《材料科学与工程概论论文》新型纤维混凝土的认识(供参考)

以提高结构耐久性为目的的聚合物合成短纤维水泥基复合材料的探讨

摘要：纤维混凝土作为一种新型建筑材料对混凝土结构的耐久性有明显加强，通过延长建筑物的寿命，节省了维修的建筑材料的用量，直接减少了原材料的和能源的浪费，对于建筑业高能耗现状的改善起到积极作用。本文主要探讨聚合物合成短纤维水泥基复合材料的工作机理。 关键词：纤维混凝土；耐久性；抗裂；节能环保；

1.建筑行业高能耗现状

我国建筑节能起步较晚，建筑能耗要比发达国家高很多。2006年我国建筑能耗占社会总能耗的比例已达到20％～25％。我国的国民生产总值仅占世界的5.5%，却消耗了世界54%的水泥，30%的钢铁。据中国水泥行业协会数据显示， 2007年全国水泥总产量13.5亿吨较上年增长13.5%。由于我国吨水泥综合能耗比世界先进水平高15％以上，而且生产中排出的二氧化碳和废弃物对环境产生大量的破环。因此耗费了为此，不断地开发新的建筑节能技术，提高建筑物的能源利用效率至关重要。国务院总理温家宝在十届全国人大五次会议上作政府工作报告时也指出，要大力抓好节能降耗、保护环境。

2.纤维混凝土的技术及对节能环保的意义

建筑节能是一项全方位的综合性的系统工程。这其中，延长建筑结构的使用寿命，延缓耐久性问题而带来的结构安全性方面的危险，维持正常使用，才会节约重建、修复和维持费用。也会为降低原材料和能源的损耗。根据我国实际情况，建筑结构的耐久性往往远远低于西方国家，据估计，设计寿命50年以上的路桥平均每20年就要大规模修缮一次，加上平时的维护，浪费大量的资金和能源，目前我国每年用于路桥的维修费用为10亿元左右。因此开发具有高性能长寿命的建筑材料，大幅度降低建筑工程使用寿命中的材料消耗成为一项有效的降低建筑能耗，保护环境的措施。 [1] 本文将介绍一种增强混凝土结构耐久性的新材料，也是目前国际上解决混凝土耐久性的一种比较流行的新思维—合成纤维混凝土。纤维混凝土技术虽然是一种开始于上世纪60年代而且成熟的一种技术，但是最近十年的高科技材料技术的出现使纤维混凝土技术对节能环保发挥前所未有的新的作用。

混凝土原料获取的容易，操作方法简便，耐久性相对高，是最主要的一种结构材料。然而混凝土属于脆性材料，能量吸收少，在钢筋混凝土结构中仅依靠局部配筋来承受拉力。这必然会无法防御由于温度，收缩等原因造成的局部轻微裂缝，而这些轻微裂缝由于混凝土的脆性可以轻易的扩展深度，成为混凝土耐久性的严重影响因素。

随着中国高层以及超高层建筑的大量建设、高强度等级混凝土的大规模应用，人们对混凝土这一应用最广泛、最主要的建筑材料有了更高的安全性、耐久性及可靠性的要求，如何正确的防治混凝土中裂缝的产生受到建筑行业人士关注，而新型的聚合物合成纤维混凝土就是能够解决这

些问题的高性能混凝土。合成纤维混凝土的使用开始于1960s年代，这之后，全世界各国便开始关注纤维对混凝土性能的作用。

目前工程界应用的合成纤维主要有聚酯纤维、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维等几种。这之中，聚丙烯腈纤维是一种用于沥青混凝土或水泥混凝土中起到增强防裂作用的新型加筋纤维，聚酯纤维的主要应用领域新建沥青混凝土路面面层， 聚丙烯纤维一直是用来阻止混凝土塑性龟裂的，聚丙烯纤维的阻裂效应不仅表现在能阻止可目测的塑性裂缝的产生，还能有效抑制混凝土内部由于失水、水化热、泌水、收缩、温差、自干燥引起的内部微裂隙生成。聚乙烯醇（PVA）纤维具有耐腐蚀性和耐日光性较好,长期放置在海水中，埋于地下或长时间在日光下曝晒强度损失都不大。主要缺点是耐热水性较差，在湿态110～115℃时有明显的变形和收缩。因此PVA纤维比较适合用于普通建筑混凝土中。早期的纤维主要用于轻质墙体、保温、干粉砂浆中，主要为了早期防裂，只对非结构性裂缝起阻裂作用比如杜拉纤维混凝土。1992年V. Li 提出ECC的概念推动了新型纤维混凝土的研究和应用。ECC是一种以PVA纤维为主要纤维增强材料的低纤维掺量，在直拉和剪切应力下具有高韧性的水泥基复合材料。［2］

