堿玻璃纖維和水組成,中文名為“玻璃纖維增強水泥”,英文名“Glassfibre Reinforced Cement”。GRC板開發于20世紀60年代,至今已有40多年歷史。

玻璃纖維能夠起到大幅度地提高砂漿的強度和韌性的作用。除此之外,還能明顯的提高砂漿的抗拉、抗彎、抗沖擊性能,而且GRC板具有良好的工藝性能。但是玻璃纖維極易受高堿環境的侵蝕,并且老化。

1.2 聚丙烯纖維水泥板

聚丙烯纖維水泥板最早在1978年,由英國Surrey大學的Hannomt博士與Keer博士開始研究。其最大特點是對人體無害,機械強度、抗拉強度高,具有良好的塑性延展性,后期彈性也很好。而且假如聚丙烯纖維的復合材料在大氣中長期暴露,其性能無明顯變化。

1.3 復合纖維板

復合纖維是指將幾種不同種類的纖維(合成纖維、金屬纖維),或者不同尺寸的同類纖維按一定比例混合加入混凝土中。這樣各種纖維共同發揮自己的優勢,取長補短以提高混凝土的各項性能指標。

1.4 其他纖維板

1.4.1 金屬纖維板

金屬纖維中最常用的是鋼纖維。其彈性模量高,能大幅度提高砂漿的抗拉性和延展性。鋼纖維混凝土具有較高的強度和韌性、耐久性與吸收動能能力優異特性。但是鋼纖維比重較大,在砂漿中極易成團,且與水泥基混合后易受腐蝕。

1.4.2 碳纖維板

碳纖維在20世紀70年代開始開發,其具有較高的彈性模量,而且抗拉強度高,與水泥基結合的較好。但是價格昂貴,很難大范圍應用。

2 幾種常用的纖維板性能分析

2.1 GRC板的性能分析

2.1.1 對強度的影響

用未老化GRC的性能確定適當的設計參數并在整個制造過程中進行質量控制。未老化GRC是相對強、韌,具有假延性的材料,必須對暴露在室外環境條件下GRC的強度和應變能力隨時間而發生的逐漸的和永久的降低進行預測。GRC發生自然老化的速率與其所處環境條件有關,在許多情況下,當GRC產品暴露在室外環境下時,將會在產品的期望壽命內達到完全老化。因此,對GRC產品的設計必須保證在使用條件下所產生的應力低于材料完全老化后的強度極限和應變極限[1]。

2.1.2 對耐久性的影響

玻璃纖維在初期自身會發生干燥收縮,這樣會使構件產生開裂。除此之外,水分和溫度的變化也會引起玻璃纖維尺寸的變化。

玻璃纖維在失去水分的情況下會收縮,在溫度升高的情況下會膨脹。因此,在一般情況下,當玻璃纖維受熱時其因失去水分產生的收縮會和自身的膨脹相互抵消。故在GRC板設計時,應該充分考慮到玻璃纖維的這一特性。

GRC基材趨向于吸水并將水均勻快速地分布在整個復合材料中,但是水分沿板厚方向通過的能力很弱。試驗表明,雨水以117 km/h的風速落到板上時,在10 mm厚度GRC板的內側沒有水分出現[1]。

2.2 聚丙烯纖維板的性能分析

2.2.1 對強度的影響

要充分發揮纖維在基體中的作用,必須考慮聚丙烯纖維的易分散性和在基體中的排列情況。不同的纖維,其分散性也是不同的。因此應該做相應的試驗檢測其分散性。方法如下：1)在現場(而非試驗室)進行實地拌和,將纖維成團地放入攪拌機,觀察其分散情況。2)在已經拌和后的混凝土中,隨意取出一定重量的混凝土拌合物,水洗該混凝土,收集纖維,進行干燥處理,稱其重量。3)將拌合物按2 cm～5 cm厚度攤鋪,觀察纖維的分散情況。對于網狀纖維,同時需觀察其是否真正被撕開,成為絲狀纖維。在攤鋪開的混凝土中,取相同面積的混凝土,水洗后進行干燥處理,再測定纖維重量[2]。

2.2.2 對耐久性的影響

在混凝土澆筑后的4 h～5 h內,由于混凝土內部水分的蒸發,混凝土發生收縮,從而發生收縮裂縫。聚丙烯纖維依靠大量高抗拉強度、高長徑比(按相應比例匹配)、高粘結強度的纖維絲均勻亂向分布,以阻止塑性收縮裂縫的產生和抑制裂縫的發展。另外,由于纖維的存在,減少了混凝土的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產生,阻斷了滲水的通道,混凝土抗滲性能得到提高。

