自2024年波特兰水泥发明以来,水泥混凝土发展迅速,经过190多年的研究和应用,混凝土已成为当今一大优良的建筑材料。 但是,水泥混凝土仍然有一个突出的缺陷,即材料具有非常明显的脆性。 虽然其抗压强度较高,但其抗拉强度、抗弯强度、裂纹强度、冲击韧性等性能相对较差。 纤维增强混凝土是在如何提高混凝土脆性,提高其抗拉强度、抗弯强度、裂纹强度、冲击韧性等力学性能的基础上发展起来的,具有许多普通钢筋混凝土所不具备的优良品质。
纤维增强混凝土又称纤维增强混凝土,是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材,以适量的不连续短纤维或连续长纤维为增强材料,在混凝土中混合均匀,成为可以浇筑或喷涂的材料,从而形成钢筋建筑材料, 它被称为纤维增强混凝土,是20世纪下半叶出现的一种新型建筑材料,在特殊场合也用于混凝土。
一、纤维混凝土发展概况纤维增强混凝土的发展始于20世纪初,其中钢纤维混凝土是最早、应用最广泛的。 早在 1910 年,美国f.波特发表了第一篇关于短钢纤维增强混凝土的文章。
2024年,美国的格雷厄姆提出在普通钢筋混凝土中加入钢纤维。 20世纪40年代,由于军事工程的需要,英国、美国、法国、德国等国家的学者纷纷发表了关于纤维混凝土的研究报告,但这些研究报告未能从理论上解释纤维对混凝土的增强机理,从而限制了这种复合材料在工程结构中的推广应用。
纤维增强混凝土在历经50年后,在20世纪初真正进入了工程应用研究。
2024年,J.美国p.Romualdi等发表了关于钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告,并首次提出了纤维抗裂机理(或纤维间距理论),使该复合材料的发展取得了实质性突破,特别是钢纤维增强混凝土的研究和应用得到了高度重视。 2024年,美国混凝土学会成立了纤维增强混凝土专业委员会(ACI544委员会),随后国际标准化协会也增加了纤维增强水泥制品技术标准委员会(ISO TC77)。
我国对纤维增强混凝土的研究起步较晚,大约在20世纪70年代末,相关科研单位和大专院校开始研究纤维混凝土的配合比、钢筋机理、物理力学性能等,使纤维增强混凝土能在实际工程中得到应用。 目前,在一些水利、交通、军工、建筑、矿山等行业,纤维增强混凝土已有了成功的实际应用经验,我国纤维混凝土已逐步从试验研究阶段过渡到实际工程的应用阶段。
随着人们对这些新材料认识的加深,其应用领域也在不断扩大。 就目前情况而言,纤维增强混凝土,特别是钢纤维增强混凝土,是大面积混凝土工程中最成功的应用。 如果钢纤维含量约为混凝土体积的 20%,其抗弯强度可提高25~3.0倍,韧性可提高10倍以上,抗拉强度可提高20%至50%。
钢纤维增强混凝土在工程中应用广泛,如桥面部分的覆盖层和结构;道路、场地、街道和简易机场;油罐停车场的铺装和结构;采矿和隧道工程、耐火工程和大型混凝土工程的维护和加固。 此外,在预制构件中也有许多应用,除了钢纤维外,玻璃纤维和聚丙烯纤维在混凝土中的应用也获得了一些经验。 纤维增强混凝土预制构件主要包括管道、楼板、墙板、柱、楼梯、横梁、浮船坞、船体、货架、机架和电线杆等。
2、纤维混凝土的加固机理自2024年纤维混凝土问世以来,经过多年的不懈努力,其加固机理逐渐发展起来。
目前,对于混凝土中均匀任意分布的短纤维对混凝土的加固机理有两种不同的理论解释:一种是美国的J.p.Romualdi提出的“纤维间隔机制”;二是英国Swarny和Mamgat 提出的“复合材料机理”。
1) 纤维间隔机构 Jp.Romualdi提出的“纤维间距机理”是基于线弹性断裂力学理论来解释纤维材料对裂纹发生和发展的抑制作用。 这种机理认为,混凝土中存在缺陷,为了提高这种材料的强度,必须尽可能降低缺陷的程度,必须提高这种材料的韧性,并且必须降低内部裂缝末端的应力集中系数。
纤维间距机制假设纤维与基体之间的结合是完美的。 然而,情况并非总是如此,它们之间的联系一定存在弱点。 因此,后来将间距的概念扩大到包括不同长度和直径的纤维,以及具有不同混合比的混合物,并提出了其他计算间距的公式。 间距的概念一旦超过比例极限,就不再有效,因此无法客观地反映纤维增强的机理。
2)复合材料机理 复合材料机理的理论出发点是复合材料成分的混合原理。纤维增强混凝土被视为纤维增强体系,应用搅拌原理推导了纤维增强混凝土的抗拉强度和抗弯强度。 在基体与纤维完全结合的条件下,当对由基体和连续纤维组成的复合材料施加拉力时(假设纤维在基体中沿同一方向排列),复合材料的强度由纤维与基体的体积比和应力决定。
在复合机理的具体应用中,应考虑有效纤维在拉应力方向上的用量比例和不连续短纤维的长度校正,应尽可能与实际情况保持一致。 从这一原理出发,发展了纤维增强混凝土的强度与纤维掺入量、方向、长细比和内聚力之间的关系。
3.纤维在混凝土中的作用工程实践充分证明,在水泥混凝土中掺入短、细、分布均匀的纤维,具有明显的堵裂、加固、增韧效果。 纤维与水泥基材复合的主要目的是克服后者的弱点,从而延长混凝土的使用寿命,扩大混凝土的应用领域。 纤维在混凝土中起着以下三个方面的作用。
1)抗裂纤维掺入水泥混凝土后,可以阻碍混凝土中微裂纹的产生和发展,微裂纹既存在于混凝土的未硬化阶段,也存在于混凝土的硬化阶段。水泥基体在浇筑后24小时内的抗拉强度很低,如果处于密闭状态,当其中所含的水分急剧蒸发时,很容易产生大量的裂缝,此时均匀分布在混凝土中的纤维可以承受塑性收缩引起的拉应力, 从而防止或减少裂纹的形成。硬化后,如果混凝土仍处于约束状态,由于环境温度和湿度的变化,干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时,很容易产生大量裂缝,纤维仍能防止或减少裂缝的形成。
2)钢筋材料的试验证明,水泥混凝土不仅抗拉强度低,而且往往由于内部缺陷而难以保证质量。在混凝土中加入适量的纤维,可以在一定程度上提高混凝土的抗拉强度、抗弯抗拉强度、抗剪强度和疲劳强度,具有明显的加固效果。
3)增韧效果 在纤维增强混凝土的作用下,即使混凝土开裂,纤维也能承受穿过裂缝的拉应力,并能使混凝土具有良好的韧性。韧性是表征材料抗变形能力的重要指标,一般用混凝土的荷载-挠度曲线或拉应力-应变曲线下面积表示。 此外,纤维还可以改善和提高水泥混凝土中混凝土的抗冻性、抗渗性和耐久性。