淺談纖維增強混凝土技術與應用

秦松

摘要：纖維混凝土的綜合性能比普通混凝土高。纖維可以抑制混凝土裂縫的形成，提高抗拉抗彎等強度和抗?jié)B性能，增強抗老化能力和耐久性，提高混凝土的使用壽命，抗腐蝕性、加工性能也有明顯的提高，抗沖擊性能的提高為可能承受沖擊荷載的混凝土結構提供了有效的幫助，增加混凝土的致密性，提高結構的承載能力。

Abstract： The comprehensive performance of fiber concrete is higher than that of ordinary concrete. Fiber can inhibit the formation of concrete cracks， improve tensile strength and impermeability， tensile strength and durability， improve the service life of concrete， improve corrosion resistance and processing performance， and improve impact resistance. It provides effective help for concrete structures that may withstand impact loads， increases the compactness of concrete， and improves the bearing capacity of structures.

關鍵詞：纖維;混凝土;工程性質

Key words： fiber;concrete;engineering properties

中圖分類號：TU528.572? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）28-0271-03

0? 引言

混凝土具有較高的強度、良好的抗火和抗水性能、優(yōu)秀的可塑性，取材方便，經濟性也十分優(yōu)越，使其成為工程設施建設使用最廣泛的材料，所以它的工程性能與發(fā)展狀況被人們所關注。從混凝土的發(fā)明到現在已經有一百多年的歷史了，期間有無數的學者對其進行了各種研究，也相繼涌現出大量的新材料，開發(fā)出大量的施工工藝，使得混凝土的各項性能均有非常大的提升。隨著科技的發(fā)展與時代的需要，受到推廣新型復合材料和綠色建材的影響，新一代的混凝土材料向著綠色、高性能、智能化、裝配式、循環(huán)利用等方向發(fā)展。

混凝土一般由水泥或石灰、骨料（石子砂子）、水和外加劑反應固結而成，水泥作為膠結材料，起到粘結、填充、潤滑等作用，在水化反應后與骨料膠結形成具有較高強度的承載結構。提高混凝土工程性質有多種方法，可以添加外加劑，張建彬、李新宇等研究了不同礦粉及高云母石粉對混凝土性能的影響[1，2]，還可以添加纖維束來獲得纖維增強型混凝土。纖維混凝土指的就是一類在混凝土基體中加入了高性能短切纖維后所形成的新型建筑材料[3]。在混凝土中添加纖維作為增強材料，可顯著提高混凝土強度[4]，抗剪能力也會有較大的提高，并且纖維與水泥水化物還能起到膠結的作用，提高了混凝土的延展性，使得混凝土在破壞前有較為明顯的征兆，不會如素混凝土般脆性斷裂，提高了混凝土結構的安全性。

本文論述了各種纖維的特性，并討論了添入混凝土后對混凝土工程性能的影響。

1? 纖維類型及其工程特性

1.1 碳纖維增強混凝土

碳纖維能運用在許多高新技術上，譬如航空航天科技、復合材料等領域，同時碳纖維也是興起于航天等對材料性能有極高要求的技術。碳纖維具有高強度、重量輕、抗腐蝕、彈性模量高等特性，能夠適應大多數工程的需要且能在特殊環(huán)境條件下工作。碳纖維由石墨烯晶體組成，石墨烯晶體集聚形成纖維單體，單纖維構成纖維束形成碳纖維結構體。纖維單體直徑8～15μm，組成的碳纖維厚度大約0.1～0.2mm，相對密度僅為鋼材的25%，而抗拉強度卻比鋼材強約10倍，作為建筑材料有著混凝土和鋼材無法比擬的性能。在混凝土中，碳纖維與混凝土材料間的有效接觸面積可達95%以上，能夠發(fā)揮出自身擁有的絕大部分功效。然而受限于碳纖維的價格，完全采用碳纖維建造建筑物不符合經濟性要求。但在混凝土中添加碳纖維同樣可以大幅度提高混凝土的性能。

碳纖維混凝土具有較為理想的抗腐蝕性及耐久性，能在鹽、堿、酸等惡劣環(huán)境中工作，而普通混凝土在海水中或鹽堿地會很快被腐蝕掉，添加碳纖維能夠提高混凝土的使用壽命。碳纖維的重量比混凝土輕，可以降低混凝土的密度，減小結構承受的荷載。除此外，碳纖維混凝土還具有一定的導電性，能夠建造特種建筑，如抗靜電面板、電磁屏蔽室等。壓縮性和韌性較好，導致塑性變形能力提升，進一步提高碳纖維混凝土的抗拉強度和抗剪強度。碳纖維適用的范圍很廣，樓房、橋梁、隧道等民用及工業(yè)建筑均有使用價值。

1.2 合成纖維混凝土

合成纖維通常為有機化合物通過聚合反應獲得，類型主要有聚酰胺纖維、聚丙烯纖維和聚酯纖維等。合成纖維的特性與碳纖維有一些相同點，比如比重較輕、抗拉強度較高、耐久性較強等。此外，合成纖維相對于碳纖維還具有較高的延展性、耐沖擊性，對混凝土的彈性形變有較好的提高作用。合成纖維的耐久性、抗腐蝕性、加工性能也是非常優(yōu)秀的。

