混凝土科学技术-纤维混凝土.pptx

主要内容1.引言2.概述3.纤维在混凝土中的作用机理4.钢纤维混凝土5.玻璃纤维混凝土6.碳纤维混凝土7.纤维混凝土的不足及发展前景1.引言混凝土是由水泥、砂、石组成的非均质体，具有高的抗压强度，然而它本身也具有弱点如抗拉压强度小，韧性小，耐化学腐蚀性差，抗疲劳能力低，易产生裂纹，抗冲击性差等，限制了其在工程中的应用范围。长期以来，许多专家和学者不断探索改善混凝土性能的各种方法和途径，于是提出啦了一种以传统混凝土为基体的新型复合材料纤维混凝土。2.概述概述 图图1 介绍内容介绍内容 应用性能分类定义纤维2.1定义 纤维混凝土，是纤维增强混凝土的纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是指以水泥净浆、砂浆或者简称，通常是指以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基体，以混凝土为基体，以非连续的短纤维或者非连续的短纤维或者连续的长纤维连续的长纤维作增强材所组成的水泥基作增强材所组成的水泥基复合材料。复合材料。2.2 分类 图图2 分类分类按长度按粗细按掺量按材质按弹性模量分类标准较多三种分类材质金属纤维无机纤维有机纤维纤维长度非连续的短纤维连续的长纤维弹性模量高弹性模量低弹性模量2.3 纤维的性能 图图3 性能性能纤维混凝土砌体性能阻裂阻裂抗拉抗拉耐久耐久美观美观减重抗冲击抗冲击防渗防渗纤维混凝土是将短而细、具有高拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等优良性能的纤维均匀分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。纤维混凝土有效的克服拉普通混凝土抗拉强度低，抗冲击，抗阻裂，抗爆延性，耐火等性能，同时对混凝土抗渗、防水、抗冻、护筋、减重等方面也有很大的贡献。2.4 纤维混凝土的发展简史纤维混凝土的发展简史纤维混凝土的诞生纤维混凝土的诞生 黄土白灰黄土白灰+“麻刀麻刀”20世纪世纪50年代的成就年代的成就理论研究与工程应用理论研究与工程应用 20世纪世纪60年代，年代，Goldfein等研究合成纤维作水泥砂浆增强材等研究合成纤维作水泥砂浆增强材的可能性的可能性纤维混凝土在中国纤维混凝土在中国 20世纪世纪70年代传入中国年代传入中国典型的植物纤维钢纤维的；玻璃纤维的；聚丙烯纤维混凝土3.纤维在混凝土中的作用机理 混凝土之所以表现出上述优越的性能，与纤维的作用是分不开的，纤维对基体的主要作用是：阻裂、增强、增韧。下面对阻裂和增强作用进行分析。3.1纤维对基体的阻裂作用 阻裂作用指纤维对新拌混凝土早期收缩裂纹和硬后的化的收缩裂纹产生和扩展的阻碍作用。均匀分布的纤维在混凝土中起到支撑骨架的作用，即阻止了粗细骨料的沉降。纤维的存在同时可以减少其表面析水防止表面失水快而发生收缩导致的裂缝。应力应变比较图5 纤维对裂纹的作用效果表1 钢纤维混凝土开裂情况（长径比）表2玄武岩纤维混凝土开裂情况（纤维含量）3.2 纤维对基体的增强作用增强作用主要为抗拉强度的提高，相应地以主拉应力为控制破坏的，如抗折强度，抗剪强度等也随之提高。均匀而任意分布的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）复合材料机理；（2）纤维间距机理。合成纤维混凝土的早期抗裂机理合成纤维混凝土的早期抗裂机理美国Romualdi提出的“纤维间距理论”英国Swamy提出的“复合材料理论”根据弹性断裂学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。从复合材料构成的混合原理出发，将纤维看成强化体系，应用混合原理推定纤维混凝土的抗拉强度。（1）Swamy的复合理论 c=fVf+mVm，（Vf+Vm=Vc=1）式中c复合材料的抗拉强度、m基体的抗拉强度;Vf纤维体积;Vm基体体积。（2）Romualdi计算公式Romualdi推导出的纤维平均间距公式 S=1.25dVf-1/2式中S某一截面的平均间距;d纤维直径;Vf单位体积内的纤维体积。