纖維混凝土存在的問題與玄武巖纖維應(yīng)用分析

摘要：總結(jié)分析了纖維增強(qiáng)混凝土的作用機(jī)理、影響因素和目前存在的主要問題。新近開發(fā)研究的新型玄武巖纖維具有優(yōu)異性能，并且被認(rèn)為是富有希望的新型礦物纖維。結(jié)合當(dāng)前的研究發(fā)展情況，認(rèn)為玄武巖纖維在纖維混凝土中將起重要作用。

　　關(guān)鍵詞：纖維混凝土；玄武巖纖維；應(yīng)用分析

　　0引言

　　混凝土是一種多相復(fù)合材料、各組成材料性質(zhì)差異、并且受施工養(yǎng)護(hù)影響，混凝土內(nèi)不可避免的存在微裂縫。這些裂縫的存在，降低了混凝土強(qiáng)度，也是混凝土呈脆性破壞的主要原因。加入摻合料和化學(xué)外加劑，提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度，是制備高性能混凝土的主要途徑。但是，它們的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比僅為6%，存在拉壓比低、韌性差與收縮大等缺點(diǎn)[1]。并且隨著強(qiáng)度的提高，混凝土脆性表現(xiàn)的愈明顯。減少收縮、提高韌性成為了目前混凝土研究的焦點(diǎn)之一。纖維具有抑制混凝土收縮，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，增加混凝土韌性的作用，有望解決高強(qiáng)高性能混凝土中出現(xiàn)的拉壓比低、韌性差和收縮大的問題[1]。同時(shí)，也能夠適應(yīng)現(xiàn)有施工水平和設(shè)備條件。

　　1纖維在混凝土中作用的機(jī)理

　　纖維的阻裂效應(yīng)是纖維作用的主要方面。早期混凝土和硬化混凝土性能不同，纖維取的作用及其效果也不同。因此，纖維作用機(jī)理可以從早期混凝土和硬化混凝土兩個(gè)階段論述。

　　1.1早期混凝土中纖維的作用

　　混凝土中摻入一定量的纖維攪拌時(shí)，纖維在混凝土內(nèi)部能構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系承托骨料，產(chǎn)生一種有效的二級加強(qiáng)效果，阻礙了沉降裂縫的產(chǎn)生與集料的離析、減少了離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展?；炷脸尚秃?，水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)以及水分蒸發(fā)、產(chǎn)生塑性收縮，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度低，收縮容易產(chǎn)生裂縫。在混凝土中摻入纖維后，纖維在混凝土中亂向分布，纖維的彈性模量相對于混凝土塑性漿體的較高，依靠纖維材料與水泥漿之間的界面吸附粘結(jié)力，將一部分收縮能量分散到纖維單絲上，增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強(qiáng)度，從而抑制混凝土微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高了混凝土的密實(shí)。表層材料中存在纖維，也使其水分遷移較為困難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減少，減少了水分的蒸發(fā)，降低了材料表面的析水，提高了混凝土的保水性能。

　　1.2纖維在硬化混凝土中阻裂作用

　　硬化混凝土在荷載作用下，原有裂縫逐步擴(kuò)展同時(shí)引發(fā)新的裂縫。當(dāng)微裂縫的長度小于纖維間距時(shí)，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維生成更微細(xì)的裂縫場，也能阻礙荷載裂縫的形成和擴(kuò)展，起增強(qiáng)增韌的作用。在荷載作用下，裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，當(dāng)微裂縫長度大于纖維間距裂縫發(fā)生時(shí)，其前端與纖維相交，纖維將跨越裂縫，起傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)、均勻，微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以緩和，裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展受到約束。

　　如果纖維摻過少，纖維間距較大，纖維還未發(fā)揮其阻裂效應(yīng)，混凝土就可能已經(jīng)破壞。依據(jù)多縫開裂理論，當(dāng)纖維摻量大于臨界體積率時(shí)，纖維將承擔(dān)全部荷載，并有可能產(chǎn)生多縫開裂現(xiàn)象。在多縫開裂時(shí)，裂縫間距變小、數(shù)量增多、裂紋更細(xì)，從而提高了復(fù)合材料的韌性，改變了應(yīng)力－應(yīng)變狀態(tài)。對于低彈性模量的纖維在混凝土能吸收破壞能量，延緩混凝土破壞速度，分散了破壞程度，表現(xiàn)為多縫開裂方式。

　　與此同時(shí)，纖維是一種不連續(xù)的分散相、摻入混凝土中后使材料界面增加，并且纖維表面易吸附水分、影響了界面性能、可能降低混凝土強(qiáng)度。纖維表面對水分的吸附以及纖維的粘滯作用也導(dǎo)致了混凝土流動(dòng)性的降低。

　　2纖維在混凝土中作用的影響因素

　　混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，是纖維混凝土應(yīng)用的前提之一。纖維的作用受施工過程、組成材料等影響波動(dòng)較大，并且影響到纖維混凝土的質(zhì)量。

