纖維混凝土存在的問題與玄武巖纖維應(yīng)用分析

　　摘要：總結(jié)分析了纖維增強(qiáng)混凝土的作用機(jī)理、影響因素和目前存在的主要問題。新近開發(fā)研究的新型玄武巖纖維具有優(yōu)異性能，并且被認(rèn)為是富有希望的新型礦物纖維。結(jié)合當(dāng)前的研究發(fā)展情況，認(rèn)為玄武巖纖維在纖維混凝土中將起重要作用。

　　關(guān)鍵詞：纖維混凝土；玄武巖纖維；應(yīng)用分析

　　0 引言

　　混凝土是一種多相復(fù)合材料、各組成材料性質(zhì)差異、并且受施工養(yǎng)護(hù)影響，混凝土內(nèi)不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強(qiáng)度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。加入摻合料和化學(xué)外加劑，提高混凝土的密實性和強(qiáng)度，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，它們的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點[1]。并且隨著強(qiáng)度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點之一。纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強(qiáng)高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題[1]。同時，也能夠適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件。

　　1 纖維在混凝土中作用的機(jī)理

　　纖維的阻裂效應(yīng)是纖維作用的主要方面。早期混凝土和硬化混凝土性能不同，纖維取的作用及其效果也不同。因此，纖維作用機(jī)理可以從早期混凝土和硬化混凝土兩個階段論述。

　　1.1 早期混凝土中纖維的作用 

　　混凝土中摻入一定量的纖維攪拌時，纖維在混凝土內(nèi)部能構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系承托骨料，產(chǎn)生一種有效的二級加強(qiáng)效果，阻礙了沉降裂縫的產(chǎn)生與集料的離析、減少了離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展?；炷脸尚秃?，水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)以及水分蒸發(fā)、產(chǎn)生塑性收縮，此時混凝土的抗拉強(qiáng)度低，收縮容易產(chǎn)生裂縫。在混凝土中摻入纖維后，纖維在混凝土中亂向分布，纖維的彈性模量相對于混凝土塑性漿體的較高，依靠纖維材料與水泥漿之間的界面吸附粘結(jié)力，將一部分收縮能量分散到纖維單絲上，增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強(qiáng)度，從而抑制混凝土微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了混凝土的密實。表層材料中存在纖維，也使其水分遷移較為困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減少，減少了水分的蒸發(fā)，降低了材料表面的析水，提高了混凝土的保水性能。

　　1.2 纖維在硬化混凝土中阻裂作用

　　硬化混凝土在荷載作用下，原有裂縫逐步擴(kuò)展同時引發(fā)新的裂縫。當(dāng)微裂縫的長度小于纖維間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維生成更微細(xì)的裂縫場，也能阻礙荷載裂縫的形成和擴(kuò)展，起增強(qiáng)增韌的作用。在荷載作用下，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)微裂縫長度大于纖維間距裂縫發(fā)生時，其前端與纖維相交，纖維將跨越裂縫，起傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)、均勻，微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以緩和，裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展受到約束。

　　如果纖維摻過少，纖維間距較大，纖維還未發(fā)揮其阻裂效應(yīng)，混凝土就可能已經(jīng)破壞。依據(jù)多縫開裂理論，當(dāng)纖維摻量大于臨界體積率時，纖維將承擔(dān)全部荷載，并有可能產(chǎn)生多縫開裂現(xiàn)象。在多縫開裂時，裂縫間距變小、數(shù)量增多、裂紋更細(xì)，從而提高了復(fù)合材料的韌性，改變了應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)。對于低彈性模量的纖維在混凝土能吸收破壞能量，延緩混凝土破壞速度，分散了破壞程度，表現(xiàn)為多縫開裂方式。

　　與此同時，纖維是一種不連續(xù)的分散相、摻入混凝土中后使材料界面增加，并且纖維表面易吸附水分、影響了界面性能、可能降低混凝土強(qiáng)度。纖維表面對水分的吸附以及纖維的粘滯作用也導(dǎo)致了混凝土流動性的降低。

　　2 纖維在混凝土中作用的影響因素

　　混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，是纖維混凝土應(yīng)用的前提之一。纖維的作用受施工過程、組成材料等影響波動較大，并且影響到纖維混凝土的質(zhì)量。