添加合成纖維的混凝土能夠有效提高強度，纖維三維隨機且均勻分布在混凝土中，利用自身的強度及與水泥水化物膠結，使得在混凝土內部即受到約束，從而提高了抗壓強度，但提高的效果并不是很大，將其作為添加劑來提高混凝土抗壓強度并不是較好的選擇。纖維束與水泥水化物結合后增大了接觸面積，使得摩擦力提高，再利用纖維自身較高的抗拉性能，提高了混凝土內部可承受的抗拉應力提高。眾所周知，素混凝土較脆，當受到沖擊時容易斷裂或局部掉落，影響構件的使用安全，而添加纖維可以提高耐沖擊能力，沖擊力可被纖維吸收，減小混凝土承受的瞬間荷載。合成纖維的熱穩(wěn)定性較差，部分類型的合成纖維在高溫條件下其性質還會發(fā)生改變，所以合成纖維混凝土不宜作為承受高溫的結構構件。根據聚合原材料的不同，合成纖維的抗腐蝕性能也有所不同，但總的來說，合成纖維的抗腐蝕性能均較低，在酸堿環(huán)境下并不能提高混凝土的使用壽命。再者，合成纖維在空氣中會被氧化，混凝土中也有微量的氧氣存在，時間長之后免不了會被氧化，即使是微量的氧化都可能會影響混凝土構件的使用。

1.3 鋼纖維混凝土

目前增強混凝土的纖維材料中鋼纖維運用最為普遍。剛才具有許多優(yōu)良的工程性質，比如抗拉能力強、延展性好、抗沖擊等，使其成為使用量非常大的建筑材料。鋼纖維根據其加工方法及形狀分為不同的型號，有熔抽型、冷拉絲型等，又分為波浪型、直型、端勾型等，根據使用的鋼材不同，又分為普通和特種鋼纖維。

添加鋼纖維的混凝土抗拉、抗壓、抗剪性能均有提高，提高抗拉強度的原理與碳纖維類似，都是通過自身的抗力來提高混凝土的抗拉強度。垂直剪應力分布的鋼纖維能夠提高混凝土的抗剪強度。鋼纖維添加使得混凝土的密實度增加，增強了構件的抗壓強度。在相同的抗壓強度下可以有效減少混凝土構件的截面積，構件體積減少，可減少混凝土的使用量30%～40%，既增加了空間的使用效率，又使得混凝土造價降低。同時，添加了鋼纖維的混凝土，早期強度有所提高，縮短施工工序間隔時間，有效地減少施工周期。鋼纖維還能提高混凝土的斷裂韌性，在混凝土發(fā)生斷裂時，減輕脆性斷裂，使混凝土破壞前有明顯的預兆增加應急時間。最大應變、抗疲勞、抗沖擊、耐久性都有不同程度的提高。但使用鋼材的缺點也是比較明顯的，易腐蝕的特性使其不適合在腐蝕環(huán)境下工作，空氣中銹蝕也會降低其使用性。在大多數條件下，混凝土添加鋼纖維都能夠有效發(fā)揮其作為外加劑的作用。

鋼纖維增強混凝土適用于早期強度要求高、大體積或面積連續(xù)澆注的混凝土結構，比如橋梁的箱梁、隧道、機場等，但在普通的建筑物中，使用鋼纖維增強混凝土會引起造價高、混凝土比重大、纖維在混凝土中分散不均勻（纖維下沉導致混凝土底層含量較多）等問題。

1.4 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維也分為多種，較為常見的是石英玻璃纖維、高硅氧玻璃纖維和高強度玻璃纖維。高強度玻璃纖維具有較高的強度，強度/重量值較大。高硅氧和石英玻璃纖維的耐火性較好，屬于耐高溫材料，適用于在高溫條件下工作。玻璃纖維的特性為強度與重量的比值比鋼材還要大，抗拉性能好，具有堿溶性，并且性質與形狀穩(wěn)定，擁有較高的使用壽命。玻璃纖維的延展性較低，雖然抗形變能力高，但破壞時多為脆性破壞，與素混凝土一樣沒有明顯的征兆，難以及時觀測。

混凝土中添加玻璃纖維可以提高強度，耐火性能也會大大提高，與混凝土材料有良好的相容性。玻璃纖維混凝土耐久性和耐摩擦性能較好，同時耐腐蝕性能也比素混凝土強。

1.5 玄武巖纖維混凝土

玄武巖纖維是一種無機纖維，原材料為火山噴出巖，通過高溫熔融后拉抽制成，連續(xù)性較好。玄武巖纖維的綜合性能較好，成本較低，適用于作為添加劑增強混凝土。火山巖具有很高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，制成的纖維同樣具有這些性質。耐腐蝕性能良好，能適應高溫或低溫的工作環(huán)境，同時抗拉強度和延展性要比碳纖維強，抗老化性、抗壓縮性、抗剪強度較高。價格與合成纖維差異不大，比鋼纖維和碳纖維的價格要低。玄武巖的主要成分為二氧化硅，制成的纖維為硅酸鹽型纖維，密度與混凝土材料相近，在水泥砂漿中容易均勻分散。玄武巖分布較廣，在我國各地區(qū)均有分布，取材便利，降低了造價及運輸成本。

