常用纖維混凝土墻體板材性能的分析及比較

孫 奇

近幾年,纖維混凝土的發(fā)展越來越快。但是在國內(nèi),缺少對纖維混凝土特別是纖維混凝土墻材的系統(tǒng)的試驗和研究,造成了對纖維盲目的使用,在增加造價的同時,給工程帶來了不必要的麻煩。本文將介紹各種常用纖維的性能特點以及各種纖維板材的優(yōu)缺點,做出比較和分析,作為日后選擇、使用纖維板的參考依據(jù)。

1 纖維水泥板的分類

1.1 GRC板

GRC由水泥、砂、耐堿玻璃纖維和水組成,中文名為“玻璃纖維增強水泥”,英文名“Glassfibre Reinforced Cement”。GRC板開發(fā)于20世紀60年代,至今已有40多年歷史。

玻璃纖維能夠起到大幅度地提高砂漿的強度和韌性的作用。除此之外,還能明顯的提高砂漿的抗拉、抗彎、抗沖擊性能,而且GRC板具有良好的工藝性能。但是玻璃纖維極易受高堿環(huán)境的侵蝕,并且老化。

1.2 聚丙烯纖維水泥板

聚丙烯纖維水泥板最早在1978年,由英國Surrey大學的Hannomt博士與Keer博士開始研究。其最大特點是對人體無害,機械強度、抗拉強度高,具有良好的塑性延展性,后期彈性也很好。而且假如聚丙烯纖維的復合材料在大氣中長期暴露,其性能無明顯變化。

1.3 復合纖維板

復合纖維是指將幾種不同種類的纖維(合成纖維、金屬纖維),或者不同尺寸的同類纖維按一定比例混合加入混凝土中。這樣各種纖維共同發(fā)揮自己的優(yōu)勢,取長補短以提高混凝土的各項性能指標。

1.4 其他纖維板

1.4.1 金屬纖維板

金屬纖維中最常用的是鋼纖維。其彈性模量高,能大幅度提高砂漿的抗拉性和延展性。鋼纖維混凝土具有較高的強度和韌性、耐久性與吸收動能能力優(yōu)異特性。但是鋼纖維比重較大,在砂漿中極易成團,且與水泥基混合后易受腐蝕。

1.4.2 碳纖維板

碳纖維在20世紀70年代開始開發(fā),其具有較高的彈性模量,而且抗拉強度高,與水泥基結(jié)合的較好。但是價格昂貴,很難大范圍應用。

2 幾種常用的纖維板性能分析

2.1 GRC板的性能分析

2.1.1 對強度的影響

用未老化GRC的性能確定適當?shù)脑O計參數(shù)并在整個制造過程中進行質(zhì)量控制。未老化GRC是相對強、韌,具有假延性的材料,必須對暴露在室外環(huán)境條件下GRC的強度和應變能力隨時間而發(fā)生的逐漸的和永久的降低進行預測。GRC發(fā)生自然老化的速率與其所處環(huán)境條件有關(guān),在許多情況下,當GRC產(chǎn)品暴露在室外環(huán)境下時,將會在產(chǎn)品的期望壽命內(nèi)達到完全老化。因此,對GRC產(chǎn)品的設計必須保證在使用條件下所產(chǎn)生的應力低于材料完全老化后的強度極限和應變極限[1]。

2.1.2 對耐久性的影響

玻璃纖維在初期自身會發(fā)生干燥收縮,這樣會使構(gòu)件產(chǎn)生開裂。除此之外,水分和溫度的變化也會引起玻璃纖維尺寸的變化。

玻璃纖維在失去水分的情況下會收縮,在溫度升高的情況下會膨脹。因此,在一般情況下,當玻璃纖維受熱時其因失去水分產(chǎn)生的收縮會和自身的膨脹相互抵消。故在GRC板設計時,應該充分考慮到玻璃纖維的這一特性。

GRC基材趨向于吸水并將水均勻快速地分布在整個復合材料中,但是水分沿板厚方向通過的能力很弱。試驗表明,雨水以117 km/h的風速落到板上時,在10 mm厚度GRC板的內(nèi)側(cè)沒有水分出現(xiàn)[1]。

