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纤维混凝土在预制混凝土中的应用

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纤维混凝土在预制混凝土中的应用
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编辑时间 : 2020-05-22

  

  一、纤维混凝土的定义和类型

  纤维混凝土是由水泥或水硬性水泥、水、粗骨料和细骨料以及短的、不均匀的、分布均匀的不连续纤维组成的复合材料。纤维可以是钢纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维、植物纤维(见图1-5)等,长度通常从3毫米到64毫米不等,直径可以从几微米到1毫米不等.纤维的横截面形状可以是圆形、椭圆形、多边形、三角形、新月形或正方形,这主要取决于所使用的原材料以及加工和制造过程。昆山混凝土纤维主要分为两类:粗纤维和细纤维。细纤维的直径或当量直径通常小于0.3毫米,而粗纤维的直径或当量直径0.3毫米。当量直径是由与圆形纤维相同的横截面积换算而成的圆形直径,即(4A/)0.5。

  混凝土中纤维的体积比例通常为0.1%~5%。体积比主要由混合的难易程度和项目的应用场景决定。例如,由混凝土收缩和温度变化引起的二次应力通常由低剂量(体积比为0.1%~0.3%)纤维控制。当纤维掺量超过0.3%时,纤维混凝土的力学响应与普通无纤维混凝土有显著差异,主要是由于其开裂后的承载能力。纤维混凝土即使在开裂后仍能吸收能量的能力被称为“韧性”。当向混凝土中加入更高剂量的纤维时,它不仅具有开裂后的韧性,还具有纤维混凝土的应变强化特性(见图6)。换句话说,复合材料可以承受超过普通混凝土本身的拉应力。在这些伪韧性复合材料中,多缝开裂是常见的,并且具有能量吸收的特性。

  美国标准ASTM  C116/C116M提供了四种类型的纤维混凝土:第一种是钢纤维混凝土(SFRC),主要是不锈钢纤维、合金钢纤维和碳钢纤维;第二种是玻璃纤维混凝土(GFRC),由耐碱玻璃纤维组成。第三种是合成纤维混凝土,第四种是天然纤维混凝土(nFRC)。

  从上表可以看出,钢纤维具有较高的强度和弹性模量,并且由于其高碱性环境而不易生锈。它和混合物之间的粘结作用可以通过加强表面的粗糙度和变形来实现更有效的机械锚固。

  合成纤维主要是由石化和纺织工业的发展而产生的非金属纤维,包括各种形式的聚合物。以下是预制混凝土中常用的一些合成纤维:

       1)碳纤维:与钢纤维、玻璃纤维和聚丙烯纤维相比,碳纤维具有自身的特点,在碱性环境和其他腐蚀性化学环境中具有高模量、耐热性和化学稳定性。此外,它还具有明显改善力学性能的特点。碳纤维有史以来第一次以高模量聚丙烯腈纤维的形式应用于水泥基材料。可以看出,其机械性能得到了显著提高。这些碳纤维是通过在高温下处理碳化聚丙烯腈材料,然后通过热拉伸将其石墨化而制成的。首先,这种聚丙烯腈基纤维价格昂贵,不应用于混凝土。20世纪80年代初,随着廉价沥青基碳纤维的出现,人们开始将碳纤维应用于水泥基材料。


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  2)尼龙纤维/聚酰胺纤维:这种纤维具有良好的拉伸强度、高韧性、弹性回复性和良好的亲水性,在水泥基碱性环境中相对稳定。

  3)聚丙烯:这种纤维弹性模量低,熔点低,不适合高温蒸压条件下预制混凝土构件。然而,由于其熔点低,它可用于生产耐火材料或具有高耐火性的产品。有两种用于混凝土加固的聚丙烯纤维,单纤维长丝和原纤化纤维(拉伸纤维)。这些纤维是疏水性的,与水有很大的接触角。因此,与亲水性纤维相比,它们与混凝土之间的附着力非常差。此外,没有证据表明它具有化学粘附性。然而,当分裂纤维或原纤化纤维在加工过程中发生几何变形后,它对混凝土具有一定的机械咬合力。

  4)聚乙烯醇纤维:该纤维由聚乙烯醇树脂经多道工序高拉伸而成,具有高刚性和不透水性。特殊的表面处理可以改变混凝土基层中的纤维分布。不幸的是,聚乙烯醇纤维的热收缩系数很大,在200时收缩率高达4%.它对碱性环境和有机溶剂有很好的耐受性,在长期紫外线照射下强度损失很小。

  5)玻璃纤维:混凝土中使用的玻璃纤维应含有至少16%的二氧化锆以耐碱;其他类型的玻璃纤维,如无碱纤维,不推荐用于混凝土。玻璃纤维具有高模量和高强度,与混凝土具有良好的粘结效果。玻璃纤维增强混凝土与其他纤维增强混凝土(如钢纤维或聚丙烯纤维)的区别在于纤维含量。前者的纤维体积比为4%~6%,而后者或其他纤维的体积比为0.1%~1%。为了实现高含量的玻璃纤维,混凝土成分需要高含量的水泥和细骨料,而粗骨料基本上不存在。

