特別策劃：纖維混凝土的生產與應用

趙恒樹（山東億辰混凝土有限公司，高工）

隨著預拌混凝土行業的迅速發展，混凝土墻、板的裂縫也經常發生，為了預防裂縫的發生，設計人員采用新技術，在混凝土中摻入聚丙烯纖維、鋼纖維等增強混凝土拉力的材料。在生產和施工中發現存在以下幾個問題：

（1）在生產混凝土時每方加入 1kg 聚丙烯纖維，混凝土的 28d 抗壓強度比不摻纖維的同配比混凝土低 10% 左右，而抗拉強度同比提高 20% 左右。如果想要達到相同的試配強度，摻纖維的混凝土每方水泥用量應提高 30kg。

（2）在設計纖維混凝土時應考慮以下幾方面因素：

① 結構構件的位置：基礎底板的底部與地基接觸，溫度恒定，底板上部也處于基坑內，受外部環境條件的影響較小，基礎底板大多數為大體積混凝土，只要控制好內外溫差不大于 25℃，就不會產生裂縫。所以，基礎底板不需要摻加抗裂纖維。而有些設計人員偏偏就在大體積混凝土基礎底板內加入抗裂纖維，無故加大了工程成本，造成了不必要的浪費。當地下室外墻或水池子外墻施工時，如果混凝土強度等級大于 C35，而施工期處在 4～10 月期間，最好采用纖維混凝土，這樣可有效地避免裂縫產生。

臨沂建華混凝土公司在 2006 年 6 月份供應了 C50P8 地下室外墻混凝土，使用 P·O42.5 水泥、JEA 膨脹劑、萘系泵送劑、鄒縣電廠Ⅰ級粉煤灰、沂河中砂、石灰巖碎石。當時天氣溫度比較高，最高溫度達到 37℃，原材料也沒有采取降溫措施，混凝土的出機溫度達到 36℃。施工單位對混凝土的養護非常重視，待混凝土終凝后先把模板松開，然后用帶許多小孔的水管向模板內側溜水養護 7d。當把模板拆除后第二天就出現了豎向裂縫，自底板上部 200～500mm 到頂部梁底附近，每隔 3～5m 一道，縫寬 0.5mm 左右，縫長 3m 多。而外墻的每個施工段都不超過 30m。同年 12 月在興大公司 3 號樓的地下室外墻混凝土也是 C50P8 等級，澆筑后也沒采取其他保溫保濕措施，竟然連很微小的裂縫都沒有。這主要是天氣溫度低，混凝土入模溫度低，受天氣降溫的影響很小。

② 混凝土強度等級：C35 及以下混凝土等級的地下室外墻很少出現裂縫，而 C40 及以上混凝土的地下室外墻當在5～9 月份期間澆筑時就很容易出現豎向裂縫，因此在這種情況下最好摻加抗裂纖維，反之就不用摻加抗裂纖維。

③ 天氣溫度的高低：如果要生產 C40 及以上等級的混凝土時，若是處在 11～3 月份期間，就不用摻加抗裂纖維，若是處在 4～5 月和 9～10 月份期間，可在每方混凝土中摻加 0.6kg的抗裂纖維；若是處在 6～8 月份期間，可在每方混凝土中摻加 0.8～1.0kg 的抗裂纖維（這要看生產時的氣溫，若最高溫度在 35℃ 及以上時就應摻加 1.0/m3，若最高溫度在 30～35℃ 期間時，可摻加 0.8㎏/m3）。

柳俊哲（寧波大學，教授）

鋼纖維混凝土具有良好的耐凍融性、耐熱性、耐磨性、抗氣蝕性和抗腐蝕性，因此在高速公路、橋梁、摩天大樓、地鐵、隧道等土木工程中獲得廣泛應用。鋼纖維混凝土隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土中鋼筋的腐蝕速率降低，鋼筋腐蝕面積率減少，顯示出良好的耐腐蝕性能，從而可以很好地保護混凝土中的鋼筋不被銹蝕，但其作用機理有待進一步研究：（1）明確鋼纖維混凝土的阻銹作用與水泥用量的相關關系。鋼纖維混凝土水泥用量較大，是否由于較大的水泥用量生成 Friedel 復鹽時消耗了大量氯離子。（2）闡明是否鋼纖維的阻銹作用是由于摻入比表面積較大的鋼纖維，減小了陰、陽極面積之比，從而抑制鋼筋腐蝕。（3）通過摻入鐵粉或不銹鋼纖維等闡明鋼纖維的摻入削弱了鋼筋的陽極作用。（4）鋼纖維的摻入對碳化銹蝕的影響。（5）鋼纖維在混凝土中的分布是分散、亂向和不連續的，因此難以形成高能量局部電池效應。（6）合理設計鋼纖維種類、直徑、長度、摻量、鋼筋周圍的分布取向等參數，確定鋼纖維在鋼筋混凝土中抑制腐蝕的最佳效果。

