高弹模纤维混凝土研究现状及应用

(广东广建项目管理有限公司 广东 广州 510000)

一、纤维混凝土发展现状

纤维混凝土具备高强度，高韧性，高耐久性等特点，目前纤维混凝土根据弹性模量大小可分为高弹性模量纤维以及低弹性模量纤维，低弹性模量纤维包括各种有机纤维，聚丙烯纤维，聚乙烯纤维等，高弹性模量纤维则是包括钢纤维，玻璃纤维，碳纤维等，前者只能提高混凝土的韧性，抗冲击性能，塑性等，后者则是能够明显改善混凝土的刚性和强度，就实际效果来说目前高弹性模量纤维的应用更加的广泛。各类纤维在工程之中的使用情况表明：只有高弹性模量纤维具备稳定持久的力学性能，在工程结构中使用得当的话，能够取得非常优良的经济效益。

二、高弹模纤维混凝土特性

高弹性模量纤维主要分为钢纤维，玻璃纤维，碳纤维三大类。

(一)钢纤维混凝土

钢纤维混凝土是目前世界范围内使用最多的混凝土增强材料，钢纤维具备抗裂，抗冲击能力强，与水泥之间结合非常好等优点，能够有效的增强结构的强度，延长混凝土结构的使用寿命。目前钢纤维根据其加工的方式不同可以分为熔抽型，拉丝切断型，剪切型，切削型等，根据不同的原材料可以分为普通钢纤维和特种钢纤维，从目前的研究成果来看，钢纤维的加入除了能够增强抗拉，抗剪，抗压强度，还能够显著的改善钢筋混凝土结构使用过程中的极限应变，裂后承载，耐磨，抗折，抗疲劳等性能，加入适量钢纤维，抗拉强度提高25%-50%，抗弯强度提高40%-80%，抗剪强度提高50%-100%，冲击抗压韧性提高2-7倍[1]。

(二)玻璃纤维混凝土

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，玻璃纤维具备绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高等特性，目前用于高性能混凝土中的玻璃纤维主要为高强度玻璃纤维，石英玻璃纤维，高硅氧玻璃纤维，其中前者由于性价比出色，以每年10%的增长率飞速发展，后两者属于耐高温纤维，是建筑材料中比较理想的耐热防火材料，由于玻璃纤维的强度重量比会比钢更大一些，因此具备较高的抗拉强度，同时它的延伸性较低，具有很高的抗变形能力，也不存在长期蠕变，能够确保结构的长期安全使用。研究表明[2]混凝土弹性模量随着纤维体积率增加而减小，混凝土变形能力增强。玻璃纤维体积率在1%左右算是一个比较合理的掺量，纤维过多会导致混凝土孔隙率变大从而性能下降。

(三)碳纤维混凝土

随着国防军工，航天等领域的发展对于复合材料的高要求，碳纤维逐渐得到发展应用，碳纤维具备轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，电磁屏蔽性好等优点[3]。碳纤维运用到混凝土结构中具备以下几大特性：①重量轻：比重是钢材的1/4，单位面积重量是钢板的1/100。②超高强度：抗拉强度是钢材的10倍。③优良的耐久性能：耐酸，碱，盐等环境下的腐蚀。④施工方便：材料质地柔软，方便加工，不需要大型机械介入。⑤施工效果好：碳纤维材料和混凝土接触面积在80%以上。但是碳纤维价格偏高，只适用于局部关键构件的增强处理。

三、高弹模纤维混凝土应用领域

(一)工业与民用建筑中的应用

在常规的高层、大跨度建筑结构中常用预制混凝土构件，比如混凝土预制管道等，在采用纤维混凝土材料后，构件的承载能力，抗裂抗震性能以及抗冲击耐久性能均得到了明显的增强。

(二)隧道和桥梁工程的应用

桥梁隧道工程的技术发展和桥面材料的性能有着密切的联系，用纤维混凝土材料作为桥面铺装材料能够非常明显的起到抑制裂缝开展的作用，能够增强桥面的防水性能和抗破碎性能，而且能够减缓桥面内部钢筋的锈蚀，一定程度上延长桥面结构的使用寿命。

(三)道路工程中的应用

目前国内城市的干线公路上车流量越来越大，道路损坏的现象也是越来越严重。将钢纤维混凝土应用到道路路面的建设中，充分发挥其弯拉强度高，抗裂，抗疲劳，抗冲击性能强的优点，取代一部分的钢筋，减小桥面厚度，缩短施工周期，提供施工质量。

(四)港口码头工程中的应用

在港口与海岸工程建设中普遍采用的钢筋混凝土结构耐久性问题日渐突出[4]，抗腐蚀性是玻璃纤维和碳纤维材料的一大特点，这两种纤维组成的混凝土结构具备明显的抗裂，抗冲击，防渗性能，能够延缓海水中的氯离子对钢筋的锈蚀，延缓海水中的硫酸盐，镁离子对混凝土材料的侵蚀，并且显著提高港口码头抵抗海浪冲击的能力。

四、高弹模纤维混凝土存在问题探讨

纤维混凝土自从问世以来，凭借其优异的性能在全世界范围内得到广泛应用，但是在研究应用过程中还是有不少问题需要解决改进。

(1)由于国内对纤维混凝土研究起步较晚，加上国外的技术封锁现象严重，国产的各种高性能纤维质量普遍不高，只能是依赖国外进口纤维产品，但是使用成本非常高昂。以钢纤维为例，在某飞机跑道路面工程中以单方混凝土习惯掺量60kg计,单方混凝土仅钢纤维材料费增加就达400元～600元,这足以使工程成本增加一倍以上[5]。

(2)目前国内对于纤维混凝土的研究多是定性研究，对于复杂荷载环境下，比如动荷载以及各种循环荷载作用下纤维混凝土的损伤变形研究非常少，多是通过试验得出一个大致趋势，没有定量的理论分析，同时在微观研究方面也是缺乏。

(3)纤维混凝土在搅拌过程中分散性差，容易结团依旧是应用中难以改善的难题，也有学者从搅拌控制方面去解决这个问题，首先，要做好搅拌力的控制，一般以20～60kg/min为宜。其次，钢纤维不能一次性加入，要分次加入。再次，钢纤维可以与细集料先搅拌，搅拌均匀后同步投料。最后，牢记先干后湿的投料顺序[6]。

(4)随着纤维混凝土材料在国内的推广应用，目前有关部分也是出台了一些规范和技术性的文件对相应的工程进行指导，比如交通运输部《公路水泥混凝土路面施工技术规范》(JTG F30-2012)和《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T221—2010)，但是考虑到纤维混凝土种类繁多，即便是高弹模纤维也有三种主要类型，仅仅依靠现在的规范标准不能发挥出各类纤维最大的效果，这方面还是需要依靠实践经验总结归纳。