在单位体积纤维混凝土体中，由于分散混合着几百万根纤维，纤维在混凝土、砂浆中均匀多向多维的分布从而了抑制混凝土、砂浆脱水收缩，水泥体积变形引起的微裂缝隙的产生和扩展，从而使混凝土获得了最佳的长期整体性。提高了混凝土、砂浆材料的抗裂、抗渗性能及抗拉强度、抗冲击性能。现在微观观测技术的发展，也更进一步解释了纤维的阻裂作用和纤维的线性弹性断裂，与纤维的间距，纤维长度有关。在没有纤维的情况下，由于脆性材料的抗断裂的能力是极其微弱的，混凝土在拉应力作用时，易出现裂缝，裂缝高速长大并扩展贯穿整个材料。而在混凝土基体材料中，加入一定数量的纤维后，由于纤维表面和水泥基体具有摩擦力作用，因此可以承受大部分跨裂缝的拉应力，并且可以通过此摩擦力的作用将拉应力传导到其他具有缺陷的薄弱部位，并产生微小裂缝。经一步步传导，减少了拉应力的作用从而抑制裂缝深度和宽度的扩展。图一表现了新型纤维增强混凝土与普通混凝土之间受外力荷载时候的不同反应

图一

由于荷载被跨过裂缝分布的纤维传导，纤维增强钢筋混凝土在受力情况下产生一系列的微裂缝（右图）；对应的普通钢筋混凝土呈现脆性，在外力作用下出现贯穿裂缝（左图）。[5]

现代高科技手段比如扫描电镜，x衍射等微观观察技术的成熟应用，对裂缝以及纤维/混凝土界面可以进行充分观察和研究。纤维控制混凝土裂缝的机理经过充分研究也得到完善。材料断裂模型的有限元分析技术也已经有很完善的发展。对纤维混凝土基体材料的研究也进一步发展，可以根据不同的抗裂要求研制出不同性能的纤维抗裂混凝土。因此，纤维混凝土摆脱过去那种只能用于无关紧要的部位或者不能发挥重要作用的境地，而是作为一种新型建筑材料在众多的建材中脱颖而出。

现在的新型纤维混凝土在发达国家已经广泛应用在道路、桥梁、机场、地铁、工业及民用建筑、水利工程以及预制构件、保温材料、干粉砂浆等各个方面。日本将纤维混凝土应用于Ojiya 地区的导水渠隧道、 德国使用纤维混凝土修补机场跑道、美国广防的将合成纤维混凝土用于路面，外墙等工程，甚至法国，丹麦也普遍将纤维混凝土用于地下隧道等工程中。[6]

我国研究纤维混凝土开始于上世纪90年代。但是由于对纤维混凝土工作机理的认识不足，事实上限制了纤维混凝土的大量应用。由于合成纤维混凝土在我国研究和应用的历史较短，对纤维混凝土的作用机理没能得到充分的研究，目前。因而也使新型的纤维混凝土没能发挥其应有的作用。国家技术规程

目前对纤维作用机理的错误主要是认为合成纤维对裂缝的抑制作用可以使表面混凝土的质量得以改善；减少裂缝甚至完全消灭裂缝。而基于这个错误的认识，目前我国的纤维掺加在混凝土中主要用来增加混凝土的韧性；减少裂缝；或者是应用于技术难度较高的抗裂、耐磨、抗冲击、抗震等要求较高的结构性重要部位。实际上等于片面重视合成纤维水泥基复合材料的抗裂缝性能，并且在某种程度上忽视了其在力学性能上的缺陷。事实上美国，日本多所大学的实验表明，合成纤维混凝土的主要作用是将危害到整个钢筋保护层的明显大裂缝转化成为小裂缝，使裂缝不至于深入到钢筋，从而提高抗腐蚀能力，而混凝土的总裂缝能量维持相当。而且由于纤维掺入造成混凝土内部人为界面增加而实际上普遍 …… 此处隐藏：2775字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……