戴會生（天津港保稅區航保商品砼供應有限公司，工程師）

纖維混凝土有 JGJ/221-2010 《纖維混凝土應用技術規程》可供參照執行。在實際的生產和應用中，主要是鋼纖維混凝土和聚丙烯纖維混凝土，前者的應用時間較長，近幾年，后者的應用量有明顯增加。作為纖維混凝土，應用的主要工程項目大多是公路路面，橋梁的橋面鋪裝層、機場道面、港區道路、堆場鋪面，也有少量的樓板或者結構物的頂板部位。在道面混凝土的坡道或者橋涵下部通道的應用較為普遍。在混凝土中添加纖維的主要作用主要有兩方面：一是提高抗折強度，二是減少或避免混凝土開裂。從添加量來說，在每立方米混凝土中鋼纖維一般要添加數十公斤，而聚丙烯纖維則不足一公斤。

受到攪拌站自有條件的限制，一般來說，在生產過程中纖維的添加都是靠人工完成的，但這并不意味著計量的不準確。計量是自動的，并且可以輔助可調的定量小包裝，只不過纖維材料不能像水泥和砂石一樣存儲于料倉或料斗當中。

混凝土自身是有脆性的，抗折強度等級高的混凝土其抗壓強度也偏高，脆性更為增強，添加纖維來改善脆性，尤其是抗折性能是必要的。但通過以往的項目應用經驗，抗折指標低于 5.5MPa 的混凝土是不需添加纖維材料即可實現的。對于抗折指標在 6MPa 以上的混凝土，添加纖維來增強是很有必要的。一般有如此高抗折要求的混凝土都是受重載甚至受動荷載的。在兩種纖維材料的選擇中，筆者更傾向于應用鋼纖維，因為聚丙烯纖維的使用量小，在混凝土中的分散較鋼纖維差，雖然在拌制混凝土時投料順序、攪拌時間等參數設置較普通混凝土都需做改變，但分散效果仍然不是很理想。

在做配合比的設計和混凝土原材料的選擇時應注意膠凝材料的用量、砂率和骨料的粒徑，在生產時直接向普通的混凝土中添加纖維的做法勢必要減弱添加效果。

計海霞（淮北永尚新型建材有限公司，高工）

隨著高層建筑與日俱增，高強度商品混凝土也得到了廣泛應用。對于高強混凝土產生的裂紋，讓同行業人士備感糾結。為減少這些裂縫的出現，聚丙烯抗裂纖維在混凝土中得到了廣泛運用，但是在使用過程中對于聚丙烯纖維的鑒別與特性很多人并不是很了解，再次和大家共同探討一下聚丙烯纖維的鑒別與特性。

（1）聚丙烯纖維的鑒別

① 簡單的方法是把纖維放到水中，如果纖維浮在水中就是聚丙烯纖維，若纖維沉到水下則說明該纖維屬玻璃纖維。

② 另外纖維的外觀應該是透明自然的，過白或染色都擺脫不了用再生料生產的嫌疑，強度無法保障；成包的纖維看上去雜亂、顏色不統一，基本可斷定是紡織下角料切斷而成的，其分散性無法保證，對混凝土性能改善不僅無益，反而有危害。

（2）聚丙烯纖維混凝土的特性

據相關資料記載，聚丙烯纖維混凝土是把一定量的聚丙烯纖維加入到普通混凝土的原材料中，經過攪拌機的攪拌，纖維受到了水泥、砂石的沖擊混合，均勻分布在混凝土中。作為次要的增強材料，摻入每立方混凝土中 0.9%，如果采用 19mm 的纖維，每方混凝土中約有 700～2000 萬根獨立的纖維，即平均 7～20 根/ cm3左右。這些方向隨機分布的纖維對混凝土性能有很大的改善。

