纖維增強混凝土及施工注意事項

董宏杰 程建霞 劉津明

纖維混凝土是比較常見的一種特種混凝土,因能提高混凝土的抗拉、抗壓性能和改善混凝土的耐久性而逐漸在我們的生活中出現。諸多的工程用纖維都有自己突出的特性,但用于混凝土中的纖維除應具有合理的力學性能外還必須具備高耐堿性,在水泥基體中有自分散性,纖維本身無毒無害,能夠滿足規模化生產和合理的價格等要求。制成的纖維混凝土具有以下優點:

1)增強混凝土的抗裂性能,并且提高抵抗微裂縫繼續開展的能力。2)增強混凝土的抗拉、彎曲以及剪切強度。3)增強混凝土抵抗凍融作用的能力。4)改善混凝土的耐疲勞性能。5)可以減小鋼筋保護層的厚度,從某種程度上可以減小混凝土截面尺寸,從而減輕結構的重量,減少鋼筋用量等。

1 常見的纖維混凝土

1.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是工程中比較常見的特種混凝土,到現在為止鋼纖維已經在隧道襯砌、礦井、建筑工程、管道工程、公路橋梁等多次出現,另外在防爆防災工程和維修加固工程也屢見不鮮。鋼纖維的種類也有很多種,市場上鋼纖維的價格從3 800元/t～15 000元/t不等,這是因為鋼纖維的制作工藝、形狀、技術指標等不同,從而造成價格相差懸殊。通常鋼纖維根據其加工工藝分為熔抽型、剪切型、銑削型和冷拔型四種;按外形分,可分為長直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分,可分為圓形、矩形、月牙形及不規則形。鋼纖維混凝土還可以根據有無受力鋼筋的參與分為無筋鋼纖維混凝土結構、鋼筋鋼纖維結構和預應力鋼筋鋼纖維結構。在鋼筋混凝土結構中鋼纖維混凝土代替整體、部分構件或結構局部的普通混凝土,用來起到增強和改善延性,限制裂縫寬度,提高混凝土的抗裂性能等。

鋼纖維在施工中結團是主要的問題,這種現象不但不能使鋼纖維起到預期的效果反而會削弱混凝土的局部強度,造成構件提前進入破壞期。

影響鋼纖維在混凝土分散均勻性的因素主要有鋼纖維的體積摻量、長徑比、品種,還有混凝土中骨料的粒徑、水灰比、砂率等,此外,投料、攪拌和振搗方法也是影響纖維的分散均勻性的重要因素。為防止鋼纖維的結團現象,鋼纖維的體積摻量不宜超過2%,纖維的長徑比不宜超過100,不宜選用較細的纖維,混凝土粗集料的最大尺寸不宜超過20 mm,采用坍落度較大的混凝土,延長攪拌時間等。此外,攪拌應采用強制式攪拌機,攪拌的方法有:

1)將鋼纖維、水泥、粗細集料干拌均勻,然后再加入水濕拌;

2)將鋼纖維以外的材料濕拌,在拌和過程中邊拌邊加入鋼纖維。

為了使纖維在混凝土中達到更理想的分布,在進行鋼纖維混凝土攪拌前,先對鋼纖維進行分散,可采用人力手工分散,也可采用鋼叉進行人工分散,有條件還可使用纖維分散機分散。

1.2 聚丙烯纖維(杜拉纖維)混凝土

聚丙烯是由丙烯(CH3-CH=2CH2)聚合而成的高分子化合物。它具有不溶于水,耐熱性能良好,在121℃～160℃能連續耐熱,熔點為165℃～170℃,與酸堿和有機溶劑接觸不發生作用,抗拉強度高,加工制作工藝多等優點。早期的聚丙烯纖維是經過聚丙烯薄膜高倍拉伸后,再經針穿刺而成的束狀合成纖維,杜拉纖維不是以膜裂產生的,它是直接拉絲制成的聚丙烯單絲纖維的束狀集合。杜拉纖維混凝土是在混凝土中摻加杜拉纖維,從而改善混凝土材料的韌性,提高混凝土的抗裂、抗滲及抗沖擊性能的新技術材料。這種纖維在生產過程中采用了特殊的處理,提高了纖維在混凝土中的分散性,在施工中,施工的方法和其他纖維施工工藝類似。每次攪拌前進行纖維的稱量,嚴格控制纖維的摻量,攪拌完成后進行隨機抽樣,也可將攪拌時間延長30 s～120 s。杜拉纖維是無毒無害產品,但應該注意在施工時不要讓纖維進入眼睛,因此投料時切忌高空拋撒。如進入眼睛不要揉眼,而是翻開眼瞼用大量的水沖洗,或就醫解決。在杜拉纖維的運輸中注意防止雨水澆淋,同時避免兒童和非知情人員接觸。

