纤维在水泥混凝土中的应用.pdf

文章 编号 ：1 0 0 7 0 4 6 X( 2 0 1 3 ) 0 6 0 0 4 0 0 3 生态建材 纤维在水泥混凝土中的应用 Ap p l i c a t i o n o f F i be r i n Ce me n t Co n c r e t e 徐力 ，余飞2 ，朱祥3 ，唐德波 ，孟旭4 ( 1 镇江城科新型建材有限公司 ，江苏 镇江 2 1 2 0 0 4 ；2 镇江市丹徒区建筑工程质量检测中心，江苏 镇江 2 1 2 0 0 4； 3 镇江建筑科学研究院集团有限公司 ，江苏 镇江 2 1 2 0 0 4 ；4 河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 4 5 0 0 0 6 ) 摘要：普通水泥混凝土材料是一种脆性材料，虽然抗压强度很大，但其抗拉强度却很 小。为了提 高水泥混凝土的 抗拉强度 ，在水泥混凝土中掺加纤维是一种非常有效的方法。 目前 ，常用的纤维混凝土有钢纤维混凝土、 玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、矿物纤维混凝土以及有机合成纤维混凝土。对以上几种纤维的特点和实 用性进行分析，以聚丙烯纤维和水镁石纤维为代表具体阐述有机合成纤维和矿物纤维在增强水泥混凝土的 抗拉 强度 时的作 用机 理及 其性 能 ，并提 出可 以将 两种 纤 维以一定 的配合 比混合 ，使增 强效 果更好 。 关 键词 ： 水 泥混凝 土 ；聚 丙烯 纤维 ；水镁 石 纤维 ；纤维混 凝土 ；抗拉 强度 中图分类号 ：T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ：A 0 前 言 防水粘结层性能好坏直接影响桥面铺装层的使用寿命， 施工过程的质量控制是决定防水层功能能否实现的关键因 素之一。由于防水层在我国使用未成熟，很多施工队伍都 不具备这方面的经验，而且对于防水层施工的特殊要求都 没有引起足够的认识，必要的施工设备不齐全，使得防水 层施工的质量良荞不齐。桥面防水层作为隐蔽工程，一旦 出现缺陷就不容易再修补，纤维在水泥混凝土中是一种刚 性防水材料， 纤维又起着重要的作用。 目前，在工程中常用的几种纤维混凝土有：钢纤维混 凝土 、玻璃纤维混凝土、碳纤维混凝土、矿物纤维混凝土 以及有机合成纤维混凝土_ l 1 。其中碳纤维和钢纤维都是比较 理想的增强增韧材料， 但由于价格昂贵和搅拌操作等不便， 在工程中的应用受到一定限制。抗碱玻璃纤维尽管在低碱 度水泥中具有较好的使用效果，但对于量大面广的普通硅 酸盐水泥混凝土来说，其耐久性仍然存在问题。所以，有 机合成纤维混凝土和矿物纤维混凝土比较常用【 2 l 。 1 有机合成纤维混凝土 目前，聚丙烯纤维是比较常用的有机合成纤维。相对 4 0 CD AS H 6 201 3 于其他纤维而言，主要具有性能优异、价格低廉、施工工 艺简单等特点，所以在国内外混凝土市场得到广泛推广和 应用。聚丙烯纤维混凝土通常以水泥净浆、砂浆或者混凝 土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作为增强 材料所组成的水泥复合材料。纤维改性比较一致的观点是： 纤维的掺入主要是吸收水泥基材开裂时释放的能量，从而 阻止基材中裂缝的扩展， 对混凝土基体产生了增强、增韧 和阻裂等效应， 并且改变了混凝土的脆性、易开裂性及其 破坏形态，延长了混凝土的使用寿命_ 3 】。 