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纤维混凝土在市政工程中的应用探讨
2009/04/22 00:00
来源：浙江大学 蒋燕
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摘 要：简要介绍了纤维混凝土的特点、种类，论述了纤维混凝土的工作机理，分析了影响纤维混凝土工作性能的关键因素，探讨了纤维混凝土在市政工程中应用的前景。
关键词：纤维混凝土；工作机理；工程应用
0 前言
混凝土具有价格低廉、易于成型、施工方便、就地取材范围广、耐久性能良好的优点，目前已经成为世界上用量最大、使用范围最广的建筑材料之一。仅在我国每年混凝土的用量就高达10亿m3 。可以预测在今后相当长的一段时间内，混凝土仍然是建筑工程中最主要的建筑材料。在市政工程建设当中，混凝土的工程应用比重更是如此[1] 。但是，混凝土本身也存在一些致命的缺点，这就是自重较大、抗拉强度低、极限拉伸应变小、抗冲击强度低等。尤其是当混凝土浇注之后暴露在温差大、湿度低等自然条件下，混凝土就会由于温度梯度、湿度梯度、化学反应的因素产生收缩。当这些收缩产生的拉应力与拉应变超过混凝土的抗拉强度或极限应变时，混凝土就会产生微裂缝。这些微裂缝在外部作用的影响下，会逐渐积累并进一步扩展成为裂缝，裂缝最终有可能贯穿整个混凝土构件。
为了改善混凝土的这一缺点，工程技术人员和材料研究人员进行了长期的探索研究，在各种混凝土的改进技术中，纤维混凝土的开发研究是近几年来混凝土技术发展较快的技术之一。
1 纤维混凝土的种类
纤维混凝土是以水泥、水、骨料、外加剂为基体，以金属纤维、合成纤维作为增强材料而组成的具有复合材料工作性能的新型混凝土。纤维材料从早期的短钢丝发展到目前的玻璃纤维、塑料纤维、碳纤维等各种纤维材料。
1．1 钢纤维混凝土
钢纤维混凝土是一种性能优良的新型建筑材料，也是最早应用于混凝土中的复合材料。它能够显着提高混凝土的抗拉、抗剪、抗折强度和抗裂、抗冲击、抗疲劳、抗震抗爆等性能。
早期混凝土工程中采用的钢纤维主要品种有：用细钢丝切断生产的圆直型钢纤维，用熔抽法生产的钢纤维，用薄钢板剪切生产的平直型或扭曲型钢纤维。随着钢纤维生产和钢纤维混凝土应用技术的发展，人们对钢纤维性能的认识不断深入。根据试验研究和工程应用实际情况，钢丝切断圆直型纤维与基体的粘结性能差，碳钢熔抽型纤维在高温冷却过程中表面往往会形成氧化皮，从而严重降低了纤维与基体的粘结性能。因而这几种类型的钢纤维在工程应用中被逐渐淘汰。相应的高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，因其增强了与混凝土基体的粘结力，对混凝土的阻裂、增强、增韧效果显着，在工程中逐渐得以广泛应用。
1．2 合成纤维混凝土
合成纤维混凝土是近几年来发展较快的工程复合材料。工程中目前常用的纤维品种有聚丙烯晴纤维、聚丙烯纤维、改性聚酯纤维、聚氨酯纤维等。在众多的合成纤维中，以聚丙烯纤维应用最为广泛。
2 纤维混凝土的工作机理
纤维混凝土的工作机理类似于复合材料机理。复合力学原理是基于线弹性、均质顺向连续配置的纤维而形成的复合材料。当混凝土中加入适量的纤维之后，水泥浆体作为砂、石等骨料的胶凝材料，同时握裹了大量的纤维。正是这些均匀分散的纤维相互搭联形成了散乱分布的网状结构，起到了承托骨料的作用，从而有效减少了骨料的离析，减少了泌水，提高了粘结性及保水性，从而在一定程度上提高了混凝土的抗拉强度和韧性。
3 影响纤维混凝土工作性能的关键因素
(1) 混乱不定向均匀分布：纤维在混凝土中能否混乱不定向均匀分布，是关系到纤维混凝土能否达到预期性能的关键。如果在混凝土搅拌过程中，无法使纤维均匀散乱分布，往往会造成纤维的分层、结球，无法使混凝土形成纤维复合材料的工作机理，从而也无法提高混凝土的工作性能。
(2) 纤维与混凝土的握裹力：大量的试验结果表明，纤维混凝土破坏时，在混凝土破坏面上的纤维往往是被拔出的，而被拉断的纤维很少见到。因而增强纤维与混凝土的握裹力对提高混凝土的抗拉强度相当重要。
对于钢纤维混凝土而言，增强其与混凝土的握裹力主要是采取异型断面纤维，比较常见的钢纤维就是高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩型纤维、剪切异型纤维、低合金钢熔抽型纤维，这类纤维增强了与混凝土基体的粘结力，对混凝土的阻裂、增强、增韧效果显着。
对于合成纤维混凝土而言，增强其与混凝土的握裹力同样如此，主要是对纤维的表面进行处理，如接枝极性基因(使纤维与水泥基体间形成化学键连接) 、碱蚀表面粗糙化处理等，以增强与混凝土基体的粘结力。
(3) 合适的纤维掺量：在纤维混凝土中，应当根据设计预期的目的来决定纤维的实际掺量。在工程应用中，纤维的掺量还与混凝土的具体配合比、骨料和其它外加剂有关。对于钢纤维混凝土而言，当钢纤维的掺入量低于一定程度时，就不能达到增强的作用。对于不同品种的钢纤维，一般其掺入量不能小于混凝土体积的0.5%。同时，当钢纤维的掺入量超过混凝土体积的2%以上时，由于拌合性能较差，施工质量往往无法保证。
对于合成纤维混凝土而言，一般情况下纤维的掺入量应达到0.7～0.9kg/ m3。
4 纤维混凝土在市政工程中的应用方向
市政工程混凝土用量量多面广，我国目前又处于大规模建设市政工程建设的高潮时期，因而纤维混凝土的应用前景非常广泛。针对不同的工程特点，纤维混凝土的选择应当有所侧重。一般而言，对抗裂、抗疲劳、抗冲击要求高的工程，采用钢纤维混凝土具有比较高的性价比。同时，对于隧道工程中的喷射混凝土、预制混凝土桩端、抗震要求比较高的框架节点，往往多采用钢纤维混凝土。为防止地下钢筋混凝土结构开裂而产生的渗漏问题，往往采用合成纤维混凝土。此外，对于建筑物的内外粉刷层，应采用合成纤维砂浆，对防止龟裂能够起到明显的改善作用。
参考文献
[1]薛伟辰，姚武. 先进纤维混凝土[M] . 上海：同济大学出版社，2004.
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