纤维混凝土存在的问题与玄武岩纤维应用分析

　　摘要：总结分析了纤维增强混凝土的作用机理、影响因素和目前存在的主要问题。新近开发研究的新型玄武岩纤维具有优异性能，并且被认为是富有希望的新型矿物纤维。结合当前的研究发展情况，认为玄武岩纤维在纤维混凝土中将起重要作用。

　　关键词：纤维混凝土；玄武岩纤维；应用分析

　　0 引言

　　混凝土是一种多相复合材料、各组成材料性质差异、并且受施工养护影响，混凝土内不可避免的存在微裂缝。这些裂缝的存在，降低了混凝土强度，也是混凝土呈脆性破坏的主要原因。加入掺合料和化学外加剂，提高混凝土的密实性和强度，是制备高性能混凝土的主要途径。但是，它们的抗拉强度与抗压强度之比仅为6%，存在拉压比低、韧性差与收缩大等缺点[1]。并且随着强度的提高，混凝土脆性表现的愈明显。减少收缩、提高韧性成为了目前混凝土研究的焦点之一。纤维具有抑制混凝土收缩，提高混凝土抗拉强度，增加混凝土韧性的作用，有望解决高强高性能混凝土中出现的拉压比低、韧性差和收缩大的问题[1]。同时，也能够适应现有施工水平和设备条件。

　　1 纤维在混凝土中作用的机理

　　纤维的阻裂效应是纤维作用的主要方面。早期混凝土和硬化混凝土性能不同，纤维取的作用及其效果也不同。因此，纤维作用机理可以从早期混凝土和硬化混凝土两个阶段论述。

　　1.1 早期混凝土中纤维的作用 

　　混凝土中掺入一定量的纤维搅拌时，纤维在混凝土内部能构成一种均匀的乱向支撑体系承托骨料，产生一种有效的二级加强效果，阻碍了沉降裂缝的产生与集料的离析、减少了离析裂纹的产生及发展。混凝土成型后，水泥和水发生水化反应以及水分蒸发、产生塑性收缩，此时混凝土的抗拉强度低，收缩容易产生裂缝。在混凝土中掺入纤维后，纤维在混凝土中乱向分布，纤维的弹性模量相对于混凝土塑性浆体的较高，依靠纤维材料与水泥浆之间的界面吸附粘结力，将一部分收缩能量分散到纤维单丝上，增加了材料抵抗开裂的塑性抗拉强度，从而抑制混凝土微细裂缝的产生和发展，提高了混凝土的密实。表层材料中存在纤维，也使其水分迁移较为困难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少，减少了水分的蒸发，降低了材料表面的析水，提高了混凝土的保水性能。

　　1.2 纤维在硬化混凝土中阻裂作用

　　硬化混凝土在荷载作用下，原有裂缝逐步扩展同时引发新的裂缝。当微裂缝的长度小于纤维间距时，纤维将迫使其改变方向或跨越纤维生成更微细的裂缝场，也能阻碍荷载裂缝的形成和扩展，起增强增韧的作用。在荷载作用下，裂缝进一步扩展，当微裂缝长度大于纤维间距裂缝发生时，其前端与纤维相交，纤维将跨越裂缝，起传递荷载的桥梁作用，使混凝土内的应力场更加连续、均匀，微裂缝尖端的应力集中得以缓和，裂缝的进一步扩展受到约束。

　　如果纤维掺过少，纤维间距较大，纤维还未发挥其阻裂效应，混凝土就可能已经破坏。依据多缝开裂理论，当纤维掺量大于临界体积率时，纤维将承担全部荷载，并有可能产生多缝开裂现象。在多缝开裂时，裂缝间距变小、数量增多、裂纹更细，从而提高了复合材料的韧性，改变了应力－应变状态。对于低弹性模量的纤维在混凝土能吸收破坏能量，延缓混凝土破坏速度，分散了破坏程度，表现为多缝开裂方式。

　　与此同时，纤维是一种不连续的分散相、掺入混凝土中后使材料界面增加，并且纤维表面易吸附水分、影响了界面性能、可能降低混凝土强度。纤维表面对水分的吸附以及纤维的粘滞作用也导致了混凝土流动性的降低。

