高彈模纖維混凝土研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

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一、纖維混凝土發(fā)展現(xiàn)狀

纖維混凝土具備高強(qiáng)度，高韌性，高耐久性等特點，目前纖維混凝土根據(jù)彈性模量大小可分為高彈性模量纖維以及低彈性模量纖維，低彈性模量纖維包括各種有機(jī)纖維，聚丙烯纖維，聚乙烯纖維等，高彈性模量纖維則是包括鋼纖維，玻璃纖維，碳纖維等，前者只能提高混凝土的韌性，抗沖擊性能，塑性等，后者則是能夠明顯改善混凝土的剛性和強(qiáng)度，就實際效果來說目前高彈性模量纖維的應(yīng)用更加的廣泛。各類纖維在工程之中的使用情況表明：只有高彈性模量纖維具備穩(wěn)定持久的力學(xué)性能，在工程結(jié)構(gòu)中使用得當(dāng)?shù)脑挘軌蛉〉梅浅?yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益。

二、高彈模纖維混凝土特性

高彈性模量纖維主要分為鋼纖維，玻璃纖維，碳纖維三大類。

(一)鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是目前世界范圍內(nèi)使用最多的混凝土增強(qiáng)材料，鋼纖維具備抗裂，抗沖擊能力強(qiáng)，與水泥之間結(jié)合非常好等優(yōu)點，能夠有效的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前鋼纖維根據(jù)其加工的方式不同可以分為熔抽型，拉絲切斷型，剪切型，切削型等，根據(jù)不同的原材料可以分為普通鋼纖維和特種鋼纖維，從目前的研究成果來看，鋼纖維的加入除了能夠增強(qiáng)抗拉，抗剪，抗壓強(qiáng)度，還能夠顯著的改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用過程中的極限應(yīng)變，裂后承載，耐磨，抗折，抗疲勞等性能，加入適量鋼纖維，抗拉強(qiáng)度提高25%-50%，抗彎強(qiáng)度提高40%-80%，抗剪強(qiáng)度提高50%-100%，沖擊抗壓韌性提高2-7倍[1]。

(二)玻璃纖維混凝土

玻璃纖維是一種性能優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，玻璃纖維具備絕緣性好、耐熱性強(qiáng)、抗腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度高等特性，目前用于高性能混凝土中的玻璃纖維主要為高強(qiáng)度玻璃纖維，石英玻璃纖維，高硅氧玻璃纖維，其中前者由于性價比出色，以每年10%的增長率飛速發(fā)展，后兩者屬于耐高溫纖維，是建筑材料中比較理想的耐熱防火材料，由于玻璃纖維的強(qiáng)度重量比會比鋼更大一些，因此具備較高的抗拉強(qiáng)度，同時它的延伸性較低，具有很高的抗變形能力，也不存在長期蠕變，能夠確保結(jié)構(gòu)的長期安全使用。研究表明[2]混凝土彈性模量隨著纖維體積率增加而減小，混凝土變形能力增強(qiáng)。玻璃纖維體積率在1%左右算是一個比較合理的摻量，纖維過多會導(dǎo)致混凝土孔隙率變大從而性能下降。

(三)碳纖維混凝土

隨著國防軍工，航天等領(lǐng)域的發(fā)展對于復(fù)合材料的高要求，碳纖維逐漸得到發(fā)展應(yīng)用，碳纖維具備軸向強(qiáng)度和模量高，密度低、比性能高，無蠕變，非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性好，電磁屏蔽性好等優(yōu)點[3]。碳纖維運(yùn)用到混凝土結(jié)構(gòu)中具備以下幾大特性：①重量輕：比重是鋼材的1/4，單位面積重量是鋼板的1/100。②超高強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度是鋼材的10倍。③優(yōu)良的耐久性能：耐酸，堿，鹽等環(huán)境下的腐蝕。④施工方便：材料質(zhì)地柔軟，方便加工，不需要大型機(jī)械介入。⑤施工效果好：碳纖維材料和混凝土接觸面積在80%以上。但是碳纖維價格偏高，只適用于局部關(guān)鍵構(gòu)件的增強(qiáng)處理。

