钢纤维与合成纤维混凝土的应用领域及其原理.pdf

第 3 8卷 第 2期 2 01 1年 2月 Vo 1 38。No 2 F e b 2 01 1 钢 纤维 与合成 纤维混凝 土 的应 用领域及 其原理 孙 斌董 帅 ( 上 海 贝卡 尔特 一二 铜有 限公 司， 上 海 2 0 0 1 3 1 ) 摘 要 针对 目前 市场上应用最广泛 的钢纤维 和合成纤 维的技术 性能进行了对比分析 ， 对 比了两种 材料的物理 参数 、 增强机理 、 徐变特征 、 防火 、 耐腐蚀 性和耐久性。分析结果表明 ， 钢纤维 与合 成纤维在技 术性能上存 在较人差 异 ， 应合理应用在不 同的T程领域 。 关键词 钢纤 维 ； 合成纤维 ； 性能 中图分类号 T U 5 2 8 5 7 2 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 5 2 0 3 经 过 3 O多 年 的 技 术 研 究 与 工 程 实 践 ， 纤 维 对 混 凝 土 性 能的改善或增强 已获得 国内外 土木 T程 界人 士普遍 的认可 。 但是 F h 于对 不同纤维 的具体技术性 能的优劣 不了解 ， 使得 人 们对不 同类 型的纤维产生混淆 ， 在不同的 工程应用领域该用 什 么类 型的纤维产 生 了困惑。本 文针对 目前工 程 中应用广 泛 的钢纤维 和合成纤维 的性能进行 了对 比分析 ， 为工程 中合 理 应 用 纤 维 增 强 昆凝 土提 供 一 些 建 议 。 1材 料 及 相 应 参 数 混 凝 土 用 纤 维 因其 颜 色 ， 形 状 ， 大 小 和 材 料 的 不 同 而 有 多 种 种 类 。 目前 主 要 分 为 以下 三 大 类 ： 钢 纤 维 ( s t e e l fi b r e )； 细合成纤维 ( mi c r o s y n t h e t i c ) ； 粗合成纤维 ( m a c r o s y n t h e t i c ) 。 各种纤维 的性能及参数见表 1 。 表 1 钢 纤 维 与 合 成 纤 维 性 能 及 参 数 材料 钢纤维 细合成纤 维 粗合成纤维 长 度 mm 3 06 O 6 2 0 3 O6 5 直径 mm 0 51 O O O 1 5 0 0 3 0 O 51 O 密 度 ( k g m ) 7 8 5 0 9 1 O 9 l O 杨 氏 模 量MP a 2 1 O 0 O O 3 0 0 05 0 0 0 5 0 0 01 0 O O O 抗 拉 强 度MP a 5 0 0 。 2 0 0 0 2 0 06 0 0 2 O O6 O 0 熔点 0 C 1 5 O O 1 6 5 1 6 5 徐 变 +3 7 0 2 0 2 O 温度线膨胀系数 1 2 1 0一 1 51 0一 1 51 0 A c c 收 稿 日期 ： 2 0 1 01 11 5 作者 简介： 孙斌 ( 1 9 7 3 - ) ， 男 ， 山西柳林 人 ， 毕 业于 大连 理工 大学 ， 硕 士 ， 贝卡尔特技术工程 师。 5 2 2纤 维 对 混 凝 土 的增 强 作 用 纤维混凝土是纤维和混凝土构成 的复合材料 ， 其 增强机 理 是 纤 维 在 混 凝 土 裂 缝 处 吸 收 了应 力 ， 抑 制 了 裂 缝 的 形 成 和 开展 ， 也就是说 纤维 只有 在混 凝 土产生 裂缝 时 才能 发挥 作 用 ， 纤维的加 固能力取决 于纤 维与混凝 土 的粘 结锚 固能力 ， 抗 拉 强度 和杨 氏模 量 。 合 成 纤 维 主 要 是 聚 丙 烯 纤 维 ( p o l y p r o p y l e n e fi b r e )， 其 杨 氏模 量一般只有 3 5 G P a ， 长度 和直 径都 比较 小。 目前 又 出现 I新 的聚合物纤 维 ( m a c r os y n t h e t i c fi b r e ) ，其尺寸 要 大于细合成纤维 ， 杨 氏模量也 能达 到 51 0 G P a 。