　　2 纤维在混凝土中作用的影响因素

　　混凝土质量稳定，是纤维混凝土应用的前提之一。纤维的作用受施工过程、组成材料等影响波动较大，并且影响到纤维混凝土的质量。

　　2.1 与纤维有关参数的影响

　　首先，纤维必须具有较好的耐碱性。混凝土水化后呈碱性，纤维不受水泥水化物的侵蚀才能发挥其物理效应。其次，纤维具有比较高的抗拉强度和较大的变形能力。纤维在混凝土中要发挥作用，与水泥基体相比，抗拉强度至少要高出两个数量级，极限延伸率至少要高出一个数量级[2]。再次，纤维应该满足长径比的要求并且具有合适的尺寸规格。纤维长度与直径的比值大于临界值时才能保证足够的粘结力，对水泥基体产生增强效应。纤维过长，在搅拌过程中较易成团。在均匀分散的前提下，纤细而挺实的纤维界面层的叠加效应尤为显著[3]，具有更好的抗裂、增强性能，但是过细的纤维对强度影响不利。最后，纤维应满足合适掺量的要求。纤维掺量太少，纤维起不到阻裂的作用。纤维掺量过多使混凝土和易性变差，同时，过多的界面使内部界面微裂纹增多，混凝土基体强度性能反而下降。

　　2.2 施工方式的影响

　　纤维混凝土中纤维应具有良好的分散性、不结团、不成束，这样纤维才能在实际的混凝土工程中推广应用。不同的施工方式，对纤维的分散性和排列均有不同程度的影响。强制式搅拌时间过长，叶片较容易损伤纤维，所以应合理控制搅拌时间。近几年来，也有地方研究开发了专门的纤维混凝土搅拌机。在采用振捣成型的过程中，纤维随着振捣会产生平行于骨料、模板或振捣设备表面的“边缘效应”，平行于骨料表面初始裂缝的纤维起不到约束裂缝的作用，应该尽可能提高纤维混凝土的自密实能力。

　　2.3 配合比的影响

　　与普通混凝土的配合相比，纤维对混凝土配合比的影响具有以下特点：

　　（1）骨料间的空隙率增加。1m3 混凝土中掺入1%体积率的钢纤维时，纤维的堆积体积占 0.12m3 是其绝对体积的12 倍[4]。所以需要更多的砂浆来填充空隙，需要更大的砂率。

　　（2）纤维的掺入，砂率的提高增大了骨料的比表面积，应采用较高的单位水泥用量。纤维之间交错搭接阻碍了骨料间的相对滑移，同时将吸附部分拌和水，使拌和物变稠，流动性下降。

　　（3）选择合适的集料粒径。骨料界面是混凝土结构的薄弱处，也是最先发生破坏的地方。如果纤维长度大于最大公称粒径时，能够穿越最大粒径，建立起纤维增强和抗裂的“微桥梁”，就能更好地发挥纤维的增强、增韧作用[4]。集料粒径大于平均纤维间距，将导致纤维在大颗粒集料之间聚集和相互干扰。骨料粒径小，使得单位用水量增加，水泥用量增大。有学者提出，骨料的合适粒径应与纤维间距理论相匹配[5]。

　　各影响参数的影响程度，不同的试验条件下得出的试验结论差别较大。深入研究它们之间的相互关系，有利于得出准确的结论，推动技术标准的制定和促进工程应用。

　　3 纤维混凝土目前存在的主要问题

　　3.1 理论研究和微观分析相对滞后

　　纤维增强理论主要是基于主拉应力和纤维阻裂进行分析，而实际工程混凝土是处于复杂应力和变形条件下。相关理论缺少具体的数值指标，并且不同试验结果的误差较大。纤维与水泥基体的界面状况是影响纤维混凝土性能的关键环节，也认为是导致纤维混凝土强度降低的主要原因。受研究手段的制约，对纤维混凝土微观作用和影响因素的研究结论较少。

　　3.2 纤维本身的不足

　　目前研究较多的主要是钢纤维、耐碱玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚丙烯纤维或尼龙合成纤维和近年来的植物纤维混凝土等[6]。这些纤维具有以下特点： [Page]

