高彈模纖維混凝土研究現狀及應用

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一、纖維混凝土發展現狀

纖維混凝土具備高強度，高韌性，高耐久性等特點，目前纖維混凝土根據彈性模量大小可分為高彈性模量纖維以及低彈性模量纖維，低彈性模量纖維包括各種有機纖維，聚丙烯纖維，聚乙烯纖維等，高彈性模量纖維則是包括鋼纖維，玻璃纖維，碳纖維等，前者只能提高混凝土的韌性，抗沖擊性能，塑性等，后者則是能夠明顯改善混凝土的剛性和強度，就實際效果來說目前高彈性模量纖維的應用更加的廣泛。各類纖維在工程之中的使用情況表明：只有高彈性模量纖維具備穩定持久的力學性能，在工程結構中使用得當的話，能夠取得非常優良的經濟效益。

二、高彈模纖維混凝土特性

高彈性模量纖維主要分為鋼纖維，玻璃纖維，碳纖維三大類。

(一)鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是目前世界范圍內使用最多的混凝土增強材料，鋼纖維具備抗裂，抗沖擊能力強，與水泥之間結合非常好等優點，能夠有效的增強結構的強度，延長混凝土結構的使用壽命。目前鋼纖維根據其加工的方式不同可以分為熔抽型，拉絲切斷型，剪切型，切削型等，根據不同的原材料可以分為普通鋼纖維和特種鋼纖維，從目前的研究成果來看，鋼纖維的加入除了能夠增強抗拉，抗剪，抗壓強度，還能夠顯著的改善鋼筋混凝土結構使用過程中的極限應變，裂后承載，耐磨，抗折，抗疲勞等性能，加入適量鋼纖維，抗拉強度提高25%-50%，抗彎強度提高40%-80%，抗剪強度提高50%-100%，沖擊抗壓韌性提高2-7倍[1]。

(二)玻璃纖維混凝土

玻璃纖維是一種性能優異的無機非金屬材料，玻璃纖維具備絕緣性好、耐熱性強、抗腐蝕性好，機械強度高等特性，目前用于高性能混凝土中的玻璃纖維主要為高強度玻璃纖維，石英玻璃纖維，高硅氧玻璃纖維，其中前者由于性價比出色，以每年10%的增長率飛速發展，后兩者屬于耐高溫纖維，是建筑材料中比較理想的耐熱防火材料，由于玻璃纖維的強度重量比會比鋼更大一些，因此具備較高的抗拉強度，同時它的延伸性較低，具有很高的抗變形能力，也不存在長期蠕變，能夠確保結構的長期安全使用。研究表明[2]混凝土彈性模量隨著纖維體積率增加而減小，混凝土變形能力增強。玻璃纖維體積率在1%左右算是一個比較合理的摻量，纖維過多會導致混凝土孔隙率變大從而性能下降。

(三)碳纖維混凝土

隨著國防軍工，航天等領域的發展對于復合材料的高要求，碳纖維逐漸得到發展應用，碳纖維具備軸向強度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環境下耐超高溫，耐疲勞性好，電磁屏蔽性好等優點[3]。碳纖維運用到混凝土結構中具備以下幾大特性：①重量輕：比重是鋼材的1/4，單位面積重量是鋼板的1/100。②超高強度：抗拉強度是鋼材的10倍。③優良的耐久性能：耐酸，堿，鹽等環境下的腐蝕。④施工方便：材料質地柔軟，方便加工，不需要大型機械介入。⑤施工效果好：碳纖維材料和混凝土接觸面積在80%以上。但是碳纖維價格偏高，只適用于局部關鍵構件的增強處理。

三、高彈模纖維混凝土應用領域

(一)工業與民用建筑中的應用

在常規的高層、大跨度建筑結構中常用預制混凝土構件，比如混凝土預制管道等，在采用纖維混凝土材料后，構件的承載能力，抗裂抗震性能以及抗沖擊耐久性能均得到了明顯的增強。

(二)隧道和橋梁工程的應用

橋梁隧道工程的技術發展和橋面材料的性能有著密切的聯系，用纖維混凝土材料作為橋面鋪裝材料能夠非常明顯的起到抑制裂縫開展的作用，能夠增強橋面的防水性能和抗破碎性能，而且能夠減緩橋面內部鋼筋的銹蝕，一定程度上延長橋面結構的使用壽命。

(三)道路工程中的應用

目前國內城市的干線公路上車流量越來越大，道路損壞的現象也是越來越嚴重。將鋼纖維混凝土應用到道路路面的建設中，充分發揮其彎拉強度高，抗裂，抗疲勞，抗沖擊性能強的優點，取代一部分的鋼筋，減小橋面厚度，縮短施工周期，提供施工質量。

(四)港口碼頭工程中的應用

在港口與海岸工程建設中普遍采用的鋼筋混凝土結構耐久性問題日漸突出[4]，抗腐蝕性是玻璃纖維和碳纖維材料的一大特點，這兩種纖維組成的混凝土結構具備明顯的抗裂，抗沖擊，防滲性能，能夠延緩海水中的氯離子對鋼筋的銹蝕，延緩海水中的硫酸鹽，鎂離子對混凝土材料的侵蝕，并且顯著提高港口碼頭抵抗海浪沖擊的能力。

四、高彈模纖維混凝土存在問題探討

纖維混凝土自從問世以來，憑借其優異的性能在全世界范圍內得到廣泛應用，但是在研究應用過程中還是有不少問題需要解決改進。

(1)由于國內對纖維混凝土研究起步較晚，加上國外的技術封鎖現象嚴重，國產的各種高性能纖維質量普遍不高，只能是依賴國外進口纖維產品，但是使用成本非常高昂。以鋼纖維為例，在某飛機跑道路面工程中以單方混凝土習慣摻量60kg計,單方混凝土僅鋼纖維材料費增加就達400元～600元,這足以使工程成本增加一倍以上[5]。

(2)目前國內對于纖維混凝土的研究多是定性研究，對于復雜荷載環境下，比如動荷載以及各種循環荷載作用下纖維混凝土的損傷變形研究非常少，多是通過試驗得出一個大致趨勢，沒有定量的理論分析，同時在微觀研究方面也是缺乏。

(3)纖維混凝土在攪拌過程中分散性差，容易結團依舊是應用中難以改善的難題，也有學者從攪拌控制方面去解決這個問題，首先，要做好攪拌力的控制，一般以20～60kg/min為宜。其次，鋼纖維不能一次性加入，要分次加入。再次，鋼纖維可以與細集料先攪拌，攪拌均勻后同步投料。最后，牢記先干后濕的投料順序[6]。

(4)隨著纖維混凝土材料在國內的推廣應用，目前有關部分也是出臺了一些規范和技術性的文件對相應的工程進行指導，比如交通運輸部《公路水泥混凝土路面施工技術規范》(JTG F30-2012)和《纖維混凝土應用技術規程》(JGJ/T221—2010)，但是考慮到纖維混凝土種類繁多，即便是高彈模纖維也有三種主要類型，僅僅依靠現在的規范標準不能發揮出各類纖維最大的效果，這方面還是需要依靠實踐經驗總結歸納。