玄武巖纖維添加進混凝土中，可以提高混凝土的抗?jié)B能力、耐高溫性能、耐腐蝕性能。與鋼纖維等相比，由于性質比較接近，玄武巖纖維與水泥水化物結合更好，使得混凝土更加致密，進而導致抗壓強度提高，同時抗腐蝕性能更強。玄武巖纖維混凝土同樣具有抗沖擊的性能。根據纖維尺寸的不同，對混凝土性能的提高程度也不相同，可以通過試驗來測試纖維添加量對混凝土各項工程性能的影響。

2? 運用領域

2.1 橋梁與隧道

橋梁與隧道工程對材料的要求較高。混凝土添加纖維可以抑制裂縫的形成，提高強度和抗?jié)B性能，這對橋梁和隧道有著極為重要的作用，橋梁的橋墩有的會處于水中，隧道的襯砌更是大部分都被裂隙水圍繞，抗?jié)B性能的提高將能有效保護混凝土內部的鋼筋，減少銹蝕，強度的提高能夠增加構件應力極限，隧道和橋梁施工過程中在很長的一段周期內會存在徐變或沉降變形，徐變量和沉降量過大就會導致裂縫的產生，進而引發(fā)結構安全問題與隧道漏水，纖維抑制裂縫能夠減輕這些問題。添加纖維能增強混凝土的抗腐蝕能力，有利于橋梁和隧道在復雜環(huán)境下的使用壽命，增強結構的安全性。延展性與抗沖擊能力的提高有利于增強橋面與襯砌的抗破碎能力，減小沖擊荷載對結構安全的影響。強度/重量值的提高能夠有效減少混凝土的用量，對減輕混凝土自重荷載有較好的效果，有利于降低橋梁沉降量。

2.2 部分工業(yè)與民用建筑

在對混凝土性能要求較高的結構中，比如高層建筑、大跨度結構、預制構件等，添加纖維后能改善混凝土的抗裂能力、抗震性能和承載能力。纖維增強混凝土的抗老化能力和耐久性，提高了使用壽命。抗裂、抗震性能則在預制構件的運輸與使用中發(fā)揮效用。提高的延展性在遇到地質災害或其他導致混凝土破壞的因素時，構件會有明顯的破壞征兆，增加了應急處理時間。

2.3 公路路面

在車輛荷載大、車流量多的道路中，較脆的普通混凝土路面經常出現損壞，修復較為困難，對道路承載能力的要求也越來越高。纖維混凝土特別是鋼纖維混凝土用于路面施工，可以充分發(fā)揮其良好的工程特性。抗彎抗拉性能適用于經常承受重復荷載，耐磨、抗沖擊、耐疲勞為路面的使用壽命提供保障。

2.4 海濱工程

在濱海的建筑物對混凝土抗腐蝕性能有特殊的要求。纖維混凝土由于抗?jié)B性能、抗腐蝕性、致密性的優(yōu)點，可以有效阻擋海水對混凝土的滲透腐蝕，抗沖擊性能則有利于抵抗波浪的沖刷。

3? 結語

碳纖維具有高強度、重量輕、抗腐蝕、彈性模量高等特性，添加碳纖維的混凝土具有較為抗腐蝕性、耐久性、抗壓縮性等良好的工程性能，還具有一定的導電性。合成纖維主要有聚酰胺纖維、聚丙烯纖維和聚酯纖維，具有比重較輕、抗拉強度較高、耐久性較強等優(yōu)點，相對于碳纖維還具有較高的延展性、耐沖擊性，對混凝土的彈性形變有較好的提高作用。添加鋼纖維的混凝土抗拉、抗壓、抗剪性能均有提高，在相同的抗壓強度下可以有效減少構件體積。玻璃纖維的耐火性較好，屬于耐高溫材料，適用于在高溫條件下工作，強度與重量的比值比鋼材還要大，抗拉性能好，具有堿溶性。玄武巖纖維是一種無機纖維，原材料為火山，綜合性能較好，成本較低，具有很高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，耐腐蝕性能良好，能適應高溫或低溫的工作環(huán)境，抗拉強度和延展性要比碳纖維強，抗老化性、抗壓縮性、抗剪強度較高。纖維混凝土的使用范圍較廣，結構工程、巖土工程、水利工程等都可以應用。

參考文獻：

[1]張建彬，王軍，吳開云，等.不同礦物摻合料對混凝土性能的影響[J].商品混凝土，2014，3：64-65.

[2]李新宇，任金明，陳永紅.高云母含量石粉混凝土性能試驗研究[J].水力發(fā)電學報，2012，31（4）：211-215.

[3]彭開均.纖維混凝土應用研究現狀初探[J].科技創(chuàng)新與應用，2013，21：179.

[4]于澤東.纖維素纖維對混凝土性能影響研究[J].建筑工人，2017，9：4-7.