1.3 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維混凝土是一種使用較早的混凝土,因玻璃纖維混凝土暴露于大氣中會使強度和韌性大幅度下降,又因水泥水化時產生大量Ca(OH)2,使混凝土呈較強的堿性,玻璃纖維常因被堿蝕而導致脆化,使混凝土的韌性和抗彎強度嚴重下降,使這種混凝土很少在承重構件中使用。我國曾將低堿度的水泥與耐堿玻璃纖維復合,可使制成的天花板、墻板、瓦等的使用壽命延長。

主要施工技術有:1)預拌成型法(先干拌均勻,然后加水濕拌)。2)壓制成型法(除去混凝土中的水分)。3)注模成型法。4)噴射法。5)纏繞法等。施工中控制纖維的摻量也很重要,研究表明,短切纖維,體積率在10%以內時,隨著體積率的增加,混凝土的抗彎強度及抗沖擊強度都增加;體積率超過10%,強度增加不明顯甚至不增加。考慮生產成本及成型的難易,短切纖維體積率一般控制在3%～6%,連續纖維體積率一般在13%～17%。

1.4 碳纖維混凝土

碳纖維混凝土是一種高性能纖維,具有很高的抗拉強度、彈性模量、化學穩定性和與混凝土粘結良好的優點。用于增強混凝土的碳纖維主要是短切碳纖維,長纖維主要應用在混凝土的加固,裂縫的處理上,因加工工藝和技術而受到限制。現已廣泛應用的短纖維增強混凝土的成型方法很多,有澆筑法、擠出法、壓制法、壓制脫水法等。大致做法主要使用短切碳纖維在攪拌機內進行三維亂向混合,混合后的高粘性新拌混凝土澆筑入模、注滿、加壓、擠壓成型,碳纖維在其中三維亂向分散。根據混凝土的用途不同通常有常溫養護、濕熱養護、熱水養護、蒸汽養護、高壓蒸汽養護等。碳纖維混凝土板材及承載構件可優先用在沿海地區,重工業城市及大氣污染較嚴重的地區,在我國有廣闊的應用前景。

短切碳纖維增強混凝土除作為結構材料使用外,目前已被大多數研究者開始作為復合型的功能材料來研究。碳纖維的優良導電性,提高了基體的導電能力,更重要的是還可用于復合體壓敏性和熱電性的測量,有人還嘗試用碳纖維混凝土做路面材料,通電加熱以除路面的冰雪達到防滑的效果。

2 纖維在混凝土中的分散性

為了確切的描述纖維在混凝土中的亂向分布狀態,日本山王博一提出一個表示纖維分散的說法——分散系數法。將任意截面分成若干份,如果各部分中所含的纖維是一個定值,那么分散系數就是1,如果只集中在一個部分,則分散系數是0。即:

其中,β為分散系數;μ為各部分中所包含纖維的平均值;n為分割部分的數目;xi為分割部分i中所含的纖維數。

纖維的分散系數越趨向于1,就說明制作的混凝土更接近理想化,這樣才能達到我們預期的增強效果。對于次要的結構、構件也可以采用隨機抽樣的方法進行纖維均勻分布狀態的估計。

3 結語

在建筑工業迅速發展的今天,混凝土一直都發揮著不可代替的作用。它有著卓越的優點,也有部分缺點,纖維的出現正好能夠補充混凝土較低的抗拉能力。相信纖維的出現不是偶然,類似的材料也會相繼出現。只要我們掌握生產技術和施工要求,不久纖維混凝土將隨處可見。

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