　　2.1 與纖維有關(guān)參數(shù)的影響

　　首先，纖維必須具有較好的耐堿性?；炷了蟪蕢A性，纖維不受水泥水化物的侵蝕才能發(fā)揮其物理效應(yīng)。其次，纖維具有比較高的抗拉強(qiáng)度和較大的變形能力。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，與水泥基體相比，抗拉強(qiáng)度至少要高出兩個數(shù)量級，極限延伸率至少要高出一個數(shù)量級[2]。再次，纖維應(yīng)該滿足長徑比的要求并且具有合適的尺寸規(guī)格。纖維長度與直徑的比值大于臨界值時才能保證足夠的粘結(jié)力，對水泥基體產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)。纖維過長，在攪拌過程中較易成團(tuán)。在均勻分散的前提下，纖細(xì)而挺實的纖維界面層的疊加效應(yīng)尤為顯著[3]，具有更好的抗裂、增強(qiáng)性能，但是過細(xì)的纖維對強(qiáng)度影響不利。最后，纖維應(yīng)滿足合適摻量的要求。纖維摻量太少，纖維起不到阻裂的作用。纖維摻量過多使混凝土和易性變差，同時，過多的界面使內(nèi)部界面微裂紋增多，混凝土基體強(qiáng)度性能反而下降。

　　2.2 施工方式的影響

　　纖維混凝土中纖維應(yīng)具有良好的分散性、不結(jié)團(tuán)、不成束，這樣纖維才能在實際的混凝土工程中推廣應(yīng)用。不同的施工方式，對纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。強(qiáng)制式攪拌時間過長，葉片較容易損傷纖維，所以應(yīng)合理控制攪拌時間。近幾年來，也有地方研究開發(fā)了專門的纖維混凝土攪拌機(jī)。在采用振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會產(chǎn)生平行于骨料、模板或振搗設(shè)備表面的“邊緣效應(yīng)”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應(yīng)該盡可能提高纖維混凝土的自密實能力。

　　2.3 配合比的影響

　　與普通混凝土的配合相比，纖維對混凝土配合比的影響具有以下特點：

　　（1）骨料間的空隙率增加。1m3 混凝土中摻入1%體積率的鋼纖維時，纖維的堆積體積占 0.12m3 是其絕對體積的12 倍[4]。所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

　?。?）纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應(yīng)采用較高的單位水泥用量。纖維之間交錯搭接阻礙了骨料間的相對滑移，同時將吸附部分拌和水，使拌和物變稠，流動性下降。

　?。?）選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱處，也是最先發(fā)生破壞的地方。如果纖維長度大于最大公稱粒徑時，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強(qiáng)和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發(fā)揮纖維的增強(qiáng)、增韌作用[4]。集料粒徑大于平均纖維間距，將導(dǎo)致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。骨料粒徑小，使得單位用水量增加，水泥用量增大。有學(xué)者提出，骨料的合適粒徑應(yīng)與纖維間距理論相匹配[5]。

　　各影響參數(shù)的影響程度，不同的試驗條件下得出的試驗結(jié)論差別較大。深入研究它們之間的相互關(guān)系，有利于得出準(zhǔn)確的結(jié)論，推動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和促進(jìn)工程應(yīng)用。

　　3 纖維混凝土目前存在的主要問題

　　3.1 理論研究和微觀分析相對滯后

　　纖維增強(qiáng)理論主要是基于主拉應(yīng)力和纖維阻裂進(jìn)行分析，而實際工程混凝土是處于復(fù)雜應(yīng)力和變形條件下。相關(guān)理論缺少具體的數(shù)值指標(biāo)，并且不同試驗結(jié)果的誤差較大。纖維與水泥基體的界面狀況是影響纖維混凝土性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也認(rèn)為是導(dǎo)致纖維混凝土強(qiáng)度降低的主要原因。受研究手段的制約，對纖維混凝土微觀作用和影響因素的研究結(jié)論較少。

　　3.2 纖維本身的不足

　　目前研究較多的主要是鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維和近年來的植物纖維混凝土等[6]。這些纖維具有以下特點： [Page]