胡景平（北京綠砼科技有限公司，經理）

1 纖維加入基體中的作用

（1）阻裂。阻止水泥基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并有效延緩新裂縫的出現。

（2）防滲。通過阻裂提高水泥基體的密實性，防止外界水分侵入。

（3）耐久。改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能，提高其耐久性。

（4）抗沖擊。提高水泥基體的耐受變形的能力，從而改善其韌性和抗沖擊性。

（5）抗拉。在使用高彈性模量纖維前提下，可以起到提高基體的抗拉強度的作用。

（6）美觀。改善水泥構造的表觀性態，使其更加致密、細潤、平整、美觀。

2 目前主要使用的纖維混凝土的種類及優缺點

（1）鋼纖維。鋼纖維混凝土的技術特點是能提高混凝土的韌性和抗拉強度，但是鋼纖維攪拌時易結團，混凝土和易性差，泵送困難，難以施工且易銹蝕，鋼纖維混凝土的自重大，在制造方面使用大量的鋼材，加大了對鋼材的消耗，增加成本較多。鋼纖維在使用過程中破壞形態主要是被拔出，而不會被拉斷，這說明鋼纖維與混凝土的粘性不足，這會影響提高混凝土抗拉強度的效果，它增韌增強的原理是當裂縫產生后由于鋼材的高模量和單根的高抗拉強度，阻止了裂縫的進一步開展；但由于數量有限，對微觀裂縫約束效果不大，對抗滲、凍融等性能提高并不明顯，另外，施工中鋼纖維密度過大，振搗澆筑時往往會沉于混凝土下部，不可能均勻分布，這就是理論研究結論較好，而與實際應用效果相比差異很大的主要根源。

（2）玻璃纖維。盡管玻璃纖維已用于鋪設混凝土路面，但是玻璃纖維在使用中暴露了很大的缺點，如玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時間后，其強度和韌性會大幅下降，即由早期高強度、高韌性向普通混凝土退化。眾所周知，普通的玻璃纖維還有一個致命的弱點，就是不耐堿，堿骨料反應是水泥混凝土的“癌癥”。因此，普通玻璃纖維是不能用作水泥混凝土基增強材料的，即使是耐堿玻璃纖維（AR）也不適宜與普通波特蘭水泥復合，最好與低堿度水泥復合。這主要是為了減輕水泥基材對玻璃纖維表面的堿性侵蝕作用。我國“雙保險”的技術路線（即耐堿玻璃纖維與低堿度水泥復合）由于是“削足適履”的做法，加之，耐堿玻璃纖維在外觀上很難與普通玻璃纖維相區別，幾十年來一直難以大面積推廣。

（3）合成纖維。合成纖維包括聚丙烯纖維、聚酯和聚丙烯腈纖維等，它與鋼纖維的相似點是不受水化產物的侵蝕，有一定的抗拉強度，可三維亂向分布于混凝土基體中，其阻裂原理是充分發揮了纖維數量（每公斤數千萬根）優勢，具有很大的表面積，對微裂縫約束，使之不至于連通，效果顯著。但是合成纖維密度小，單絲直徑較小，存在增稠效應，不利于混凝土的振動密實，由于合成纖維的抗拉強度較低，在使用過程中其破壞形態主要是纖維被拉斷，且在抗老化、耐堿方面也不夠好。

（4）碳纖維。20 世紀 60 年代開發研制的一種高性能纖維，具有抗拉強度和彈性模量高、化學性質穩定，與混凝土粘結良好的優點，但由于碳纖維價格昂貴，工程應用中受到很大的限制。

（5）玄武巖纖維。是一種無機纖維材料，用純天然火山噴出巖為原料，經 1450～1500℃ 高溫熔融后快速拉制而成的連續纖維，其外觀為金褐色，具有卓越的綜合性能和較低的價格，連續玄武巖纖維的特性：① 原材料的天然性。由于生成 CBF 的原料取決于天然的火山噴出巖，除了具有很高的化學穩定性和熱穩定性，也不含對人類健康有害的成分。② 性能的綜合性。玄武巖纖維是名副其實的“多能”纖維。譬如，既耐酸又耐堿、既耐低溫又耐高溫、既絕熱電絕緣又隔音，拉伸強度超過大絲束碳纖維，斷裂延伸率比小絲束的碳纖維還要好；CBF 表面極性，與樹脂復合時界面結合的浸潤性極好，而且 CBF 具有三維的分子維數，與分子維數一維的線性聚合物纖維相比，具有較高的抗壓強度、剪切強度和在耐惡劣環境中使用的適應性、抗老化性等優異的綜合性能。③ 成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武巖價格并不高，明顯低于鋼纖維、碳纖維等，與合成纖維相當。④ 天然的相容性。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維，用它與水泥混凝土和砂漿混合時很容易分散，新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩定、和易性好、耐久性好，具有優越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性。此外，玄武巖纖維的耐堿性要比耐堿玻璃強。因此，玄武巖纖維增強混凝土可以在基本建設的各個領域起到防滲抗裂、延長使用壽命等作用。