纤维增强混凝土的抗拉强度为:cf=mt+k(S-1)-1/2式中 cf纤维增强混凝土的抗拉强度;mt基体混凝土的抗拉强度;K试验常数。3.3 工程纤维对混凝土力学性能的影响3.3.1 试验概况本实验设计混凝土强度等级为C40。各项试验参照中国工程建设标准化协会标准 钢纤维混凝土试验方法实施。试验原材料如下：(1)水泥:石河子开发区天业牌PO 32.5R 级水泥;(2)砂:玛纳斯河水洗砂;(3)改性聚丙烯纤维:中国纺织科学研究院生产的凯泰(CTA)牌改性聚丙烯纤维;(4)钢纤维:嘉兴市经纬钢纤维有限公司生产的经纬牌剪切波浪型B 30 mm 钢纤维;(5)碎石:玛纳斯河碎石(1020 mm,2040 mm);(6)水:普通自来水。3.3.2 配合比设计混凝土强度按C20 进行配合比设计,试验配合比基本参数:砂率33%、水灰比0.57、大小碎石比例5545,石子最大粒径40 mm。混凝土配合比见表1,采用强制式小型搅拌机,干拌30 s后再湿拌60 s,纤维无结团和并丝现象,抗折试件为550 mm 150 mm150 mm,试件在振动台上振动成型。在标准养护室养护28 d,温度(203),相对湿度95%,以纤维掺量和类型不同共设计12 组,见表2。表3 普通混凝土配合比 3.3.3 实验结果 纤维不同掺量对混凝土抗折、抗压强度影响见图1、2。图6 纤维混凝土7、28 d 抗压强度图7 纤维混凝土7、28 d 抗折强度表表4 纤维不同掺量对混凝土抗折、抗压强度影响纤维不同掺量对混凝土抗折、抗压强度影响3.3.4 结果分析(1)改性聚丙烯纤维混凝土抗压强度均呈现负效应,但强度的绝对降低值不大,对纤维混凝土抗折强度均呈现正效应,改性聚丙烯纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明显作用,28 d 抗折强度最大可提高19%。(2)钢纤维混凝土抗折、抗压强度均呈现正效应,钢纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明显作用,28 d 抗折强度最大可提高64%,抗压强度最大可提高14%。(3)混合纤维混凝土抗折、抗压强度均呈现正效应,混合纤维增强混凝土对混凝土抗折强度的提高有明强度最大可提高78%,抗压强度最大可提高12%。显作用,28 d 抗折强度最大可提高78%,抗压强度最大可提高12%。4.钢纤维混凝土（SFRC）钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入少量低碳钢、不锈钢和玻璃钢的纤维后形成的一种比较均匀而多向配比的混凝土。与普通混凝土相比，它能改善抗拉、抗剪、抗弯、抗磨、和抗裂性能，而且能大大增强混凝土的抗断裂性和抗冲击性。4.1 混凝土基体 任何品种的纤维增强混凝土都应采用强度高，密实性好的混凝土基体，这样可以保证纤维与基体有较高的界面粘结强度，从而充分发挥纤维的增强作用。（1）水泥 水泥强度42.5%MPa，水泥中的C3A含量6%（）集料要求选用硬度高，强度大的碎石，粒径最好在10 16，细集料要求细度模块数控制在2.5 3.2。（）外加剂 a.减水剂选用减水率高（18），引气性低的高效减水剂。缓凝剂适量。4.性能物理性能普通混凝土SFRC折（MPa）（开裂）200250550 1250折（MPa）（破裂）200 550550 1750压（MPa）2100 55003500 5600剪（MPa）250420弹性模量（MPa）2.0105(1.52.8)105冲（kg/cm）4.813.8 表表5 SFRC（0.25%）与普通混凝土性能比较与普通混凝土性能比较 除表中所示的性能外，由于所掺钢纤维性能明显不同，以及不同掺量的影响，SFRC的抗拉强度也有不用程度的提高。钢纤维掺量为1%时，抗拉强度可提高19%79%，掺量为2%时，抗拉强度可提高32%92%。钢纤维混凝土断裂模型SFRC中的真实裂纹,所有纤维均已被拔出,开裂表面抗力为零SFRC中的假塑性区,达到临界状态SFRC复合材料中的微裂区或称为过渡带,随荷载的增加,该区将向区转化。