青岛鼎昌带您了解纤维增强混凝土
一、纤维增强混凝土定义
化学纤维在纤维混泥土中的关键功效,取决于限定混泥土原料中缝隙在外力的作用下的扩展。在受荷(拉、弯)前期,混泥土原料与纤维一同承担外力作用且前面一种是关键关键者;当原料形成裂开后,跨过缝隙的纤维变成外力作用的关键承受者,即关键以纤维的桥联力抵抗外力的作用。若化学纤维的容积摄入量超过某一临界点,全部高分子材料可再次承担较高的载荷,并形成很大的形变,直到化学纤维被扯断或从基材中拔出来,以至高分子材料破坏。因而,与水泥混凝土相比,纤维混泥土具备较高的抗压强度和抗弯强度极限抗压强度,而更是以塑性提升的力度为大。
纤维混泥土最适用于厚度较薄的结构,这种结构如采用传统钢筋提高,要正确放置钢筋是十分困难的。另外,喷射纤维混泥土适合制作不规则的产品与具备等效抗压强度、厚度很大的钢筋混凝土相比,采用相对较薄的化学纤维混泥土可以显著减轻结构自重。
二、纤维分类
纤维混泥土中常用的化学纤维按其材料性质可分为:金属纤维(如钢纤维、不锈钢纤维)、无机纤维(如石棉等天然矿物纤维、抗碱玻纤、抗碱矿棉、碳纤维材料等人造纤维)、有机纤维(如聚丙稀、聚乙烯、尼龙、芳族聚酰亚胺等人造纤维和西沙尔麻等天然植物纤维)。按其弹性模量可分为高弹模纤维(如钢纤维、碳纤维材料、玻纤等)和低弹模化学纤维(如聚丙烯纤维、某些植物纤维等)。
按其长度可分为非连续的短纤和连续的长化学纤维(如玻纤无捻粗纱、聚丙稀纤化塑料薄膜等)生产制造化学纤维混泥土关键采用短纤,但偶尔也采用长化学纤维或非织布(如玻纤玻璃纤维网和玻纤毡等)。
三、纤维增强混凝土分类
对用于混泥土中的化学纤维,其基本要求是:
1)高抗拉强度与水泥基材料相比,至少要高两个数量级;
2)高弹性模量纤维与混泥土基材的弹模的比值越大,受荷时纤维所分担的应力也越大;
3)高形变能力与混泥土基材的极限延伸率相比,至少要高一个数量级;
4)低泊松比通常不大于0.40;
5)高耐碱性不受混泥土水化物的侵蚀;
6)高粘结抗压强度化学纤维与混泥土基材的粘结抗压强度通常不应低于1MPa;
7)一定的长径比此比值超过临界点时才对混泥土基材有显著的提高的效应。
此外,还应该对人体无害;资源丰富,价格较为低廉。表24-1为部分纤维的性能指标值。
土木工程中采用最广的纤维混泥土包括四种:钢纤维混泥土(SFRC)、玻纤混泥土(GFRC)、碳纤维材料混泥土(CFRC)和人造纤维混泥土(SNFRC),前3种都应属高弹模化学纤维混泥土,化学纤维能显著提升混泥土的(抗压强度、压、弯)抗压强度,延展性、塑性、耐冲击疲劳性能和变形模量。其中碳纤维材料的提高改性实际效果最好,但它的价格也最高。人造纤维通常全是低弹模纤维,它对混泥土只有起阻裂改性、抗磨损不渗水的功效,提高实际效果不显著,但它质优价廉,工程施工便捷,因而在各种各样面板工程中获得了日益广泛的采用。
四、纤维在混凝土中所起的作用。
将短而细且均匀分布的纤维参入混凝土中,其阻裂、增强和韧化效果明显,其主要目的是克服后一种纤维的缺点,延长其使用寿命,扩大其应用范围。纤维素在混凝土中主要起三个作用:
(1)阻裂影响。
光纤可以阻止混凝土中微裂缝的发生和扩展,这种阻裂作用不仅存在于未硬化的塑性阶段,而且还存在于硬化阶段。浇筑后24小时内,水泥基抗拉强度较低,在受限制状态下,由于混凝土中所含水分迅速蒸发,容易产生大量裂缝,此时,均匀分布在混凝土中的纤维承受因混凝土因收缩而产生的拉应力,可防止或减少裂缝的产生。当混凝土硬化后,如果仍然受约束,由于周围环境温度和湿度的变化而使收缩产生的拉伸应力超过了其拉伸强度,也很容易产生大量的裂纹,在这种情况下,纤维仍然可以阻止或减少裂纹的产生。
(2)提高效率。
不但抗拉强度低,而且由于混凝土内部存在缺陷,常常难以保证。在混凝土中加入适量的纤维素,可使混凝土的拉伸强度、弯拉强度、剪切强度和疲劳强度等性能有所提高。
(3)韧化增强。
在荷载作用下,纤维混凝土即使开裂,也能横跨裂缝承受拉应力,使混凝土具有较好的韧性。韧度是表征材料抗变形能力的一个重要指标,它通常表现为混凝土在受力一挠度曲线或拉应力一应变曲线下的面积大小。
此外,还能改善和提高混凝土的抗冻、抗渗及耐久性能。
这里要强调的是纤维混凝土中纤维的作用,并非所有纤维都能同时发挥上述三种作用,有时只发挥其中的一种或两种作用,这与纤维的种类、纤维的性质、纤维与混凝土界面的粘结状态以及基体混凝土的种类和强度等级等有密切关系。
五、纤维混凝土的发展过程。
用纤维提高复合材料性能的思想,源于民间。远古时期,人们曾把稻草、毛发等混合到泥浆中来加固土坯或土墙。水泥出现后,人类开始尝试将各种纤维参入其中。在1910年,美国人Porter将钢筋薄片加入混凝土中,以提高混凝土的抗拉强度和抗冲击性能,并申请专利。同时,他也发表了一份关于短纤维增强混凝土的研究报告,建议用短纤维来加强混凝土的基材。从那以后,美、英、法、德、日等国家相继公布了大量关于钢纤维混凝土加固结构的专利,钢纤维的开发与应用也逐渐展开。70年代廉价钢纤维的研制成功,为钢纤维的实际应用创造了有利的条件,使钢纤维混凝土的研制与研究逐渐达到高潮。
目前,国内外对合成纤维的研究与应用起步较晚。在60年代,戈德芬开始研究用合成纤维增强混凝土的可能性,他发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维对砂浆抗冲击性能有很大帮助。石油化工的发展为生产大量价廉的合成纤维提供了可能,也极大地促进了合成纤维混凝土的研究与开发。举例来说,美国希尔兄弟公司利用聚丙烯材料成功开发了杜拉纤维(Durafiber),并在世界范围内的建筑行业得到了成功应用。
玻璃钢混凝土的研究和应用始于20世纪60年代。玻璃钢混凝土在使用过程中,由于出现了大量的强韧化问题,再加上耐碱性不过关,目前多用于结构加固,有关物理性能的研究较少。
碳纤的发展始于20世纪60年代,是目前所知的综合性能最好的纤维之一,其拉伸强度高,弹性模量大,化学性质稳定,与混凝土结合良好,因此对混凝土有很好的增韧增强作用。碳素纤维的主要缺点是价格昂贵,并且限制了其大规模应用。但是,随着未来生产工艺的改进,相信碳纤维混凝土的应用前景将十分广阔。
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