对于这 两 种合成纤维 ， 由于其本 身较低 的杨 氏模 量 ， 对 于抑 制混凝 土 的早期裂缝非 常有效 ， 尤其是细合成纤维与混凝 土之 间有很 好 的粘结锚 同性能 ， 效果更加 明显 。但是随着混凝土 强度 的 发展 ， 由于杨氏模量较低 不能 承受较大 的位移 ， 导致 混凝 土 结构产生较大 的裂缝 和变形 。 混 凝 土会 在 不 同 的 龄期 产 牛 裂 缝 。 存 早 龄 期 ， 由 于混 凝 土不够密实 ， 在 自身收缩应力 的作用下会产生微 裂缝 。例 如 在混凝土 浇筑完 3 j1 内 ， 混凝土 的抗压应力小 于 3 M P a ， 收缩 应力小于 0 3 M P a ， 杨氏模量小于 5 G P a ， 此时细合成纤维 可 以承 受 这 些 荷 载 抑 制 裂 缝 开 展 。2 4 h后 昆凝 土 的 各 种 性 能 都 得 到 了增 强 ， 抗 压 应 力 会 大 于 1 0 MP a， 收 缩 应 力 会 大 于 1 MP a ， 杨氏模量会超 过 1 5 G P a ， 此 时细合 成纤 维 由于杨 氏 模量较低不能有效抑制裂缝 的开展。 钢 纤 维 的 杨 氏 模 量 ( 2 0 0 G P a)和 抗 收 缩 应 力 ( 8 0 0 2 5 0 0 M P a ) 较大 ， 且 与混凝土 之间有更 好 的粘 结锚 固作用 ， 可以有效吸收裂缝处 的应力 ， 抑制裂缝 的形成和开展 。但对 早龄期混凝土产生 的裂缝 ， 钢纤维 不能有 效发 挥其作 用 ， 随 着混 凝土强度的提高 ， 钢纤维 与混凝 土的粘结锚固作用进一 步增强 ， 纤维对混凝 土的增强 作用 更加明显 。 发 开 术 技 e 筑 建-耋 第 3 8卷 孙斌 ， 等 ： 钢 纤 维 与 合 成 纤 维 混 凝 土 的 应 用 领 域 及 其 原 理 第 2期 3徐 变 性 能 徐变是材料 在长期应 力作用下 ， 其应 变随时间不断增 长 的过程 。纤 维 的 变 形 与 环 境 和 温 度 有 关 。 当温 度 低 于 一 2 0 时 ， 聚丙烯 和聚 乙 烯 的徐 变 可忽 略 ， 温 度 在 一2 O 1 6 5 之 间时 ， 聚丙烯和 聚乙烯 变为粘 弹性 状态 发生 明显 徐 变 ， 见图 1 。此外 ， 合成纤维在恒 载作用 下会产 生较 大徐变 ， 导致结构在使用过程 中产 生较大的裂缝和变形 ， 影响结构 的 耐 久 性 、 适 用 性 和 密 实 形 ， 给 结 构 的 安 全 带 来 隐 患 。 弹性 粘弹性 液体 ， 、 _ 、， _ 、 _ _ 一2 0 1 6 5 _ m 状态转化温 度 熔 点 图 1 粗 合 成 纤 维 的徐 变 不 同实验 室的测试结果 表 明粗聚丙 烯纤 维 的徐变相 当 大 ， 而且可导致正常使用状 态下的徐变破坏 。所谓徐变破 坏 是指完全丧失 承载能力 ， 即不能使用于受力结构 中。 自2 0 0 4年 ， 各个实验 室 已经对 不 同纤 维 的徐 变反应 做 了不 同的实验 。图 2为贝卡 尔特实 验室 的徐 变试验 装置 及 合成纤维与钢纤维 混凝 土的徐变试验对 比。 从 图 2可看 出 ， 在相 同时间范 围内 ， 合 成纤 维混凝 土 的 徐变要远大于钢纤维混凝 土的徐变 ， 而徐 变过大会使结构 的 裂缝增长无法控制 ， 直至坍塌 。 4纤 维 的 防 火 性 能 在高温长期作用下 ， 混 凝土 内部 的水蒸 气蒸发 ， 水 蒸气 从 混凝 土内部的孔隙 中排 ， 当水蒸气产生 的速度 超过排 出 速度 时 ， 混凝土就会产 生剥 落破坏。尽管剥落破坏 只发 生在 混凝土 表面 ， 但这会使 钢筋 暴露在 高温环 境 中， 高 温会使 钢 筋 的抗拉强 度迅速降低 ， 结 构的承 载力迅 速下 降 ， 最终 导致 结构破坏 。 囊 1 0 2 嚣 f I 、3年后，裂缝宽度和变形稳定 图 2 徐 变 实 验 装 置 及 不 同 纤 维 混 凝 土 的徐 变 对 比 在混凝 土 中掺 人适量 的钢纤 维不 会影响 混凝 土的导热 性 能 ， 与 钢 筋 混 凝 土 不 同 ， 钢 纤 维 在 混 凝 土 的 整 个 截 面 中分 布 ， 在高温环境下仪 混凝 土表 面 的钢 纤维 抗拉 强度 降低 ， 混 凝 土内部 的钢纤 维仍 保持 很好 的力学 性能 。