由圖1可見,混凝土干縮率和時間的關系與混凝土厚度有關系。對于越厚的混凝土,多數的干縮裂縫發生在后期,所以這時聚丙烯纖維就不能有效的抑制混凝土裂縫的發生。

2.3 復合纖維板的性能分析

2.3.1 對強度的影響

復合纖維對于混凝土強度的影響有正負兩種效應。當復合纖維中各纖維體積率合適時產生正效應,當體積率較高時產生負效應。綜合多種因素考慮,試驗范圍內對混凝土強度綜合效果最好的纖維匹配應該是鋼纖維體積率為0.8%左右,聚丙烯纖維體積率為0.1%左右,并且總體積率小于0.9%為最優值[4]。

2.3.2 對耐久性的影響

復合纖維在混凝土內部形成空間網狀結構,一定程度上阻止了集料的沉降,而且混凝土表面的析水現象也降低,從而阻止了混凝土初期因干縮產生的裂縫。除此之外,復合纖維混凝土在高溫下仍能保持較高的強度,而且可以有效的防止因高溫引起的混凝土爆裂。試驗證明在1 000℃高溫下,復合纖維混凝土的抗折強度剩余率為9%左右[5]。

3 結語

1)玻璃纖維具有較高的彈性模量,能夠明顯提高板材的抗拉、抗彎以及抗沖擊性能,一般用于外墻。但是玻璃纖維容易受到堿性環境的侵蝕,所以GRC板的使用壽命一般偏低。2)聚丙烯纖維板具有較高的抗裂性和耐久性,其彈性模量較低,一般用于制成非承重輕質隔墻板材。3)鋼纖維增強輕質墻板與其他墻板特別是GRC板相比較,有以下特點：a.用鋼纖維代替玻璃纖維耐蝕性較好,可提高墻板使用壽命。既可用于內隔墻,也可作外墻板使用。b.保溫性能好,可直接用作節能外墻板。墻板質輕,可減輕建筑自重,減少基礎投資。c.可在墻板上直接刮膩子、刷涂料,減少了用砂量。這對缺少河砂的地區來說,有極為重要的現實意義。4)碳纖維具有很高的彈性模量,能夠大幅度提高混凝土的抗拉強度,而且碳纖維抗老化性強,但是由于其價格昂貴,所以碳纖維板一般用于建筑加固和補強工程。

不同的纖維在基體中發揮了不同的作用,只有了解各種纖維的性能特點,才能在工程中更好的應用,給工程帶來預期的效果。

[1] 崔玉忠.GRC外墻板相關問題探討[J].新型墻材,2007(5)：23-27.

[2] 羅 毅.聚丙烯纖維混凝土應用現狀及淺見[J].四川水利發電,2004,23(1)：32-38.

[3] 劉國平.生態合成纖維抑制混凝土開裂性能的研究與應用[J].混凝土,2006(10)：41-44.

[4] Nemkumar Banthia,Rishi Gupta.Influence of polypropylene fiber geometry on plastic shrinkage cracking in concrete[J].Cement and Concrete Research,2006,36(7)：1263-1267.

[5] 魏 鋒.混雜纖維混凝土的強度及耐高溫性能研究[J].四川建材,2008(1)：5-11.

[6] 趙聯珍.鋼纖維增強輕質墻板[J].新型建筑材料,2005(7)：27-28.

[7] 華 淵,曾 藝.纖維混雜效應的試驗研究[J].纖維水泥及其制品,1998(4)：45-49.

[8] T.Kanda,V.C.Li.Interface property and apparent strength of high strength hydrophilic fiber in cement matrix[J].ASCE Journal of Materials in Civil Engineering,1998,10(1)：5-13.

[9] 姚立寧,張妃二,郭仁俊.混雜柔性纖維混凝土動力耗散機理研究[J].廣州航海高等專科學校學報,2004,12(2)：1-5.

[10] 何軍擁,姚立寧.柔性纖維混凝土的阻尼結構及智能動態耗能研究[J].混凝土與水泥制品,2006(2)：40-42.

[11] 趙景海,易 成.合成纖維、鋼纖維及二者混合增強混凝土彎曲力學性能[J].武漢工業大學學報,1991(1)：211-219.

[12] H.Savastano Jr.,P.G.Warden,R.S.P.Coutts,Microstructure and mechanical properties of waste fiber-cement composites[J].Cement and Concrete Composites,2005,27(5)：583-592.

[13] Jin-Keun Kim.Tensile and fiber dispersion performance of ECC(Engineered Cementitious Composites)produced with ground granulated blast furnace slag[J].Cement and Concrete Research,2007(37)：1096-1105.

[14] 禹 凱.聚炳烯纖維對混凝土早期收縮影響的實驗研究[J].混凝土,2007(5)：65-68.