纤维增强混凝土

第四节　纤维增强混凝土

普通高强混凝土存在收缩变形大、抗裂性差、脆性大等缺点，掺加纤维是提高水泥混凝土抗裂性和韧性的有效方法。以普通混凝土组成材料为基材，加入各种纤维而形成的复合材料，称为纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，简写为FRC）。近年来，纤维混凝土在国内外发展很快，在工业、交通、国防、水利、矿山等工程建设中广泛应用。

一、常用纤维及其作用

纤维的品种很多，通常使用的有钢纤维、玻璃纤维、有机合成纤维、碳纤维等。其中钢、玻璃、石棉、碳等纤维为高弹性模量纤维，掺入混凝土中后，可使混凝土获得较高的韧性，并显著提高抗拉强度、刚度和承受动荷载的能力。而掺入尼龙、聚乙烯、聚丙烯等低弹性模量的纤维，主要作用是提高混凝土早期的抗裂性、增加韧性、抗冲击性能，对强度的贡献则很小。表7－12是典型纤维的性能。

表7－12　纤维的性能

续　表

根据纤维的体积掺量，纤维增强水泥基复合材料可分为以下三种：

低掺量（＜1%）纤维混凝土：纤维的作用是减少收缩裂缝。主要用于暴露表面大、易于产生收缩开裂的混凝土板和路面。

中掺量（1%～2%）纤维混凝土：纤维的作用是使混凝土的断裂模量、韧性和抗冲击性能显著提高。多用于喷射混凝土以及要求能量吸收能力强、抗分层、剥落和耐疲劳的结构。

高掺量（＞2%）纤维混凝土：该种纤维混凝土具有应变硬化行为和极强的承受动载的能力，通常又称为高性能或超高性能纤维增强复合材料。

根据纤维的分布形式，纤维增强水泥基复合材料又分为定向纤维连续增强型和乱向短纤维增强型。前者纤维增强效率高，复合材料呈各向异性，常用于生产纤维增强板材或结构物的加固。三维乱向短纤维在混凝土中均匀分布，能抑制和阻止裂缝的引发和扩展，提高混凝土的抗裂性。短的微细纤维可有效抑制微裂纹的发展，长纤维可抑制加载后期较大宏观裂缝的扩展。纤维抑制裂缝扩展的示意图见图7－2所示。

图7－2　纤维抑制裂纹扩展示意图

二、钢纤维混凝土

由于钢纤维的弹性模量比混凝土高10倍以上，是最有效的增强材料之一，故目前应用最广。钢纤维按外形可分为长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、哑铃形、扭曲形等。按生产工艺钢纤维又分为切断型、剪切型、铣削型及熔抽型等。

通常，钢纤维的直径为0.3～1.2 mm，长度为15～60 mm。钢纤维的长径比是重要的几何参数，是其长度与直径或等效直径之比，一般为30～100。掺量按占混凝土体积的百分比计，一般为0.5%～2.0%。

钢纤维混凝土的配合比与普通混凝土有所不同，它具有如下特点：

（1）砂率大，一般为40%～50%。

（2）水泥用量较多，一般为360～450 kg／m³，且纤维体积率越高，水泥用量越大。应尽量采用高强度等级的水泥，以提高钢纤维与混凝土基体的黏结强度。

（3）粗骨料最大粒径不宜太大，一般不大于20 mm，以10～15 mm为宜。

（4）水灰比的确定必须考虑到纤维的含量、纤维形状及施工机械等因素。一般水灰比较低，在0.40～0.50之间，目的是增加基体混凝土的强度。

（5）为了减少水泥用量、提高混凝土拌合物和易性，常需掺入粉煤灰、高效减水剂等。

纤维加入混凝土中会降低新拌混凝土的工作性。纤维体积率越大，工作性下降越多。如将1.5%的钢纤维加入坍落度为200 mm的混凝土拌合物中，坍落度将减小到25 mm。因此，对于纤维混凝土而言，不宜用坍落度评价其工作性，而应用维勃稠度试验结果来评价，一般为15～30 s。

对于低、中掺量钢纤维混凝土，其抗拉强度比普通混凝土提高25%～50%，抗弯强度提高40%～80%，而弯曲韧性比普通混凝土高1个数量级。钢纤维对混凝土的弹性模量、干燥收缩和受压徐变影响较小，但抗疲劳寿命显著提高，在各种物理因素作用下的耐久性如耐冻融性、耐热性和抗气蚀性也有显著提高。