　　2.1與纖維有關(guān)參數(shù)的影響

　　首先，纖維必須具有較好的耐堿性。混凝土水化后呈堿性，纖維不受水泥水化物的侵蝕才能發(fā)揮其物理效應(yīng)。其次，纖維具有比較高的抗拉強(qiáng)度和較大的變形能力。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，與水泥基體相比，抗拉強(qiáng)度至少要高出兩個(gè)數(shù)量級，極限延伸率至少要高出一個(gè)數(shù)量級[2]。再次，纖維應(yīng)該滿足長徑比的要求并且具有合適的尺寸規(guī)格。纖維長度與直徑的比值大于臨界值時(shí)才能保證足夠的粘結(jié)力，對水泥基體產(chǎn)生增強(qiáng)效應(yīng)。纖維過長，在攪拌過程中較易成團(tuán)。在均勻分散的前提下，纖細(xì)而挺實(shí)的纖維界面層的疊加效應(yīng)尤為顯著[3]，具有更好的抗裂、增強(qiáng)性能，但是過細(xì)的纖維對強(qiáng)度影響不利。最后，纖維應(yīng)滿足合適摻量的要求。纖維摻量太少，纖維起不到阻裂的作用。纖維摻量過多使混凝土和易性變差，同時(shí)，過多的界面使內(nèi)部界面微裂紋增多，混凝土基體強(qiáng)度性能反而下降。

　　2.2施工方式的影響

　　纖維混凝土中纖維應(yīng)具有良好的分散性、不結(jié)團(tuán)、不成束，這樣纖維才能在實(shí)際的混凝土工程中推廣應(yīng)用。不同的施工方式，對纖維的分散性和排列均有不同程度的影響。強(qiáng)制式攪拌時(shí)間過長，葉片較容易損傷纖維，所以應(yīng)合理控制攪拌時(shí)間。近幾年來，也有地方研究開發(fā)了專門的纖維混凝土攪拌機(jī)。在采用振搗成型的過程中，纖維隨著振搗會產(chǎn)生平行于骨料、模板或振搗設(shè)備表面的“邊緣效應(yīng)”，平行于骨料表面初始裂縫的纖維起不到約束裂縫的作用，應(yīng)該盡可能提高纖維混凝土的自密實(shí)能力。

　　2.3配合比的影響

　　與普通混凝土的配合相比，纖維對混凝土配合比的影響具有以下特點(diǎn)：

　　骨料間的空隙率增加。1m3混凝土中摻入1%體積率的鋼纖維時(shí)，纖維的堆積體積占0.12m3是其絕對體積的12倍[4]。所以需要更多的砂漿來填充空隙，需要更大的砂率。

　　纖維的摻入，砂率的提高增大了骨料的比表面積，應(yīng)采用較高的單位水泥用量。纖維之間交錯(cuò)搭接阻礙了骨料間的相對滑移，同時(shí)將吸附部分拌和水，使拌和物變稠，流動(dòng)性下降。

　　選擇合適的集料粒徑。骨料界面是混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱處，也是最先發(fā)生破壞的地方。如果纖維長度大于最大公稱粒徑時(shí)，能夠穿越最大粒徑，建立起纖維增強(qiáng)和抗裂的“微橋梁”，就能更好地發(fā)揮纖維的增強(qiáng)、增韌作用[4]。集料粒徑大于平均纖維間距，將導(dǎo)致纖維在大顆粒集料之間聚集和相互干擾。骨料粒徑小，使得單位用水量增加，水泥用量增大。有學(xué)者提出，骨料的合適粒徑應(yīng)與纖維間距理論相匹配[5]。

　　各影響參數(shù)的影響程度，不同的試驗(yàn)條件下得出的試驗(yàn)結(jié)論差別較大。深入研究它們之間的相互關(guān)系，有利于得出準(zhǔn)確的結(jié)論，推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和促進(jìn)工程應(yīng)用。

　　3纖維混凝土目前存在的主要問題

　　3.1理論研究和微觀分析相對滯后

　　纖維增強(qiáng)理論主要是基于主拉應(yīng)力和纖維阻裂進(jìn)行分析，而實(shí)際工程混凝土是處于復(fù)雜應(yīng)力和變形條件下。相關(guān)理論缺少具體的數(shù)值指標(biāo)，并且不同試驗(yàn)結(jié)果的誤差較大。纖維與水泥基體的界面狀況是影響纖維混凝土性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也認(rèn)為是導(dǎo)致纖維混凝土強(qiáng)度降低的主要原因。受研究手段的制約，對纖維混凝土微觀作用和影響因素的研究結(jié)論較少。

　　3.2纖維本身的不足

　　目前研究較多的主要是鋼纖維、耐堿玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚丙烯纖維或尼龍合成纖維和近年來的植物纖維混凝土等[6]。這些纖維具有以下特點(diǎn)：