[科普中国]-纤维混凝土

概述

纤维混凝土（ fiber reinforced concrete）是纤维和水泥基料（水泥石、砂浆或混凝土）组成的复合材料的统称。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是：抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维，可以克服这些缺点。

所用纤维按其材料性质可分为：①金属纤维。如钢纤维(钢纤维混凝土)、不锈钢纤维(适用于耐热混凝土)。②无机纤维。主要有天然矿物纤维（温石棉、青石棉、铁石棉等）和人造矿物纤维（抗碱玻璃纤维及抗碱矿棉等碳纤维）。③有机纤维。主要有合成纤维（聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龙、芳族聚酰亚胺等）和植物纤维（西沙尔麻、龙舌兰等），合成纤维混凝土不宜使用于高于60℃的热环境中。

纤维混凝土与普通混凝土相比，虽有许多优点，但毕竟代替不了钢筋混凝土。人们开始在配有钢筋的混凝土中掺加纤维，使其成为钢筋-纤维复合混凝土，这又为纤维混凝土的应用开发了一条新途径。

品种以水泥浆、砂浆或混凝土作基材，以纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，称为纤维混凝土。纤维可控制基体混凝土裂纹的进一步发展，从而提高抗裂性。由于纤维的抗拉强度大、延伸率大，使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击强度及延伸率和韧性得以提高。纤维混凝土的主要品种有石棉水泥、钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、聚丙烯纤维混凝土及碳纤维混凝土、植物纤维混凝土和高弹模合成纤维混凝土等。

制备与性能钢纤维混凝土(l)材料。制备普通钢纤维混凝土，主要使用低碳钢纤维。制备耐火混凝土，则必须使用不锈钢纤维。圆截面长直形钢纤维直径一般为o.25～0. 75mm;扁平形钢纤维厚度为0. 15～0. 4mm，宽度为0.25～0. 9mm，长度均为20～60mm。为改善界面黏结，还有端部带弯钩的钢纤维等。

钢纤维混凝土一般使用425号、525号普通硅酸盐水泥，高强钢纤维混凝土可使用625号硅酸盐水泥或明矾石水泥。使用的粗骨料最大粒径以不超过15mm为宜。为改善拌和物和易性，必须使用减水剂或高效减水剂。混凝土的砂率一般不应低于50%，水泥用量比普通未掺纤维的应高10%左右。

(2)掺量。为保证纤维能均匀分布于}昆凝土，长径比不应大于100，一般为30～80。对每种规格的纤维都有一最大掺量的限值，一般为0.5%～2%(体积率)。

(3)搅拌。钢纤维混凝土采用强制式搅拌机搅拌，为使纤维能均匀分散于混凝土中，应通过摇筛或分散机加料。搅拌的投料顺序与普通混凝土不同。一种方法是先将粗细集料、水泥和水加入搅拌机，搅拌均匀后再将纤维加入搅拌。另一种方法分三步，第一步先将粗细集料搅拌均匀，第二步加入纤维搅拌，最后将水泥和水加入再搅拌。

(4)捣实。不同的捣实方法，对纤维的取向有很大的影响。采用泵送至仓内，不加插搞，纤维在其中呈三维乱向;如采用插入式振动装置捣实，则大部分纤维呈三维乱向，少部分为二维乱向;采用平面振动器振捣，则大部分呈二维乱向，少部分为三维乱向;采用喷射方式，纤维在喷射面上呈二维乱向;采用“离心法”或“挤出法”，纤维取向介于一维定向与二维乱向之间;如果在磁场中振捣，纤维则沿磁力线方向分布。

(5)力学性能。掺入钢纤维，显著地改善了混凝土的力学性能。当掺量在许可范围之内，可提高抗拉强度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，抗压强度提高较小，可达15%～25%。钢纤维混凝土还可使干缩率降低10%～30%。

钢纤维混凝土成本高，施工难度也比较大，必须用在最应该用的工程上。如重要的隧道、地铁、机场、高架路床、溢洪道以及防爆防震工程等。

玻璃纤维混凝土在玻璃纤维混凝土中使用的纤维必须是抗碱玻璃纤维，以抵抗混凝土中Ca (OH)z的侵蚀。抗碱玻璃纤维，在普通硅酸盐水泥中也只能减缓侵蚀，欲大幅度提高使用寿命，应该使用硫铝酸盐水泥。

玻璃纤维混凝土对粗细骨料及配合比无特殊要求，与钢纤维混凝土基本类同。玻璃纤维混凝土在力学性能方面肯定比钢纤维泥凝土低，抗压强度与未掺纤维的相比，还略有降低。但其韧性很高，可提高30～120倍，而且具有较好的耐火性能。主要用于非承重与次要承重的构件上。

