纖維混凝土高溫性能研究的概述

褚選選 陶少華

摘 要：纖維混凝土在各項工程中得到日益廣泛的應用，對改善工程質量并提高長期耐久性發揮了很好的作用。纖維混凝土是當代迅速發展的新型復合建筑材料，可克服水泥基體材料的抗拉強度等力學缺點，滿足工程要求。對纖維混凝土高溫性能的研究，應用前景和社會價值將會十分可觀。

關鍵詞：纖維混凝土；高溫性能；生產建設

1 纖維混凝土

1.1 纖維混凝土定義

以水泥漿、砂漿或混凝土為基體，以金屬纖維、無機非金屬纖維、合成纖維或天然有機纖維為增強材料組成的復合材料的統稱。水泥石、砂漿與混凝土的主要缺點是：抗拉強度低、極限延伸率小、性脆，加入抗拉強度高、極限延伸率大、抗堿性好的纖維，可以克服這些缺點。

1.2 分類

所用纖維按其材料性質可分為：①金屬纖維。如鋼纖維、不銹鋼纖維（適用于耐熱混凝土）。②無機纖維。主要有天然礦物纖維（溫石棉、青石棉、鐵石棉等）和人造礦物纖維（抗堿玻璃纖維及抗堿礦棉等碳纖維）。③有機纖維。主要有合成纖維（聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龍、芳族聚酰亞胺等）和植物纖維（西沙爾麻、龍舌蘭等），合成纖維混凝土不宜使用于高于60℃的熱環境中。以其基體的不同，可分為，①纖維水泥。由纖維與水泥漿或摻有細粉活性材料或填料的水泥漿組成的復合材料，多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、玻璃纖維水泥墻板等。②纖維砂漿。在砂漿中摻有纖維，多用于防裂、防滲結構。如聚丙烯纖維抹面砂漿。

1.3 纖維與水泥的作用

1.3.1 纖維的作用

①阻裂作用。纖維可阻止水泥基體中微裂縫的產生與擴展。這種阻裂作用既存在于水泥基體的未硬化的塑性階段，也存在于水泥基體的硬化階段。當水泥基體硬化后，內部產生的拉伸應力超過其抗拉強度時，纖維可承載一部分應力，從而減少裂縫的產生。②增強作用。添加纖維可以彌補水泥基體本身的不足，如抗拉強度低、內部缺陷等，在一定程度上提高其強度。③增韌作用。當水泥基體在外荷載作用下，發生開裂，纖維可使材料具有一定的延性，不至發生脆性破壞。

1.3.2 水泥的作用

水泥基體在在纖維混凝土中起著三方面的作用，①粘結纖維。與纖維粘結在一起，成為一體，保護纖維。②承受荷載。水泥基體可使復合材料有較高的抗壓強度。③傳遞應力。在外荷載作用下，最初與纖維共同承受拉應力，復合材料呈現彈性變形，一旦基體發生開裂后，通過與纖維的界面粘結將拉應力傳遞給纖維，減少了裂縫的產生。

1.3.3 纖維與水泥的相互影響

在纖維混凝土中，纖維與水泥基體通過各種因素，既相互復合、取長補短，又在一定范圍內相互影響，相互制約。①纖維的最大摻量。在水泥凈漿和砂漿中，纖維的摻量可顯著大于混凝土，這是因為混凝土中含有較多的粗集料，是纖維的摻量受到很大的限制。纖維增強水泥的纖維體積率高于纖維混凝土。②纖維的長度。纖維長度必須超過水泥基體中最大粒子的直徑才能發揮纖維的增強作用。一般纖維最小長度在水泥凈漿和砂漿均低于在混凝土中的長度。但是在混凝土中纖維的最大長度也受到一定限制，不宜大于50mm，否則纖維可能會打團，新拌的混凝土也不宜密實。③纖維的取向。在水泥凈漿或砂漿中，纖維增強體可處于一維定向或二維定向或二維亂向，而在混凝土中絕大多數情況下只能限于三維亂向。當纖維體積率相同時，纖維在水泥凈漿和砂漿中的利用率顯著高于在混凝土中。

