復合建材的開發——纖維混合型改良建材

文/余為紅 長江大學 湖北荊州 434000

復合建材的開發——纖維混合型改良建材

文/余為紅 長江大學 湖北荊州 434000

混凝土是在房屋建筑中使用最為廣泛的一種建材，也是一種經濟，耐久性兼備的不可或缺的建筑材料。但是在混凝土硬化后重要的力學性能評價上，相對于它優秀的抗壓強度，混凝土在抗拉，抗彎及抗剪方面上存在一定的待提高空間。如何提高混凝土的抗拉，抗彎以及抗剪強度也是混凝土改良的重要方面。作為改良的對策，現行的主要方法是加入鋼筋，也就是熟稱的“鋼筋混凝土”。但鋼筋混凝土的使用也存在著混凝土裂縫等問題。而混凝土裂縫將導致混凝土的強度，耐久性，防水性的降低。為了改善混凝土最長出現的裂縫問題，最直接的方式就是提高混凝土的抗拉，抗彎及抗剪強度。而如何提高混凝土的抗拉，抗彎及抗剪強度，我們考慮兩種方法。一是在混凝土建材的制作過程中混入纖維改良材料，提高混凝土的韌性，二是預估混凝土建材受拉，受彎以及受剪力集中的部位，同樣的制作過程中對于受力集中的部分進行局部的混入纖維材料達到改良效果。在本文中，我們將介紹國內外纖維混合型改良建材的試用現狀，分析纖維混合型改良建材的優勢，以及其開發制作過程中可能面臨的開發困難點。

纖維混合型改良建材

1、纖維混合型改良建材的使用現狀

在國際上，纖維混合型改良建材已經投入使用，以日本為主的地震多發國家，已在混合型改良建材的開發研究上取得一定的研究成果。現有已開發的混合纖維有鋼纖維，玻璃纖維，碳素纖維，以及以天然材料為主的有機纖維。根據建材的不同用途以及纖維材料的不同特性，而選擇適合的混合纖維。其中特殊鋼纖維混合改良混凝土建材的設計強度已達到普通混凝土的5至8倍程度。其改良后的彎曲強度更是到達普通混凝土的10倍程度。強度增加同時，混凝土開裂的概率減小，其自身的耐久性增強。由于強度的增加，配筋率也可以相應降低，所需建材的尺寸也可以相應減小，在經濟方面上，也并不會由于混合纖維而增加預算。

在國內，混合纖維主要為碳纖維以及鋼纖維。近10年來我國碳纖維制備與應用技術急速發展，已在建筑工程，航空航天等多種產業中得到廣泛應用。在建筑工程產業中，我國自上世紀90年代開始進行碳纖維復合材料在土木工程、建筑補強中的應用研究，并在產品生產、裝備制造、材料評價及設計體系、應用技術等方面取得了大量成果。先后被用于人民大會堂、天安門城樓、北京工人體育場、京沈高速公路橋、北京地鐵隧道、北京國貿立交橋、中石油輸油管道等眾多重大基礎設施、公共設施和工業設施[1]。

2、纖維混合型改良建材的優勢

對纖維混合型改良建材的優勢，除了前文中所提到的改良建材在抗壓，抗拉，抗彎，以及抗剪強度上的大幅度提高，更需要關注的是它在提高建材韌性方面的表現。混入了纖維改良材料的混凝土建材，在材料出現開裂的情況后，由于連接裂縫兩側的纖維與混凝土間存在著摩擦力，摩擦力的作用將會抑制混凝土建材的繼續開裂，增加其耐久性。它經常被用于隧道，橋梁，橋墩等土木建造物來防止混凝土面的剝離脫落，以及抑制混凝土的開裂。混凝土中混入纖維改良材料也可以有效的防止混凝土氧化過程中可能出現的起霜現象。

此外，纖維改良型混合建材的韌性，也將在地震發生時起到重要作用。我國國土的絕大部分在非地震帶上，由于板塊的移動而發生大型地震的危險性相對較低。但也存在小部分在分布在地震活躍帶附近的城市，近年來也有數次地震的發生。除此以外，由于斷層的能量而引發的直下型地震（1976年的唐山地震）的危險性更是不可忽視。一旦發生地震，建筑物的梁，柱，樓板很大程度上會出現開裂，在鋼筋達到屈服強度后將會出現斷裂，而這些往往發生在一瞬間。然而，纖維改良型混合建材的使用，它的韌性將會減緩開裂的速度，在地震災害發生時增加生存的可能性，爭取寶貴的時間。

3、纖維混合型改良建材的開發困難點

而現有的改良纖維也大多數為人工物，成本也比較高，我們也可以考慮采用廢棄的輪胎等膠制品，或者竹子等自然產物來開發新型的節能，環保型混合纖維。竹子的生長速度非常快，2-3年即可長成，是種可持續使用的環保資源。對于竹制纖維的使用可能性，在日本已有相關研究[2]。

改良纖維開發的困難點主要有以下幾個方面：

第一，纖維的尺寸。如何確定最適合的纖維尺寸是開發過程中很重要的一環。對于大型建材，短纖維的使用可以一定程度的提高建材的強度，但在抑制建材開裂速度的方面作用較小。

第二， 纖維的混合情況。如何均勻的混入改良纖維是纖維改良型建材開發中另一個需要面對的問題。原則上，混凝土中混入纖維的方向不可能均一，對于全方面的改良作用比較明顯。在此之上，如何相對均勻的混合纖維，對于不同纖維，如何有效的分散纖維，找到其最適合的混合方法，避免纖維的不均勻混合造成纖維的集中現象也是重要的需解決的問題點。

第三， 集中改良型建材的開發。對于集中受力點，受力方向可預測的建材，使用長纖維或者網狀纖維進行改良也是我們可以開發的方向。

總結:

在本文中，我們大致上介紹了纖維改良型建材的類型，國內以及國際上在纖維改良型建材的開發研究及使用現狀。在此基礎上分析了纖維改良型建材的優勢以及其開發的可能性和開發過程中存在的困難點。總結出一下幾點：

第一，纖維混合型改良建材可以很大程度的提高混凝土的抗壓，抗拉，抗彎，以及抗剪強度。而強度增加同時，混凝土開裂的概率減小，其自身的耐久性也隨之增強。

第二，纖維改良型混合建材的韌性，也將在地震發生時起到重要作用。一旦發生地震，建筑物的梁，柱，樓板很大程度上會出現開裂，纖維改良型混合建材的使用，它的韌性將會減緩開裂的速度，在地震災害發生時增加生存的可能性，爭取寶貴的時間。

第三，如何均勻的混入改良纖維是纖維改良型建材開發中一個重要的問題。

[1]促進國產碳纖維及其復合材料產業加速發展，中國建材報，2015.7.

[2] Study on strength characteristics of reinforced soil by cement and bamboo chip, Huang He, Jin Shaohong, and Yamamo to Haruyuki,Applied Mechanics and Materials, Vol 71-78, pp.1250-1254, 2011.7.

余為紅，男，1966.5，湖北，本科，建筑施工管理，工程師。