1 1 聚丙烯纤维混凝土的物理性能 目前聚丙烯纤维增强水泥基材有两种不同方式：连续 网片和短切纤维。常用的几种聚丙烯纤维及其物理力学性 能见表 。 表 1 聚丙烯纤维物理力学性能 纤维名称 k密度 g m-， 纤维 l 直径 m 纤维 m 长度 m k g 抗 M P a 鲫 GP a 断 申 率 1 2 聚丙烯纤维混凝土的作用机理 混凝土在硬化过程中，由于放出大量的水化热，会使 内部温度不断上升，从而在表面产生拉应力；随着水化的 不断进行，到后期时，温度又下降，在基础和老混凝土的 约束下，混凝土内部和表面又会产生拉应力；当拉应力超 过混凝土的抗拉强度时，就会产生裂缝。许多混凝土的内 部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或 发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩变形受 到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。聚丙烯纤维可以 增加塑性混凝土的抗张力性和韧性 ，因而减少了塑性收缩 裂缝的形成。由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合 力，在与混凝土材料搅拌时形成二次分散，迅速而易与混 凝土材料混合，均匀分布在混凝土的各个方向，叉枝纤维 构成一种均匀的乱向支撑体系，提供了控制收缩裂缝最有 效的次要加强筋。当混凝土硬化时，由于塑性及干燥收缩， 极细微的裂缝开始产生。这些裂缝遇到邻近的纤维时，跨 过裂缝的纤维将承担极大部分收缩能量，缓和应力集中程 度，因而可以阻止裂缝的扩大，有效地抑制塑性收缩裂缝 的产生。试验表明，与普通混凝土相比，聚丙烯纤维体积 掺量为 0 0 5 ( 约0 5 k g m ， )的混凝土抗裂能力提高了近 7 0 ( 。 除此之外，对于聚丙烯纤维的抗裂机理还有一种解释 是：聚丙烯纤维在混凝土内呈三维网络空间结构，有效地 支撑了混凝土内粗细集料的沉降，同时能延缓混凝土的失 水，避免混凝土表面因失水收缩形成的表面裂缝。塑状下 的混凝土强度极低，纤维承担了塑状混凝土内因体积收缩 而产生的拉应力，降低并减少了混凝土内部微裂缝的产生 和发展。由于纤维承担了部分拉应力，使得纤维周围的混 凝土受拉应力的影响较小，因此在纤维周围一定范围内将 无裂缝产生。同时，纤维在混凝土中的分布是杂乱无章的， 这样当混凝土内产生的微裂缝延伸时， 就会遇到纤维的阻 挡 ，无法进一步发展贯通。这样由于纤维的掺入就会大大 降低混凝土内微裂缝的宽度和长度，使得混凝土内的微裂 缝大大细化，从而增强了混凝土的抗裂能力。同时由于纤 维在混凝土内分布的杂乱无章，一方面阻止了混凝土内裂 缝的发展，使之无法形成贯通裂缝，另一方面也阻断了混 凝土内泌水的通道，从而增强了混凝土的抗渗能力l 5 _ 。 1 3 聚丙烯纤维增加混凝土的防水性能 聚丙烯纤维混凝土的防水属于混凝土的刚性本体防水， 主要是通过抗裂达到防水目的。聚丙烯纤维抗裂防水的机 理是建立在对混凝土的固结、收缩的微观研究基础上的。 从微观的角度来看，任何密实的混凝土都存在微裂缝。 这些微裂缝存在于相与相之间 ( 石、砂、水泥胶体三相 ) 和水泥微颗粒之间，只不过正常的微裂缝肉眼看不到而已。 聚丙烯纤维混凝土中均匀分布的大量彼此相粘连的纤维， 起了承托集料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的 离析，从而使混凝土中直径为5 0 1 0 0 n m和 1 O 0 n m的 孔隙含量大大降低。