       二、纤维在混凝土中的作用

  1.准静态载荷和冲击响应

  纤维在改善机械性能方面起着重要作用。用于评价抗冲击性能的落锤试验研究表明,体积比为0.1%~0.2%的聚丙烯纤维混凝土,无论是初始开裂阶段还是最终开裂阶段,都比普通混凝土具有更高的冲击强度。类似的试验结论也可以从钢纤维混凝土试验中得出。目前,纤维混凝土抗压强度尚无统一的标准测试方法,但相关研究表明,纤维混凝土的轴向抗压强度比普通混凝土提高了85%~100%。进一步研究表明,在冲击荷载作用下,纤维混凝土在压缩后期没有明显的峰后延性,主要是因为混凝土碎片没有与纤维粘结。虽然试验结果表明钢纤维混凝土的冲击系数为3,但聚合物纤维混凝土与普通混凝土并无不同,冲击系数约为1.5。研究结果表明,三维变形钢纤维比二维变形钢纤维具有更显著的动态冲击系数。昆山黄沙然而,动荷载下的抗拉强度和开裂后的残余抗弯强度都得到了显著提高。纤维增强提高了混凝土的吸能能力,主要是因为它提高了峰值后的应力传递能力,所以是提高抗冲击能力的有效途径。纤维的类型、长度和形状将显著影响这些特性。如前所述,纤维有很多种,如钢纤维、合成纤维、玻璃纤维、天然纤维等。短而离散的聚合物纤维增加了混凝土的能量吸收能力,有时甚至超过钢纤维混凝土的动态冲击系数。

  冲击荷载作用下混凝土中纤维的性能在很大程度上取决于纤维与混凝土之间的粘结方式。研究表明,随着加载速率的增加,钢纤维混凝土具有较高的抗裂性。与一些使用聚丙烯纤维的混凝土试件相比,后者能很快赶上前者。据推测,这主要是因为聚丙烯纤维本身比钢纤维对应变率更敏感。

  2.收缩裂缝的控制

  众所周知,纤维可以显著影响水泥基复合材料的自由收缩和其他相关的早期特性。一些研究表明,使用体积约占1%的聚乙烯纤维可以将混凝土的自由塑性收缩率降低30%。除了自由收缩之外,各种技术被用来研究纤维对混凝土约束收缩的相关影响。纤维的加入主要用于改变混凝土约束环境下收缩裂缝的宽度和长度。

       相关研究结论如下:

       1)纤维材料和类型对收缩裂缝有很大影响。在纤维含量相同的情况下,玻璃纤维是抑制裂纹扩展最有效的纤维,其次是合成纤维。

  2)对于给定的纤维体积比和纤维类型,具有较长长度和较小直径的纤维比较短和较厚的纤维更有效。与未变形的纤维相比,在纤维表面上具有更大程度的几何变形(例如拉伸开裂纤维)更有效。

  3)对于植物纤维,只有当体积比大于0.3%时,涂覆或未涂覆的纤维才有效。

  3.防水和耐久性

  由于硫酸侵蚀、循环解冻、碱-硅反应和钢筋腐蚀的影响,预制混凝土构件的性能容易退化。在所有这些情况下,水的渗透(渗透性)起着至关重要的作用。预制混凝土产品的耐久性主要取决于水的侵入/渗透速度。结果表明,渗透性反过来取决于混凝土中的裂缝和混凝土裂缝宽度的增加,这反过来会产生更高的渗透性。纤维增强提高了混凝土的抗裂性,增加了裂缝的表面粗糙度,促进了多重裂缝的发展,从而显著降低了混凝土的透水性。对于应力和应力引起的混凝土开裂,结果表明普通混凝土的裂缝显著增加了其透水性,而纤维混凝土的透水性明显低于普通混凝土。至于如何提高纤维的防水性能,一些研究表明,由于纤维的加入,普通混凝土中的微孔变成了纳米孔。

  预制混凝土中钢筋的腐蚀是一个非常重要的问题。混凝土中的氯离子污染是一个主要因素,它对钢筋的腐蚀机理和过程已经很清楚和很好地理解。不幸的是,混凝土中的裂缝使氯离子和其他腐蚀性化学物质更容易进入,从而促进进一步的腐蚀。氯离子主要通过毛细水渗透和扩散,而氯离子扩散主要取决于水的渗透性。如前所述,纤维降低了受力混凝土或非受力混凝土的渗透性,从而减缓了氯离子的扩散速率。因此,在混凝土中加入纤维是延长混凝土结构使用寿命的有效方法。

  三、纤维混凝土工程应用的几个案例

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