　　钢纤维混凝土容易受到氯盐腐蚀，因此应用受到一些限制。钢纤维增加了混凝土施工、抹面的难度。外露的钢纤维在养护阶段容易发生锈蚀，影响耐久性和美观。使用过程中，由于混凝土磨耗导致锋利的钢纤维外露，影响使用的安全。钢纤维相对密度7.8 左右，不利于减少结构自重。普通玻璃纤维耐久性低，与水泥基的相溶性差。并且玻璃纤维质脆易断，在搅拌过程易受到损坏。耐碱玻璃纤维是为了增强水泥材料专门研究开发的，但易受酸腐蚀、不适合用于酸性环境中。碳纤维质轻、高强、弹性模量很高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好。但是由于生产成本较高，所以应用受到一定的限制。部分合成纤维具有较高的抗拉强度、极限延伸率，较好的抗碱性。但是较易老化，原料来源受到一定限制且低模量合成纤维通常会使混凝土抗压强度下降。以聚丙烯为例，在极低的体积掺量（体积率小于0.1%）下，能显著改善混凝土早期塑性收缩开裂。然而，在热、氧、紫外线等外界因素作用下易发生化学变化，丧失使用性能。近年来也有人开发研究植物纤维。植物纤维来源广，成本低是一种可再生的资源。但是植物纤维吸水率大、耐碱性能差、柔软性较差，成纱不均匀，限制了产品的进一步开发与应用[2]。

　　3.3 目前研究的主要方向

　　1）对现有纤维进行改性研究。通过对表面进行化学、物理的处理方法，研究纤维的合适规格，增加纤维与水泥基的粘结力。

　　2）研究纤维混杂效应。混凝土硬化前后弹性模量，变形能力等差别较大，纤维阻裂效果也存在差异。不同品种，不同尺寸之间的混杂效应，往往能取到更优的增强作用。

　　3）研究开发纤维新品种。例如开发研究新品种植物纤维等。

　　4 玄武岩纤维及其异性能

　　玄武岩纤维由单组分玄武岩矿物原料熔制拉丝制成，是一种绿色、环保、无污染的新型无机非金属矿物纤维。1953~1954 年苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发，1985 年研制成功并实现了工业化生产。2002 年9 月国家科技部将“玄武岩连续纤维及其复合材料”项目列入国家863 计划。2006 年国家发展和改革委员会将连续玄武岩纤维列为我国中长期重点发展的四大高新技术纤维之一。

　　玄武岩纤维具有优异的物理力学性能，既耐酸又耐碱、更好的温度稳定性，较高的弹性模量、抗拉强度和极限应变率（表1）。并且同属硅酸盐系列与水泥基的相容性好。在搅拌过程中，能够较好地分散均匀，能满足现有设备和施工条件的要求，对抑制水泥基早期收缩裂缝的产生有更明显的效果。

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　　玄武岩熔点高，成份波动大，纤维的成纤质量与矿物组成关系较大，造成玄武岩纤维生产过程能耗较大，工艺控制不易，目前成本还高于E-玻璃纤维[7]。

　　5 结语和展望

　　通过不同类型纤维混凝土的试验和应用研究，明确影响纤维混凝土性能的主要因素，以制定相关技术标准，是纤维混凝土研究的主要目的。目前纤维混凝土一般只用于一些具有特殊要求的结构当中。主要是因为纤维可能恶化混凝土的性能。部分性能优异纤维，却由于昂贵的价格而让人敬而生畏。传统纤维混凝土存在的成本过高和性能改善不明显之间的矛盾，成为了制约纤维混凝土发展应用的主要因素。玄武岩连续纤维具有优异性能，在全世界的开发成功和批量生产大概只有20 年左右[7]，目前材料成本仍较高。近年来，由于工艺的进步，玄武岩纤维的生产成本有所降低、产品质量更趋于稳定。

　　通过进一步改善生产工艺，降低生产成本，稳定产品质量，玄武岩纤维将会得到更加广泛的研究和应用。考虑材料性质、经济成本等因素，选择满足技术指标和使用性能要求、既经济耐久并且有利于可持续发展要求的纤维或纤维组合增强混凝土是纤维混凝土应用的基本原则，也是纤维混凝土发展的趋势。

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