　　鋼纖維混凝土容易受到氯鹽腐蝕，因此應(yīng)用受到一些限制。鋼纖維增加了混凝土施工、抹面的難度。外露的鋼纖維在養(yǎng)護(hù)階段容易發(fā)生銹蝕，影響耐久性和美觀。使用過程中，由于混凝土磨耗導(dǎo)致鋒利的鋼纖維外露，影響使用的安全。鋼纖維相對密度7.8 左右，不利于減少結(jié)構(gòu)自重。普通玻璃纖維耐久性低，與水泥基的相溶性差。并且玻璃纖維質(zhì)脆易斷，在攪拌過程易受到損壞。耐堿玻璃纖維是為了增強(qiáng)水泥材料專門研究開發(fā)的，但易受酸腐蝕、不適合用于酸性環(huán)境中。碳纖維質(zhì)輕、高強(qiáng)、彈性模量很高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土粘結(jié)良好。但是由于生產(chǎn)成本較高，所以應(yīng)用受到一定的限制。部分合成纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度、極限延伸率，較好的抗堿性。但是較易老化，原料來源受到一定限制且低模量合成纖維通常會使混凝土抗壓強(qiáng)度下降。以聚丙烯為例，在極低的體積摻量（體積率小于0.1%）下，能顯著改善混凝土早期塑性收縮開裂。然而，在熱、氧、紫外線等外界因素作用下易發(fā)生化學(xué)變化，喪失使用性能。近年來也有人開發(fā)研究植物纖維。植物纖維來源廣，成本低是一種可再生的資源。但是植物纖維吸水率大、耐堿性能差、柔軟性較差，成紗不均勻，限制了產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)與應(yīng)用[2]。

　　3.3 目前研究的主要方向

　　1）對現(xiàn)有纖維進(jìn)行改性研究。通過對表面進(jìn)行化學(xué)、物理的處理方法，研究纖維的合適規(guī)格，增加纖維與水泥基的粘結(jié)力。

　　2）研究纖維混雜效應(yīng)。混凝土硬化前后彈性模量，變形能力等差別較大，纖維阻裂效果也存在差異。不同品種，不同尺寸之間的混雜效應(yīng)，往往能取到更優(yōu)的增強(qiáng)作用。

　　3）研究開發(fā)纖維新品種。例如開發(fā)研究新品種植物纖維等。

　　4 玄武巖纖維及其異性能

　　玄武巖纖維由單組分玄武巖礦物原料熔制拉絲制成，是一種綠色、環(huán)保、無污染的新型無機(jī)非金屬礦物纖維。1953~1954 年蘇聯(lián)莫斯科玻璃和塑料研究院開發(fā)，1985 年研制成功并實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。2002 年9 月國家科技部將“玄武巖連續(xù)纖維及其復(fù)合材料”項目列入國家863 計劃。2006 年國家發(fā)展和改革委員會將連續(xù)玄武巖纖維列為我國中長期重點發(fā)展的四大高新技術(shù)纖維之一。

　　玄武巖纖維具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，既耐酸又耐堿、更好的溫度穩(wěn)定性，較高的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和極限應(yīng)變率（表1）。并且同屬硅酸鹽系列與水泥基的相容性好。在攪拌過程中，能夠較好地分散均勻，能滿足現(xiàn)有設(shè)備和施工條件的要求，對抑制水泥基早期收縮裂縫的產(chǎn)生有更明顯的效果。

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　　玄武巖熔點高，成份波動大，纖維的成纖質(zhì)量與礦物組成關(guān)系較大，造成玄武巖纖維生產(chǎn)過程能耗較大，工藝控制不易，目前成本還高于E-玻璃纖維[7]。

　　5 結(jié)語和展望

　　通過不同類型纖維混凝土的試驗和應(yīng)用研究，明確影響纖維混凝土性能的主要因素，以制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是纖維混凝土研究的主要目的。目前纖維混凝土一般只用于一些具有特殊要求的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。主要是因為纖維可能惡化混凝土的性能。部分性能優(yōu)異纖維，卻由于昂貴的價格而讓人敬而生畏。傳統(tǒng)纖維混凝土存在的成本過高和性能改善不明顯之間的矛盾，成為了制約纖維混凝土發(fā)展應(yīng)用的主要因素。玄武巖連續(xù)纖維具有優(yōu)異性能，在全世界的開發(fā)成功和批量生產(chǎn)大概只有20 年左右[7]，目前材料成本仍較高。近年來，由于工藝的進(jìn)步，玄武巖纖維的生產(chǎn)成本有所降低、產(chǎn)品質(zhì)量更趨于穩(wěn)定。

　　通過進(jìn)一步改善生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，玄武巖纖維將會得到更加廣泛的研究和應(yīng)用?？紤]材料性質(zhì)、經(jīng)濟(jì)成本等因素，選擇滿足技術(shù)指標(biāo)和使用性能要求、既經(jīng)濟(jì)耐久并且有利于可持續(xù)發(fā)展要求的纖維或纖維組合增強(qiáng)混凝土是纖維混凝土應(yīng)用的基本原則，也是纖維混凝土發(fā)展的趨勢。

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