钢纤维混凝土主要用于公路路面、桥面、机场跑道护面、水坝覆面、薄壁结构、桩头、桩帽等要求高耐磨、高抗冲击、结构受力复杂易于开裂的部位、构件及国防工程。喷射钢纤维混凝土还可以用于隧道内衬、护坡加固等。

三、合成纤维混凝土

钢纤维对阻止硬化混凝土裂缝扩展有良好的效果，而合成纤维混凝土在解决混凝土早期塑性开裂、减少混凝土干燥收缩变形方面具有十分独特的作用。

合成纤维的品种较多，其中聚丙烯纤维（丙纶PP）、聚乙烯醇纤维（维纶PV A）、聚丙烯腈纤维（腈纶PA N）、聚酯纤维（涤纶PET）、聚酰胺纤维（锦纶PA）等合成纤维属于低模量纤维；芳族聚酰胺纤维（芳纶Kevlar，Nomex）、超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维等属于高模量纤维。高模量合成纤维因生产工艺复杂、产量小、成本高，除用于加固等特殊工程外，在土木工程中使用较少。一般为了提高混凝土早期抗裂性，使用价廉物美的低模量合成纤维就能满足工程要求。

合成纤维按形状分为单丝与束状单丝、膜裂网状几种；按粗细分为细纤维（直径为10～99μm）和粗纤维（直径大于0.1 mm）两种。

纤维的直径越细，则根数越多，阻裂效果愈明显。如果纤维的间距超过某临界值，纤维的阻裂效果则显著下降。

单丝或束状聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维的掺量一般为0.5～1.5 kg／m³，不宜超过2 kg／m³，否则将影响纤维的分散性和混凝土抗压强度。

膜裂网状纤维在混凝土中不易结团，便于在混凝土中分散。网状纤维经搅拌撕裂为单丝，其在每m³混凝土中的掺量为0.7～3 kg／m³。较高掺量的膜裂网状纤维对混凝土裂缝扩展有一定的阻裂能力，高掺量时能提高混凝土的韧性、增加混凝土抗变形能力及有效抵抗温度应力。

混凝土用合成纤维的极限延伸率不宜过大，极限延伸率宜在8%～16%之间，否则，阻裂效果差。如果使用纤维的目的是解决混凝土早期抗裂、抑制混凝土塑性裂缝的扩展，则所用纤维的抗拉强度应不低于250 MPa。如果纤维的用途是既希望解决早期开裂问题，又希望提高硬化混凝土的韧性和抗变形能力，则应选用抗拉强度不低于400 MPa、同时弹性模量较高的合成纤维，或将低模量合成纤维与高模量钢纤维混杂使用。

四、高延性纤维增强混凝土

多年来，在改善传统混凝土脆性的过程中，高性能纤维增强水泥基复合材料（HPFRCC）开始出现，如稀浆渗浇钢纤维混凝土（SIFCON）和稀浆渗浇钢纤维网混凝土（SIMCON），它们在直接拉伸荷载作用下具有明显的应变硬化特性，其受拉性能相对普通混凝土和纤维混凝土有很大改善，但其纤维体积掺量较高，如SIFCON中钢纤维体积掺量为4%～20%，不仅成本高，裂缝也很难控制在几百个μm量级内，而且需要特殊的工艺才能加工成型，这些都极大地限制了HPFRCC在实际工程的推广应用。

高延性纤维增强水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）最早由密西根大学Victor　Li发明，是以水泥、砂、矿物掺合料等构成基体，以乱向分布短纤维（主要是聚乙烯醇纤维，即PV A纤维）为增韧材料的复合材料。在纤维体积掺量为2.0%左右的情况下，其极限拉应变达到3%以上，在拉伸和剪切荷载作用下呈现出高延性，并表现出明显的应变硬化及多缝开裂特性，且饱和状态的多缝开裂裂缝宽度大多小于100μm。ECC不仅成本容易控制，而且使用常规的搅拌方法和施工工艺就可以成型。ECC已成功用于抗震结构、桥梁等土木工程中。

　ECC薄板在四点弯曲下的抗弯性能表现为当荷载加至弹性阶段后，薄板开始弯曲而不出现脆性破坏，因此，ECC又被称为“可弯曲的混凝土”。