研究 表 明， 加入 钢纤维后能减小 混凝 土的剥 落破坏 ， 所 以钢纤 维混凝 土结构 比钢筋 网加 固 的混凝 土 结构 起 到更 好 的 防火 作用 ， 而且 在 3 5 0 4 0 0 C 范 围内 ， 钢纤维始终保持其 机械 性能。 粗合成 纤 维 在 5 O 时 开 始 失 去 其 力 学 性 能 ， 在 达 到 1 6 0 C时完全熔化消失 。所 以在火 灾 中， 随着温 度 的升 高 ， 粗 合成纤维混凝土结构很快失去其加 固作用 ， 使混凝 土结构失 去 任 何 承 载 力 。 贝 卡 尔 特 实 验 室 数 据 表 明 ， 在 5 0 时 粗 合 成 纤维的裂后强度将以 4 0 5 0 的速度递减 。 在防火要求较高的结构巾 ， 掺 入适量 的细合成纤 维可 以 有效 提高结构的防火性能 ， 被普遍接受 的说法是在一 定的 温度 条件 下 ， 超细 的聚合纤 维将 融化 ， 在 火灾 中产 生的 高压 蒸汽可 以通过纤维熔化后产 生的空间释放 出来 ， 因此在很 大 程度上减少 了混凝 土的破坏 和散裂。 5抗 腐蚀 性 粗 聚 丙 烯 纤 维 和 细 聚 丙 烯 纤 维 对 大 部 分 的 强 酸 和 强 碱 环 境 都 能 适 应 。 对 于 金 属 纤 维 ， 根 据 多 年 的 经 验 和 研 究 表 明： 与传统 的钢筋和钢筋 网所需 的 3 0 4 0 m m的混凝土保护 层 相 比 ， 钢 纤 维 仅 需 12 mm。纤 维 表 面 的腐 蚀 可 能 影 响 到 美观 ， 但对纤维混凝土结构 的性 能并没有任 何影 响。在裂缝 的增长直至破坏 不随着时间 直至破坏 口小于 0 2 5 m m 的开裂 处纤维 不会 生锈 。而对于 有表 面美 观 要 求 的 结 构 或 构 件 ， 可 以使 用 镀 锌 钢 纤 维 。 6 耐 久 性 材料 和结 构 性 能 是 影 响纤 维 混 凝 土 耐久 性 的 两 个 主 要 素 。合 成 纤 维 在使 用 过 程 中不 会 腐 蚀 ， 所 以 不 存 在 腐 蚀 性 问 题 。钢纤维在使用过程 中可能会产生腐蚀 ， 研 究和实践表 明： 钢纤 维混凝土 的表 面外露钢纤 维会产生腐蚀 ， 但这种腐蚀 不 会深入到混凝土 内部 ， 也不会引起混凝土产生剥落破坏 ， 因 此不会导致整个 结构 的 承载力 下 降。而且 在实 际工程 中可 以通过 以下方法避 免腐 蚀 作用 的产 生 ： 1 ) 做好 表 面处理 ， 防 止钢纤维外露 ； 2 ) 使 用镀锌纤维 。结构 的抗 火性能也是 影响 结构耐久性 的一 个重 要 闪 素 ， 与传 统 的 钢筋 混凝 土 结构 相 比， 钢纤维混凝 土能有 效 提高混 凝土 结构 的抗火 性 能 ， 但 并 不明显 。然而 ， 合成纤维 特别是细合成 纤维却 表现 出很好 的 防火效果 ， 这也极大 地提 高了混凝土 的使用 寿命 和耐久性。 7 结 论 基于纤维 的原 材料特性和混凝 土基体 的性 质 ， 不同类 型 的纤维有其恰 当的应用领域 。高 品质 的钢纤维 ， 由于 自身抗 拉强度及杨 氏膜 量 较 高 ， 且 与混 凝 土基 体有 很 好 的锚 同性 能 ， 可以广 泛应用于土木工程 的各 个结构 性增强 领域。而合 成纤维的抗拉强度 和杨 氏膜量较低 ， 不适合 应用也结 构性构 件 ， 可 应 用 在 塑 性 加 固 ， 防 火 等 非 承 载 结 构 或 构 件 中 。具 体 应用 领域 见表 2 。 53 第 2期 孙 斌 ， 等： 钢纤维与合成纤维混凝土的应用领域及其原理 第 3 8卷 表 2不 同纤 维 适 合 应 用 的工 程领 域 参 考 文 献 钢纤维 粗聚丙烯纤维 细聚丙烯纤维 1 E u p e a n S t a n d a r d E N 1 4 8 8 9 1 F i b r e s f o r c 0 n c r e t e ， p a n 1： s t e e 塑性 收缩 加 固 适 用 n h D e f i n i t i 0 n s ，s p e c i f i c a I j0 n s a n d c 。 