4.3 耐久性 （1）抗腐蚀性 刚纤维增强混凝土具有很优良的抗腐蚀性，其主要原因：一方面是混凝土基体强度较高，致密性较好。另一方面是钢纤维掺入量对混凝土承受荷载及收缩变形产生的裂纹有较强的抑制作用，各种侵蚀介质向混凝土内部的扩散速度降低，因此也提高啦抗腐蚀能力。（2）抗冻性和抗渗性 由于钢纤维混凝土孔隙率低，开口孔、连通孔和裂纹少，因此抗冻性和抗渗性也的到相应的提高。收缩率 Vf0 Vf1 龄期 图图 8 钢纤维对收缩率的影响钢纤维对收缩率的影响 （3）收缩率 混凝土掺入钢纤维后，由于钢纤维弹性模量高，尺度小，间距较密，因此对混凝土的收缩有一定的抑制作用。施工有两种方法：（1）全掺入施工法 （2）流动砂浆渗浇法4.4钢纤维混凝土的施工4.5 应用 图图 9 北京西直门立交北京西直门立交（1）高速公路和机场跑道（2）桥梁工程（3）大跨度梁（6）水工结构及刚性防水功程木桩基（4）隧道及巷道等工程的养护（5）对抗冲击和耐磨性要求较高的建筑地面5.玻璃纤维混凝土（GRC）GRC是将弹性混凝土模量较大的抗碱玻璃纤维，均匀的分布于水泥砂浆，普通混凝土基材中而制得的一种复合材料。自20世纪90年代以来，低碱度水泥和超抗碱玻璃纤维的相继出现，把GRC的技术引向新的发展阶段。5.1 原料组成组成水泥耐碱玻璃纤维低碱硫铝酸盐水泥混合型低碱水泥5.2 GRC性能纤维品种纤维品种/g/cm3直径直径/抗拉强度抗拉强度/MPa弹性模弹性模量量/GPa极限延伸极限延伸率率耐碱玻璃纤维2.72.8415150080638028纤维品种纤维品种100和和Ga(OH)2溶液浸泡溶液浸泡480 浸泡浸泡24（成分（成分Ga(OH)2，NaOH耐碱玻璃纤维66.288.154.384.3 表表7 抗腐蚀性能抗腐蚀性能 玻璃纤维有着轻质、高强度、高弹性模量、和易性好，以及不导电等优点，其热膨胀系数比钢材更接近水泥，而且费用低廉，抗腐蚀性好。表表6 玻璃纤维力学性能玻璃纤维力学性能5.3 GRC性能的影响因素主要因素有以下几个方面：（1）纤维含量（2）纤维品种和质量（3）水泥品种和质量6.碳纤维混凝土碳纤维是20 世纪60 年代发展起来的一种高强、高弹模、质轻、耐高温、耐腐蚀导电、导热性能好的一种纤维材料,并开始应用于混凝土材料。1989 年,美国的Chung 首先发现,将一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入混凝土材料中,可以使材料具有感知内部应力、应变和损伤程度的功能。90 年代后期开始,我国开展碳纤维混凝土自损伤诊断、自适应、自调节的研究。碳纤维混凝土中碳纤维主要作用是:阻滞混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生发展。碳纤维可以替代钢筋应用在腐蚀环境下或结果轻型的预应力混凝土结构，随着碳纤维价格下降，技术进步，碳纤维混凝土是一种很有发展前途的新型混凝土复合材料。7.纤维混凝土的应用纤维混凝土的应用 随着研究的深入，纤维混凝土在工程中的应用也越来越广泛，特别是应用在强度较高的大体积混凝土工程，抗折，抗拉强度要求较高及韧性较好的露面混凝土柱，梁等结构混凝土工程及桩用混凝土，重要的设备底座，飞机跑道等。8.结语 总结数十年来纤维混凝土研究成果,纤维混凝土的优势在于:增强抗裂性,提高抵抗裂缝能力;产生微裂缝后纤维能继续抵抗外力的拉拔作用,材料的韧性增强;高弹模纤维增强混凝土的抗拉强度、弯曲强度以及剪切强度明显提高;增强冻融作用抵抗性能;改善普通混凝土的耐疲劳性能。存在的不足及发展前景：存在的不足及发展前景：开发研制性能更佳的纤维,提高纤维的弹性模量及抗老化性能,降低造价；加强纤维增强混凝土细观结构与宏观力学性能联系的研究；开展试件、构件试验,深入了解合成纤维混凝土的物理力学性能以及构件在各类荷载作用下的表现,为合成纤维混凝土结构的设计提供依据；有选择地进行施工现场试验,掌握其施工性能指标,如配合比、搅拌方式与时间控制、坍落度损失等,提出合成纤维增强混凝土的施工工艺。Thank you!