2 纖維混凝土高溫性能的研究現狀

2.1 研究

研究表明，800℃ 時，混雜纖維混凝土的抗折強度剩余率約15%，明顯高于基準混凝土的抗折強度剩余率（約6%）；抗壓強度剩余率約15% ，與基準混凝土的強度剩余率相當（約15%）； 劈裂抗拉強度剩余率約20%，明顯高于基準混凝土的抗折強度剩余率（約10%）。另外混雜纖維明顯提高了混凝土的抗爆裂性能。20世紀70年代，很多學者對普通混凝土高溫性能的研究表明，混凝土結構在火災受熱過程中可能發生毀壞性爆裂， 對于脆性和密度更大、滲透性更低的一般高強高性能混凝土，爆裂更易產生， 導致材料強度損失甚至構件坍塌，而且應力越大， 這種破壞越嚴重。通過許多學者對混雜纖維改善混凝土高溫性能的研究，通常認為混凝土受熱爆裂的過程， 就是混凝土中水分從混凝土內部逸出的過程。對于高強度混凝土，由于其密實度高，孔隙率低，蒸發通道不暢，使水不能足夠快地逸出，從而產生幾乎達到飽和蒸汽壓的過高蒸汽分壓，遠遠超過混凝土抗張強度，導致混凝土不能抵御這種過大的內部壓力而發生爆裂。高性能混凝土加入混雜纖維后，情況發生了變化。

2.2 現狀

針對纖維混凝土的優缺點，學者作了大量研究試驗，纖維混凝土的高溫性能在逐漸的改善。最近的研究表明，在混凝土內摻入一定量聚丙烯纖維可以起到防爆作用，歐洲一些學者的試驗也證明了這點。基于這些研究成果，大量學者采用低熔點（聚丙烯纖維） 及高熔點纖維（鋼纖維） 混雜，從增強混凝土高溫力學性能及防爆裂方面進行了研究。隨著研究的不斷深入，技術水平也在不斷提升，但是有許多不足有待完善。

3 影響高溫性能的因素

鋼纖維對混凝土抗壓強度和彈性模量的影響較小。在溫度升高時， 混凝土試塊將產生較多微裂縫，隨著鋼纖維摻量的增加， 鋼纖維對裂縫開展具有一定的抑制作用，從而其高溫后強度較素混凝土的高溫后強度降低要小。在高溫作用下，鋼纖維主要是通過阻止混凝土溫度裂縫開展、增強抗裂性能起作用，對高溫后抗拉強度的降低作用小于抗壓強度。

根據聚丙烯纖維對溫度的反映不同，不同溫度下，聚丙烯纖維均不同程度的降低了混凝土殘余抗壓強度。當溫度超過聚丙烯纖維的熔點，混凝土內的聚丙烯纖維就會揮發逸出，并在混凝土中留下相當于纖維所占體積的均勻孔道，這對于混凝土內由于溫度升高所產生的水蒸氣和熱量的排出都是很有利的，可以降低孔壓力，改善混凝土的抗爆裂性能.基于以上特點，聚丙烯纖維被廣泛用于提高高溫下混凝土的抗爆裂性能。

4 結語

本文通過對已有研究結果的分析，歸納，總結了纖維混凝土高溫性能的研究現狀以及不同纖維種類對混凝土強度的影響。目前國內對纖維混凝土的認識還需要很大的研究和投入。纖維混凝土高溫性能的研究，在以后都生產建設與科學研究中，具有指導性的意義，同時要對該領域不斷的進行探索。

參考文獻

[1]黃承逵.纖維混凝土結構.機械工業出版社，2004

[2]沈榮熹，王璋水，崔玉忠.纖維增強水泥與纖維增強混凝土.化學工業出版社，2006

[3]陳輝國，劉盈豐，孫波，等.鋼纖維摻量對混凝土高溫力學性能的影響.重慶交通大學學報，2010

[4]杜紅秀，張雄. HSC/HPC的火災（高溫）性能研究進展[J].建筑材料學報，2003

[5]張道玲，鞠麗艷.復合纖維對高性能混凝土高溫性能的影響研究.工程質量， 2005