n f o r mi y 防止火灾中混凝土剥落 适用 2 E u r 。 p e a n S t a n d a r d EN 1 4 8 8 9 2 F i b r e s n t e，p a n 2：P o l y me 非承载力性质 预 制构件 ： 用 于装 卸 与 fi b r e s De fi n i t i o n s ， s p e c i f i c a t i o n s a n d c o n f o r mi t y 适用 适用 3 O V B B g u i d e l i n e i n c r e a s e d fi r e p r o t e c t i o n f o r c o n c r e t e i n u n d e r g r o u n ( 运输 的加固 地 坪 ： 温度 和 收 缩 t r a f f i c i n f r a s t r u c t u r e ，v e r s i o n 2 0 0 5 临时矿井支护 ( 允许大变 4 E J d e H a n s e n ，T E ma n a n d K KHa n s e n： Du r a b i l it y o f c r a c k e r 适 用 适 用 fi b r e r e i n f o r c e d Co n c r e t e s t r u c t u r e s e x p o s e d t o c h l o r i d e s ，p r o c e e d i n g 形 ) o f t h e 8 i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n e e o n d u r a b i l i t y o f b u i l d i n g ma t e r i a l 裂 缝 控制 加 固 适 用 结构性加 固 适用 a n d c o mp o n e n t s ，V a n c o u v e r ， C a n a d a 1 9 9 9 抗 强 冲击 适 用 耐疲 劳 适用 ( 上 接 第 4 6页 ) 于热 岛效应 的减少 而少排 放 的温室气 体 每年少 0 5 6兆 吨 ， 减少 灰霾 天气 5 1 0 通过植 物 吸附灰尘 每年 3 0 t ， 每年 通 过 屋顶 截 留 雨水 3 6 0万 吨 。 5) 种 植 物 面 可 营 造 人 与大 自然 亲 和关 系 ， 改 进 居 民人 文 素质 。在 美 国 J ， 已 出 现 开 发 屋 顶 种 植 绿 化 的 公 司 在 芝 加 哥 、 纽 约 、 休 士 顿 、 近 年 发 展 起R o o f t o p F a r m s ，G a r d e n s F a mi l y Ga r d e n、 ( O n e e a r t h c o n l ， Ro o f t o p f a r ms B r o o k l y n， G o o d e G r e e n ) ， 不仅迎合 了都市人 怨倦喧嚣 、 向往 田园生活 的心态 ， ( 世界 日报 2 0 0 9 1 0 2 9 ) 并 且其产 出绿色蔬 菜满 足市场需求 率 达 5 。 6 ) 种植屋面 可改善人 居密 集 区绿 化率 。按 现行 政大 区 划面积 8 0 3 2 k m ， 建筑密度 4 ， 屋顶绿化 2 0 计算 ， 可增加 绿 化 面 积 6 4 2 5 k m ， 人 均 增 加 绿 化 面 积 2 0 m ， 有 效 建 树 森 林 之 城 形 象 。 3屋 顶 绿 化 可 行 性 分 析 目前 ， 绿化屋顶的主要 障碍来 自于三个方面： 经济成本 、 政 策扶持和技术支撑等问题， 但经实际分析 ， 实施屋 顶绿化 是完 全可行的。