纤维混凝土是以混凝土为(或砂浆)为基材,掺入纤维而组成的水泥基复合材料。纤维混凝土能够成为复合材料,需具备:①纤维材料与基体材料之间有良好的黏结力,受荷后具有整体性;②在纤维混凝土搅拌施工过程中,能够把足够数量的一定长度的纤维充分均匀地分散到基材之中,纤维在搅拌过程中不结团,振实后纤维在混凝土中呈乱向均匀分布。
根据所掺纤维的不同,纤维混凝土分为:①纤维增强混凝土。这种混凝土采用高强高弹性模量的纤维,如钢纤维、碳纤维等;②纤维增韧防裂混凝土。这种混凝土采用低弹性模量高塑性纤维,如尼龙纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、聚氯乙烯纤维等。
本节仅对钢纤维混凝土、改性聚丙烯纤维混凝土及碳纤维混凝土作简单介绍。
(1)钢纤维混凝土。
普通钢纤维混凝土用低碳钢纤维,耐热钢纤维混凝土用不锈钢纤维。
钢纤维的外形有扁平截面两端有弯钩、波浪形、两端截面较大的哑铃形及不同截面的螺旋形等多种(早期的钢纤维为长直圆截面,用钢丝切断制得,现已淘汰)。钢纤维的制造工艺有薄钢带冲切法及钢材刨制法。用专用的钢纤维刨制机生产的钢纤维,为截面不规则的螺旋形,且其表面有毛刺。它较扁平截面直条形及波浪形具有较大的黏结性;较两端有弯钩者易于搅拌分散而不易结团,故其品质优于薄钢带切制的纤维。为保证纤维与基体材料很好地黏结,在钢纤维表面不应含有油污、镀锌层等有害物质。
钢纤维的截面尺寸 (宽、厚)一般为0.15~0.9mm,长度约20~50mm。钢纤维掺量以体积率表示,一般为0.5%~2%。
钢纤维混凝土物理力学性能显著优于素混凝土。如适当纤维掺量的钢纤维混凝土抗压强度可提高15%~25%,抗拉强度可提高30%~50%,抗弯强度可提高50%~100%,韧性可提高10~50倍,抗冲击强度可提高2~9倍。耐磨性、耐疲劳性等也有明显增加。
钢纤维混凝土广泛应用于道路工程、机场地坪及跑道、防爆及防振结构,以及要求抗裂、抗冲刷和抗气蚀的水利工程、地下洞室的衬砌、建筑物的维修等。施工方法除普通的浇筑法外,还可用泵送灌注法、喷射法及做预制构件。(www.xing528.com)
(2)聚丙烯纤维混凝土。
改性聚丙烯纤维是一种合成纤维,具有价格便宜、物理力学性能好等特点。丙纶短纤维经改性处理后,改善了高分子材料抗紫外线及抗氧化能力,所生产的纤维为异形截面、表面粗糙多孔。这种纤维在水中有一定分散悬浮性,在水泥浆中易于搅拌分散,不结团,并与水泥石有很好的黏结力。
聚丙烯纤维弹性模量仅为混凝土的1/4左右,故这种纤维对混凝土无明显增强作用,大量用作水泥混凝土(或砂浆)的防裂改性材料。
聚丙烯纤维混凝土中,改性丙纶纤维长度为2~20mm。纤维掺入量为0.7~3.0kg/m3。常规掺量每立方米混凝土0.9kg时,可显著提高混凝土抗裂、抗渗及抗冻性,此时混凝土强度不变,弹性模量略有下降,极限拉伸和抗冲击韧性可提高10%,并显著降低混凝土干缩率。混凝土早期裂缝发生概率可减少70%~75%,28d龄期裂缝发生概率可减少60%~65%,混凝土抗渗性、抗冻性也明显提高。纤维掺量为1.0~2.0kg/m3时,抗冲击韧性可提高200%。由于聚丙烯纤维的弹性模量明显低于混凝土,当混凝土发生裂缝后,横跨裂缝的纤维并不能阻止裂缝的进一步开展,因此,弹性模量比聚丙烯纤维高的聚丙烯腈纤维被生产出来。聚丙烯腈纤维的弹性模量约为混凝土的1/3,性能略优于聚丙烯纤维。
聚丙烯(聚丙烯腈)纤维混凝土 (砂浆)被广泛应用于建筑工程、桥梁、道路路面、隧洞衬砌、喷射混凝土工程及水工建筑物。
(3)碳纤维混凝土。
碳纤维属高强度高弹性模量的合成纤维。对水泥混凝土具有很好的增强作用。碳纤维增强水泥混凝土具有高强度、高抗裂、高抗冲击韧性、高耐磨等多种优越性能。它作为一种新材料广泛应用于国防、航空、航天、造船、机械工业等尖端工业。在飞机场跑道等工程中应用也获得了良好效果。但碳纤维成本高,推广应用受到限制。
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