2.2 聚丙烯纖維板的性能分析

2.2.1 對強度的影響

要充分發(fā)揮纖維在基體中的作用,必須考慮聚丙烯纖維的易分散性和在基體中的排列情況。不同的纖維,其分散性也是不同的。因此應該做相應的試驗檢測其分散性。方法如下：1)在現(xiàn)場(而非試驗室)進行實地拌和,將纖維成團地放入攪拌機,觀察其分散情況。2)在已經(jīng)拌和后的混凝土中,隨意取出一定重量的混凝土拌合物,水洗該混凝土,收集纖維,進行干燥處理,稱其重量。3)將拌合物按2 cm～5 cm厚度攤鋪,觀察纖維的分散情況。對于網(wǎng)狀纖維,同時需觀察其是否真正被撕開,成為絲狀纖維。在攤鋪開的混凝土中,取相同面積的混凝土,水洗后進行干燥處理,再測定纖維重量[2]。

2.2.2 對耐久性的影響

在混凝土澆筑后的4 h～5 h內(nèi),由于混凝土內(nèi)部水分的蒸發(fā),混凝土發(fā)生收縮,從而發(fā)生收縮裂縫。聚丙烯纖維依靠大量高抗拉強度、高長徑比(按相應比例匹配)、高粘結(jié)強度的纖維絲均勻亂向分布,以阻止塑性收縮裂縫的產(chǎn)生和抑制裂縫的發(fā)展。另外,由于纖維的存在,減少了混凝土的收縮裂縫尤其是連通裂縫的產(chǎn)生,阻斷了滲水的通道,混凝土抗?jié)B性能得到提高。

由圖1可見,混凝土干縮率和時間的關(guān)系與混凝土厚度有關(guān)系。對于越厚的混凝土,多數(shù)的干縮裂縫發(fā)生在后期,所以這時聚丙烯纖維就不能有效的抑制混凝土裂縫的發(fā)生。

2.3 復合纖維板的性能分析

2.3.1 對強度的影響

復合纖維對于混凝土強度的影響有正負兩種效應。當復合纖維中各纖維體積率合適時產(chǎn)生正效應,當體積率較高時產(chǎn)生負效應。綜合多種因素考慮,試驗范圍內(nèi)對混凝土強度綜合效果最好的纖維匹配應該是鋼纖維體積率為0.8%左右,聚丙烯纖維體積率為0.1%左右,并且總體積率小于0.9%為最優(yōu)值[4]。

2.3.2 對耐久性的影響

復合纖維在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),一定程度上阻止了集料的沉降,而且混凝土表面的析水現(xiàn)象也降低,從而阻止了混凝土初期因干縮產(chǎn)生的裂縫。除此之外,復合纖維混凝土在高溫下仍能保持較高的強度,而且可以有效的防止因高溫引起的混凝土爆裂。試驗證明在1 000℃高溫下,復合纖維混凝土的抗折強度剩余率為9%左右[5]。

3 結(jié)語

1)玻璃纖維具有較高的彈性模量,能夠明顯提高板材的抗拉、抗彎以及抗沖擊性能,一般用于外墻。但是玻璃纖維容易受到堿性環(huán)境的侵蝕,所以GRC板的使用壽命一般偏低。2)聚丙烯纖維板具有較高的抗裂性和耐久性,其彈性模量較低,一般用于制成非承重輕質(zhì)隔墻板材。3)鋼纖維增強輕質(zhì)墻板與其他墻板特別是GRC板相比較,有以下特點：a.用鋼纖維代替玻璃纖維耐蝕性較好,可提高墻板使用壽命。既可用于內(nèi)隔墻,也可作外墻板使用。b.保溫性能好,可直接用作節(jié)能外墻板。墻板質(zhì)輕,可減輕建筑自重,減少基礎(chǔ)投資。c.可在墻板上直接刮膩子、刷涂料,減少了用砂量。這對缺少河砂的地區(qū)來說,有極為重要的現(xiàn)實意義。4)碳纖維具有很高的彈性模量,能夠大幅度提高混凝土的抗拉強度,而且碳纖維抗老化性強,但是由于其價格昂貴,所以碳纖維板一般用于建筑加固和補強工程。

不同的纖維在基體中發(fā)揮了不同的作用,只有了解各種纖維的性能特點,才能在工程中更好的應用,給工程帶來預期的效果。

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