参考国内外成功经验 ， 有以下方面工作值得注重 ： 1 ) 规 划 法 规 立 法 ： 必 须 把 屋 顶 绿 化 纳 入 城 镇 规 划 控 规 中 ， 在 审批 新建项 目中以切 实指标予 以约束 。 13 本 、 德 国、 以 及 中国的深圳市 、 成 都市的一些经验值得借鉴 。 2 ) 制定相应奖励补偿政策 。如政府直接 补偿 、 审批 项 目 时 的容积率补偿 、 低 息贷款补偿 、 市政建设配套 费补偿 。 在 13 本 ， 1 9 9 9年起对新 建楼 盘提供 低息 贷款 ， 建筑 面积 2 0 0 0平 方 米 以上 ， 屋 顶 花 园 4 0 以 上 的建 设 项 目 ， 主 体 和 屋 顶花 园均享受低息贷款 。 在德 国， 法律给任何新 建筑的业主三种选 择 ： 第一 ， 在其 他地方新建 一 片与 屋顶 面积 等 同 的绿地 ； 第二 ， 交 罚 款 ； 第 三 ， 进行屋顶绿化 。在 这 三者 中问 ， 屋 顶绿化 是最 省钱 的方 案 ， 且能获得适 当财政补贴 。财政补贴 直接发放到建 造屋顶 绿化 的业主手 中 ， 而补贴的额度根据实施 屋顶绿化 的 目的和 类型而变化 。比如 ， 重 型屋顶 绿化 的补贴 较高 ， 因为这种类 型 比轻型屋顶绿 化具有 更高 的公众效 益 。一般 的补贴方式 54 是 ： 按面积每 平 方米 补 贴 31 0欧 元 ， 或 者按 建 造 费 用 的 1 0 5 0 给予补贴。城市设 施 费减 免率 在 5 0 1 0 0 ， 相 当于每年每个平方米 的屋顶节省 0 5欧元 。 在美 国的波特 兰 、 西雅 图、 芝加哥 、 多伦 多以及 环巴尔帝 摩一华盛顿地 区的几个城市 ， 当新建筑 的屋顶绿化率 达到至 少 6 0 的时候 ， 政府 给予容积率奖励 。 在 中国的北京 市 ， 对 屋顶 绿化 实行政 府补 助 ， 每平方 米 补助金额 为 5 0 1 0 0元。例如 ： 来 自购房 者的经济补 偿。据 初步估算 ， 屋 顶绿 化 的 商品 房 价 每平 方 米 可上 浮 5 01 5 0 元 ， 价格调控能在一定程度上调动房地产开发商积极性 。 3 ) 宣传 教 育 。市 民环保 意识 提高 与绿 化 屋顶 的建设 是 互 动 过程 ， 应加大宣传力度 ， 下意识增强市民环保理念 。包括屋顶的 绿化广义性 ： 轻型绿化 、 重型绿化、 阳台绿化 、 墙面绿化等。 4) 技 术 服 务 体 系 的建 全 完 善 。在 贵 阳地 区 ， 从 事 屋 顶 绿 化 的本地专业技术力量相对 于国内发达地 区是滞后 的， 必须 组织 、 培养起一批有 实力 的屋顶绿 化技 术力 量和施 工 队伍 。 在设计 、 施工 、 适应 西 部地 区植 被 筛选 、 裁培 等方 面 建设 队 伍 。只要政府政策上予 以扶持 ， 这一工作并不需过长周期 。 综上所述 ， 绿化新建小 区屋顶 以及 在既有建筑上 进行屋 顶绿化是 改善 贵阳城市 生态 环境 、 显 著提升市容市貌 品质 的 一 项有效措施 。存 “ 三创一办” 精神 的推动下 ， 我们应更多 的 投入 屋 顶 绿 化 方 面 的 政 策 法 规 ， 进 行 相 应 的 经 济 及 技 术 支 持 ， 使之贵 阳城市 的屋顶绿化体 系更加完 善。 参 考 文献 1 张璐 ， 张 尚武 浅谈屋顶绿化的功能和意义 J 城市减灾， 3 23 5 2 赵惠恩 ， 饶戎 ， 董翔 等 屋顶绿化技术与建筑节能应用 M 北京 ： 中国 建 筑 工 业 出版 社 ， 1 9 9 9 6 5 6 9 3 黄金琦 屋顶花园设计 与营造 M 北京 ： 中国林业出版社 ， 1 9 9 4 6 5 6 9 4 缪义 民， 赖宝清 对屋顶绿化 中几 个常见 问题 的认识与探讨 J 人 居 环 境 ， 313 3 5 索奎琳 创造新 的城市绿化体 系 一生态 系绿化 法 J 中国 园林 ， 1 9 9 4， ( 3 ) 6 张云生 ， 陆文妹 中国屋顶绿化发展综述 J 蓝天园林 ， 2 0 0 6 ， ( 1 )