三、高彈模纖維混凝土應(yīng)用領(lǐng)域

(一)工業(yè)與民用建筑中的應(yīng)用

在常規(guī)的高層、大跨度建筑結(jié)構(gòu)中常用預(yù)制混凝土構(gòu)件，比如混凝土預(yù)制管道等，在采用纖維混凝土材料后，構(gòu)件的承載能力，抗裂抗震性能以及抗沖擊耐久性能均得到了明顯的增強(qiáng)。

(二)隧道和橋梁工程的應(yīng)用

橋梁隧道工程的技術(shù)發(fā)展和橋面材料的性能有著密切的聯(lián)系，用纖維混凝土材料作為橋面鋪裝材料能夠非常明顯的起到抑制裂縫開展的作用，能夠增強(qiáng)橋面的防水性能和抗破碎性能，而且能夠減緩橋面內(nèi)部鋼筋的銹蝕，一定程度上延長橋面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

(三)道路工程中的應(yīng)用

目前國內(nèi)城市的干線公路上車流量越來越大，道路損壞的現(xiàn)象也是越來越嚴(yán)重。將鋼纖維混凝土應(yīng)用到道路路面的建設(shè)中，充分發(fā)揮其彎拉強(qiáng)度高，抗裂，抗疲勞，抗沖擊性能強(qiáng)的優(yōu)點，取代一部分的鋼筋，減小橋面厚度，縮短施工周期，提供施工質(zhì)量。

(四)港口碼頭工程中的應(yīng)用

在港口與海岸工程建設(shè)中普遍采用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日漸突出[4]，抗腐蝕性是玻璃纖維和碳纖維材料的一大特點，這兩種纖維組成的混凝土結(jié)構(gòu)具備明顯的抗裂，抗沖擊，防滲性能，能夠延緩海水中的氯離子對鋼筋的銹蝕，延緩海水中的硫酸鹽，鎂離子對混凝土材料的侵蝕，并且顯著提高港口碼頭抵抗海浪沖擊的能力。

四、高彈模纖維混凝土存在問題探討

纖維混凝土自從問世以來，憑借其優(yōu)異的性能在全世界范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，但是在研究應(yīng)用過程中還是有不少問題需要解決改進(jìn)。

(1)由于國內(nèi)對纖維混凝土研究起步較晚，加上國外的技術(shù)封鎖現(xiàn)象嚴(yán)重，國產(chǎn)的各種高性能纖維質(zhì)量普遍不高，只能是依賴國外進(jìn)口纖維產(chǎn)品，但是使用成本非常高昂。以鋼纖維為例，在某飛機(jī)跑道路面工程中以單方混凝土習(xí)慣摻量60kg計,單方混凝土僅鋼纖維材料費(fèi)增加就達(dá)400元～600元,這足以使工程成本增加一倍以上[5]。

(2)目前國內(nèi)對于纖維混凝土的研究多是定性研究，對于復(fù)雜荷載環(huán)境下，比如動荷載以及各種循環(huán)荷載作用下纖維混凝土的損傷變形研究非常少，多是通過試驗得出一個大致趨勢，沒有定量的理論分析，同時在微觀研究方面也是缺乏。

(3)纖維混凝土在攪拌過程中分散性差，容易結(jié)團(tuán)依舊是應(yīng)用中難以改善的難題，也有學(xué)者從攪拌控制方面去解決這個問題，首先，要做好攪拌力的控制，一般以20～60kg/min為宜。其次，鋼纖維不能一次性加入，要分次加入。再次，鋼纖維可以與細(xì)集料先攪拌，攪拌均勻后同步投料。最后，牢記先干后濕的投料順序[6]。

(4)隨著纖維混凝土材料在國內(nèi)的推廣應(yīng)用，目前有關(guān)部分也是出臺了一些規(guī)范和技術(shù)性的文件對相應(yīng)的工程進(jìn)行指導(dǎo)，比如交通運(yùn)輸部《公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F30-2012)和《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T221—2010)，但是考慮到纖維混凝土種類繁多，即便是高彈模纖維也有三種主要類型，僅僅依靠現(xiàn)在的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不能發(fā)揮出各類纖維最大的效果，這方面還是需要依靠實踐經(jīng)驗總結(jié)歸納。