聚丙烯纤维混凝土聚丙烯膜裂纤维是一种束状的合成纤维，拉开后成网络状，也可切成长度为19～64mm的短切使用。为防止老化，使用前应装于黑色包装容器中。

施工工艺分为搅拌法与喷射法。纤维的掺量因工艺不同而异。采用搅拌法切短长度为40～70mm，体积掺率为0.4%～1%;采用喷射法切短长度为20～60mm，体积掺率为2%～6%。聚丙烯纤维}昆凝土，力学性能不高，一旦混凝土开裂，纤维混凝土即发生开裂，抗压强度亦无明显提高。唯抗冲击强度较高，可提高2～10倍。收缩率可降低75%。可用于非承重的板、停车场等。

纤维混凝土的作用制造纤维混凝土主要使用具有一定长径比（即纤维的长度与直径的比值）的短纤维。但有时也使用长纤维（如玻璃纤维无捻粗纱、聚丙烯纤化薄膜）或纤维制品（如玻璃纤维网格布、玻璃纤维毡）。其抗拉极限强度可提高30～50%。

纤维在纤维混凝土中的主要作用，在于限制在外力作用下水泥基料中裂缝的扩展。在受荷（拉、弯）初期，当配料合适并掺有适宜的高效减水剂时，水泥基料与纤维共同承受外力，而前者是外力的主要承受者；当基料发生开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。

若纤维的体积掺量大于某一临界值，整个复合材料可继续承受较高的荷载并产生较大的变形，直到纤维被拉断或纤维从基料中被拨出，以致复合材料破坏。 与普通混凝土相比，纤维混凝土具有较高的抗拉与抗弯极限强度，尤以韧性提高的幅度为大。

纤维混凝土设计和使用方法请参考现行《纤维混凝土结构技术规程》1

纤维混凝土施工技术一、钢纤维混凝土的原材料应符合下列规定：

1、钢纤维的种类、规格、质量应符合设计要求。

2、配制钢纤维高强混凝土宜选用质地坚硬、级配良好的河砂，其细度模 数不宜小于2.4。

3、粗骨料应选用质地坚硬、级配良好的石灰岩、花岗岩、辉绿岩等碎石 或碎卵石，粒径不宜大于20mm和钢纤维长度的2/3。

4、当粗骨料粒径大于20mm时，应选用适宜的纤维，并经试验检测达到 设计要求后方可使用。

二、钢纤维混凝土配制应符合下列规定：

1、钢纤维混凝土应满足结构设计对强度等级（包括抗压强度、抗拉强度、 弯曲韧度比等）的要求。

2、钢纤维混凝土的钢纤维体积率应根据设计要求确定；当设计无要求时， 不应小于0.35%;对高强度（抗拉强度不低于1000MPa)的异形钢纤维不应 小于0.25%;钢纤维预应力混凝土中钢纤维用量宜为80kg/m。

3、钢纤维混凝土的水胶比不宜大于0.50，对于耐久性为主要要求的钢纤 维混凝土不得大于0.45，每方混凝土的水泥用量（或胶凝材料总用量）不宜小于360kg。

4、钢纤维混凝土的稠度可参照同类工程对普通混凝土所要求的稠度确定，其坍落度值可比相应普通混凝土要求值小20mm，其维勃稠度值与相应的 普通混凝土要求值相同。

三、钢纤维混凝土搅拌应符合下列规定：

1、钢纤维混凝土宜釆用带有布料装置的纤维混凝土专用搅拌机搅拌。

2、搅拌工艺应确保钢纤维在拌和物中分散均匀，不产生结团，宜优先釆用将钢纤维、水泥、粗细骨料先干拌而后加水湿拌的方法。

3、钢纤维混凝土投料顺序、搅拌方法和搅拌时间应通过现场匀质性试验确定。其搅拌时间应较普通混凝土适当延长1min〜2min。

四、钢纤维混凝土浇筑方法应保证钢纤维的分布均匀性和结构的连续性。

五、合成纤维混凝土用纤维的种类、规格、质量应符合设计要求。

六、合成纤维混凝土配制应符合下列规定：

1、合成纤维的体积率应符合设计要求；设计无要求时，宜在0.05%~0.3% 的范围内选取。

2、合成纤维混凝土的坍落度可比普通混凝土相应要求降低。当坍落度不满足要求时，可调整外加剂或在保持水胶比不变的条件下适当增加用水量。

七、合成纤维混凝土施工应符合下列规定：

1、合成纤维混凝土搅拌时间应通过现场搅拌试验确定，并应较普通混凝 土规定的搅拌时间适当延长40s~60s，以确保纤维在混凝土拌和物中分散均匀。

2、釆用平板振捣器捣实，振捣时间为20s左右并无可见空洞为止。

3、混凝土接近初凝时方可进行抹面，抹面应光滑，抹面时不得加水，抹面次数不宜过多。2