试验表明体积掺量的聚丙烯纤维比普 通混凝土的抗渗能力提高了6 0 7 0 _ 5 I 。 1 4 凝结时间 混凝土疲劳损伤的外在表现为强度和弹性模量衰减。 在疲劳应力作用下，普通混凝土比聚丙烯纤维增强混凝土 的损伤更快，聚丙烯纤维混凝土在疲劳荷载的作用下更能 保持材料的刚度。聚丙烯纤维对混凝土疲劳性能的影响可 从纤维对混凝土结构内原生裂纹尺度的细化效应增强了混 凝土介质的连续性、有机材料对振动波的吸收和纤维约束 裂纹扩展几方面理解。当原生裂纹的尺度得以细化后，混 凝土的疲劳寿命也因此得到延长。数量众多的聚丙烯纤维 的荷载传递效应还有助于匀化混凝土结构内的应力场，使 材料损伤能在介质内扩散，这对增强混凝土的抗疲劳能力 也是有益的 3 1 。 1 5 聚丙烯纤维混凝土的优缺点及应用范畴 聚丙烯纤维的主要优点是良好的耐碱性和化学稳定性， 有较高的熔点；并且聚丙烯纤维的价格低廉，在武汉三金 潭消化池施工中聚丙烯纤维混凝土每立方米仅比普通混凝 土多增加 2 6 元成本 1 。但是聚丙烯纤维的耐火性差，当温 度超过 l 2 0 时，纤维就会软化，使聚丙烯纤维增强水泥 基复合材料的强度显著降低，并且聚丙烯纤维在空气中光 照下易老化，故而聚丙烯纤维在运输及储存时应注意避光。 由于聚丙烯纤维混凝土在抗裂、防水、抗疲劳等方面 的优良特性，因此其可应用在：公路的路面，使路面的 使用寿命延长5 1 O 年； 隧道、矿井等墙面和顶部的喷 射混凝土，其回弹、脱落不超过4 5 ；水坝、 运河、 蓄水池、水渠、游泳池、港口、船坞、码头减少龟裂，降 低渗透性；混凝土预制体、灰浆板可增强混凝土的粘合 性，降低损耗； 楼房建筑中的复合楼板、屋顶板、顶尖 覆盖层、建筑装饰物，可增强建筑的多种指标，且可取代 金属丝网。 6 2 0 1 3 粉煤灰 4 1 2 矿物纤维混凝土 水镁石纤维是一种比较典型的矿物纤维。纤维水镁石 属于一种天然水镁石矿，在我国辽宁凤城鸡蕴藏有相当规 模的水镁石资源，陕西宁强已探明水镁石储量为7 8 0 万 t ， 吉林集安探明水镁石储量为 2 0 0 万 t 【 2 J 。河南西峡、青海 祁连山、四川石棉尖石包亦发现水镁石矿床，美国等其他 国家都蕴藏有规模不等的水镁石矿床。它是水镁石的纤维 状变体，主要成分为 M g ( O H ) 。 2 1 水镁石纤维的增强机理 2 1 1 提高混凝土抗拉强度 均匀而任意分布的短纤维对混凝土抗拉强度的增强机 理，目前存在2 种解释模型。 ( 1 ) 纤维间距机理，又称纤维阻裂机理。它根据线弹 性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。 理论分析与实验证明，当纤维的平均间距 0 7 6 m m时， 纤 维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以提高。 ( 2 ) 复合材料机理。其理论出发点是复合材料构成的 混合原理，将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系，应用 混合原理推算了纤维混凝土的抗拉和抗弯强度，并提出了 纤维混凝土强度与纤维的掺人量、方向、长径比及粘结力 之间的关系。 2 1 2 阻止基体原有微裂缝扩展并延缓新裂缝出现 混凝土在硬化形成强度的过程中，会因体积的收缩和 干缩而产生内部应力，这些应力一旦超过基体的抗拉强度， 便在混凝土内部引起微裂缝。