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​纤维增强混凝土的概述
发布者:管理员   |   发布时间:2021-06-10   |   所属分类:行业知识   |   阅读次数:479

    自1824年发明波特兰水泥后,水泥混凝土得到迅速发展,经过190多年的研究和应用,混凝土已成为当今主要的一种优良建筑材料。但是,水泥混凝土仍然存在着一个突出的缺陷,即材料具有非常明显的脆性。它的抗压强度虽然比较高,但其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性等性能却比较差。纤维增强混凝土就是人们考虑如何改善混凝土的脆性,提高其抗拉强度、抗弯强度、抗裂强度、抗冲击韧性等力学性能的基础上发展起来的,它具有普通钢筋混凝土所没有的许多优良品质。

    纤维混凝土又称纤维增强混凝土,是以水泥净浆、砂浆或混凝土作为基材,以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料,均布地掺和在混凝土中,成为一种可浇筑或可喷射的材料,从而形成的一种增强建筑材料,则称为纤维混凝土,这是兴起于20世纪后半叶的一种新型建筑材料,也是用于某种特殊场合下的混凝土。

纤维混凝土的发展概况

一、

    纤维混凝土的发展始于20世纪初,其中以钢纤维混凝土研究的时间最早、应用的最广泛。早在1910年,美国的H.F.Porter就发表了关于短钢纤维增强混凝土的第一篇论文。

    1911年,美国的Graham则提出了将钢纤维加入普通钢筋混凝土中。20世纪40年代,由于军事工程的需要,英、美、法、德等国的学者,先后发表了纤维混凝土的研究报告,但这些研究报告均未能从理论上说明纤维对混凝土的增强机理,因而限制了这种复合材料在工程结构中的推广应用。

    纤维混凝土真正进入应用于工程的研究,是在经过50年后的20世纪60年代初期。

    1963年,美国的J.P.Romualdi等发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告,首次提出了纤维的阻裂机理(或称纤维间距理论),才使这种复合材料的发展有实质性的突破,尤其钢纤维混凝土的研究和应用受到高度重视。1966年,美国混凝土协会成立了纤维混凝土专业委员会(ACI544委员会),继而国际标准化协会也增设了纤维增强水泥制品技术标准委员会(简称ISO TC77)。

    我国开展纤维混凝土的研究起步较晚,大约于20世纪70年代末,有关科研单位和大专院校才开始研究纤维混凝土的配合比、增强机理、物理力学性能等,并使纤维混凝土在实际工程中得以应用。目前,在一些水利、交通、军工、建筑、矿山等行业,纤维混凝土已有成功的实际应用经验,我国对于纤维混凝土已从实验研究阶段逐渐过渡到了实际工程的应用阶段。

    随着人们对这些新型材料的认识深化,其应用领域也不断扩大。就目前的情况来看,纤维混凝土,特别是钢纤维混凝土在大面积混凝土工程上的应用最为成功。若钢纤维掺量大约为混凝土体积的2.0%,其抗弯强度可提高2.5~3.0倍,韧性可提高10倍以上,抗拉强度可提高20%~50%。

    钢纤维混凝土在工程中应用很广,如桥面部分的罩面和结构;公路、地面、街道和飞机跑道;坦克停车场的铺面和结构;采矿和隧道工程、耐火工程以及大体积混凝土工程的维护与补强等。此外,在预制构件方面也有不少应用,而且除了钢纤维,玻璃纤维、聚丙烯纤维在混凝土中的应用也取得了一定经验。纤维混凝土预制构件主要有管道、楼板、墙板、柱、楼梯、梁、浮码头、船壳、机架、机座及电线杆等。

二、纤维混凝土的增强机理

    自1910年纤维混凝土问世以来,经过多年的不懈努力,其增强机理才逐渐发展起来。

    目前,对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理存在着两种不同的理论解释:其一,为美国的J.P.Romualdi提出的“纤维间距机理”;其二,为英国的Swarny、Mamgat等提出的“复合材料机理”。

    (1)纤维间距机理 J.P.Romualdi提出的“纤维间距机理”,是根据线弹性断裂力学理论来说明纤维材料对于裂缝发生和发展的约束作用。这一机理认为:在混凝土内部原来就存在缺陷,欲提高这种材料的强度,必须尽可能地减小缺陷的程度、提高这种材料的韧性、降低内部裂缝端部的应力集中系数。

    纤维间距机理假定,纤维和基体间的黏结是完美无缺的。但是,事实却不尽如此,它们之间的黏结肯定有薄弱之处。因此,后来有人将间距的概念扩大到包括不同长度和直径的纤维,以及不同配合比的混合料,并提出了其他的间距计算公式。间距的概念一旦超出了比例极限就不再成立,因而还不能客观反映纤维增强的机理。

    (2)复合材料机理 复合材料机理的理论出发点是复合材料构成的混合原理。将纤维增强混凝土看作是纤维强化体系,并应用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度。在基体和纤维完全黏结的条件下,并在基体和连续纤维构成的复合体上(设纤维是同方向配置于基体中)施加拉伸力时,该复合体的强度是由纤维和基体的体积比和应力所决定的。

    在具体运用复合材料机理时,应当考虑复合体在拉伸应力方向上有效纤维量的比例和非连续短纤维的长度修正,尽量同实际情况相符。由这一原理发展出了纤维混凝土强度与纤维的掺入量、方向、细长比以及黏结力间的关系。

三、纤维在混凝土中的作用

    工程实践充分证明,在水泥混凝土中掺入短而细且均匀分布的纤维,具有明显的阻裂、增强和增韧效果。纤维与水泥基材复合的主要目的在于克服后者的弱点,以延长混凝土的使用寿命,扩大混凝土的应用领域。纤维在混凝土中主要起着以下3个方面的作用。

    (1)阻裂作用纤维掺入水泥混凝土后,可阻碍混凝土中微裂缝的产生和发展,这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段,也存在于混凝土的硬化阶段。水泥基体在浇筑后的24h内抗拉强度很低,若处于约束状态,当其所含水分急剧蒸发时,极易生成大量的裂缝,此时,均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力,从而阻止或减少裂缝的生成。混凝土硬化后,若仍处于约束状态,因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时,也极易生成大量的裂缝,在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成。

    (2)增强作用材料试验证明,水泥混凝土不仅抗拉强度比较低,而且因存在内部缺陷而往往难于保证质量。当混凝土中加入适量的纤维后,可使混凝土的抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高,具有明显的增强作用。

    (3)增韧作用 纤维混凝土在荷载的作用下,即使混凝土发生开裂现象,纤维还可横跨裂缝承受拉应力,并可使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标,一般用混凝土的荷载-挠度曲线或拉应力-应变曲线下的面积来表示的。另外,纤维在水泥混凝土中还可以提高和改善混凝土的抗冻性抗渗性及耐久性等性能。




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