混凝土破坏常常是从这些微 裂缝开始的，在外力作用下，微裂缝不断扩展，并互相贯 通搭接，形成一个裂缝网络而使混凝土破坏。由于纤维以 单位体积 内较大的数量均匀分布于混凝土内部，纤维的加 入犹如在混凝土中掺人数量巨大的微细筋，裂缝在发展过 程中必然遇到纤维的阻挡，消耗了能量，从而阻止裂缝扩 展， 起到抗裂的作用，增强了混凝土的耐久性；提高基体 的变形能力，改善其韧性与抗冲击性，混凝土凝固后握裹 水泥的高强纤维粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统， 增强了混凝土的韧性和整体强度。当混凝土受到冲击时， 纤维吸收大量的能量，从而有效地减少了集中应力的作用。 纤维还对水泥裂缝有搭接作用，对分离的水泥块有牵连作 用，当纤维从水泥基体剥落时要消耗摩擦功。这些影响都 有助于提高混凝土的耐磨性。 4 2 CoAL AsH 6 2 01 3 2 2 水镁石纤维的力学性能 水镁石纤维具有良好的劈分性、亲水性和水分散性。 水镁石纤维的抗拉强度达到9 0 0 M P a 左右，属于中等强度 纤维，是一种很好的石棉代用品。因此，水镁石纤维应用 于水泥砂浆后可以提高水泥砂浆的强度。水镁石纤维添加 在水泥砂浆中一定用量后，水镁石纤维在水泥砂浆中的用 量可以明显地高于聚丙烯纤维的用量，因此可以充分发挥 纤维的增强作用。 2 - 3 水镁石纤维与水泥的相容性 水镁石纤维是在碱性介质条件下形成的，是一种组分 简单的碱性矿物，具有很好的抗碱性能【 5 】 。在强碱中稳定 性好，碱失量为 2 左右，远强于抗碱玻璃纤维。因此， 水镁石纤维与硅酸盐水泥具有很好的相容性和结合强度。 水镁石纤维应用于水泥基复合材料中，与水泥中 M g O的 存在不同。水泥中Mg O在水泥水化的过程中形成水镁石 M g ( O H ) ，而发生体积膨胀，因而常引起水泥硬化体的破 坏；而水镁石纤维是一种在自然界经过漫长地质作用形成 的矿物，具有稳定的成分 M g ( O H ) 和结构，因此，水镁石 纤维应用于水泥混凝土中不会对混凝土的安定性造成破坏。 2 4 水镁石纤维混凝土的优缺点 水镁石纤维增强道路水泥混凝土材料还具有以下明显 优点。 ( 1 ) 水镁石纤维具有优异的抗碱性，与水泥混凝土相 容性好_ 6 _ ，因而材料耐久性好。 ( 2 ) 水镁石纤维具有一定的亲水性，与水泥混凝土具 有较强的粘附力、亲合性及握裹力，纤维与混凝土的结合 力强。 ( 3 ) 水镁石纤维为短纤维【2 ，具有水分散性 ，因而纤 维混凝土的施工工艺性好，纤维在水泥混凝土中容易分散， 可以从微米级分散成纳米级，可避免别的纤维应用中出现 的打团、缠结等问题，以及对设备的磨损问题。 ( 4) 材料无毒无害1 6 、成本低廉。由于添加水镁石纤 维使每立方米混凝土的造价增加值不足钢纤维混凝土的 1 6 ， 不足聚丙烯纤维混凝土的 1 9 ，具有较好的经济价值。 但是，掺入水镁石纤维后，对水泥混凝土的抗压强度 并没有明显提高，相反，如果掺人过量，还会使抗压强度 有所损失，所以水镁石纤维的掺入必须保证在一定的范围 内。经过试验发现，水镁石纤维的最佳用量是水泥质量的 4 _ 8 l 3 聚丙烯纤维和水镁石纤维混杂后对水泥混凝 土的影响 聚丙烯纤维和水镁石纤维对于水泥混凝土的抗裂性能 有显著提高，从而使得抗渗能力有所改善，进而对水泥混 凝土的抗冻性、抗疲劳性等都有非常明显的作用。随着这 两种纤维的发展，许多专家并不满足于纤维的单一作用， 而是将这两种纤维进行组合，并进行试验研究，最终得到 以下结论I 9 】 。 ( 1 ) 添加聚丙烯纤维和水镁石纤维混杂纤维后，混凝 土的塌落度有较大降低。 ( 2 ) 聚丙烯纤维和水镁石纤维混杂纤维可以明显提高 混凝土的弯拉强度及劈裂抗拉强度，且优于单一纤维增强 的效果。在总纤维用量为 O 1 5 的情况下 ，随 P P纤维 比 例增加，混凝土的塌落度及抗压强度降低，但劈裂抗拉强 度直线上升。混凝土的弯拉强度先上升，后下降。弯拉强 度最大值出现在P P： F B=0 1 2 ： 0 1 3 左右。 ( 3 ) 随混凝土水灰比的降低，单一 F B纤维对混凝土 强度的增强效果一般呈加强趋势，但 F B P P混杂纤维随 水灰比的降低对混凝土弯拉强度增强效果降低，而对混凝 土的劈裂抗拉强度的增强效果加强。 4 结 论 纤维在水泥混凝土中已经有大量的应用，纤维的种类 繁多， 其中有机合成纤维混凝土和矿物纤维混凝土比较常 用。 聚丙烯纤维为代表的有机合成纤维具有良好的耐碱性 和化学稳定性，有较高的熔点、价格低廉、施工工艺简单 等特点；聚丙烯纤维能够增加塑性混凝土的抗张力性和韧 性，提高混凝土的抗裂性能，能够增加混凝土的防水及抗 疲劳性能，但是耐火性差。 水镁石纤维为代表的矿物纤维具有优异的抗碱性，与 水泥混凝土相容性好，具有一定的亲水性，与混凝土的结 合力强，具有水分散性、无毒无害、成本低廉；可以提高 混凝土抗拉强度，阻止基体原有微裂缝扩展并延缓新裂缝 出现。但是，掺入水镁石纤维后过量后，会使抗压强度有 所损失。 将聚丙烯纤维和水镁石纤维混杂后，混凝土的塌落度 有较大降低，混凝土的弯拉强度及劈裂抗拉强度增强效果 优于单一掺人，可以发现，聚丙烯纤维和水镁石纤维混杂 后对水泥混凝土的性能改善等更为明显。 参考文献 【 1 袁勇， 邵晓云 合成纤维增强混凝土的发展前景 混凝土， 2 0 0 0 ( 1 2 ) ： 3 7 2 】 刘开平， 周敬恩 水镁石纤维 水泥基复合材料的试验研究 J 】 混凝土 与水泥制品， 2 0 0 3 ， 6 ( 3 ) ： 3 2 3 5 【 3 梁欣欣， 刘道勇， 林振荣， 等 浅析聚丙烯纤维混凝土优良特性和应用 范畴 J 河南建材， 2 0 1 0 ( 1 ) 4 9 5 O 4 】 刘克亮 聚丙烯纤维混凝土在预应力水处理构筑物中的应用 J 】 建筑 工程， 2 0 0 4 ( 1 0 ) ： 1 2 5 ，2 9 4 5 】许亚萍 浅谈混凝土裂缝的成因、预防及处理 J 河南建材， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 5 0 5 1 6 】 董发勤， 万朴， 周开灿， 等 水镁石纤维的环境安全性研究【 J 矿物岩石 地球化学通报， 1 9 9 7 ， 1 6 ( 1 ) ： 4 3 4 6 7 】 董发勤， 万朴， 刘杰， 重新评价新的工业矿物水镁石纤维 J 】 _ 建材地质， 1 9 9 7 ， 8 ( 1 ) ： 1 - 4 8 】 同鑫， 翁阳， 王军 水镁石纤维对混凝土力学性能的影响初探，山西 建筑， 2 0 0 7 ， 8 ( 2 2 ) ： 1 8 6 1 8 7 9 】刘开平， 韩定海， 钟佳墙， 等 F B P P混杂纤维对混凝土性能的影响 J 】 l 哈尔滨工业大学学报2 0 0 9 ( 2 ) ： 1 9 3 1 9 5 作者简介：徐力( 1 9 8 8 一) ， 男，本科，通信地址：镇江市丹徒区高资镇香山大 道1 号城科新型建材 E - m a i l ： z h u x i a n g j d 1 6 3 c o m 收稿日期： 2 0 1 3年 3月 1 9目 6 2 0 1 3 粉煤灰 4 3