纖維增強混凝土及施工注意事項

董宏杰 程建霞 劉津明

纖維混凝土是比較常見的一種特種混凝土,因能提高混凝土的抗拉、抗壓性能和改善混凝土的耐久性而逐漸在我們的生活中出現(xiàn)。諸多的工程用纖維都有自己突出的特性,但用于混凝土中的纖維除應(yīng)具有合理的力學(xué)性能外還必須具備高耐堿性,在水泥基體中有自分散性,纖維本身無毒無害,能夠滿足規(guī)?；a(chǎn)和合理的價格等要求。制成的纖維混凝土具有以下優(yōu)點:

1)增強混凝土的抗裂性能,并且提高抵抗微裂縫繼續(xù)開展的能力。2)增強混凝土的抗拉、彎曲以及剪切強度。3)增強混凝土抵抗凍融作用的能力。4)改善混凝土的耐疲勞性能。5)可以減小鋼筋保護(hù)層的厚度,從某種程度上可以減小混凝土截面尺寸,從而減輕結(jié)構(gòu)的重量,減少鋼筋用量等。

1 常見的纖維混凝土

1.1 鋼纖維混凝土

鋼纖維混凝土是工程中比較常見的特種混凝土,到現(xiàn)在為止鋼纖維已經(jīng)在隧道襯砌、礦井、建筑工程、管道工程、公路橋梁等多次出現(xiàn),另外在防爆防災(zāi)工程和維修加固工程也屢見不鮮。鋼纖維的種類也有很多種,市場上鋼纖維的價格從3 800元/t～15 000元/t不等,這是因為鋼纖維的制作工藝、形狀、技術(shù)指標(biāo)等不同,從而造成價格相差懸殊。通常鋼纖維根據(jù)其加工工藝分為熔抽型、剪切型、銑削型和冷拔型四種;按外形分,可分為長直形、壓痕形、波浪形、彎鉤形、大頭形、扭曲形;按截面形狀分,可分為圓形、矩形、月牙形及不規(guī)則形。鋼纖維混凝土還可以根據(jù)有無受力鋼筋的參與分為無筋鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋鋼纖維結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力鋼筋鋼纖維結(jié)構(gòu)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼纖維混凝土代替整體、部分構(gòu)件或結(jié)構(gòu)局部的普通混凝土,用來起到增強和改善延性,限制裂縫寬度,提高混凝土的抗裂性能等。

鋼纖維在施工中結(jié)團是主要的問題,這種現(xiàn)象不但不能使鋼纖維起到預(yù)期的效果反而會削弱混凝土的局部強度,造成構(gòu)件提前進(jìn)入破壞期。

影響鋼纖維在混凝土分散均勻性的因素主要有鋼纖維的體積摻量、長徑比、品種,還有混凝土中骨料的粒徑、水灰比、砂率等,此外,投料、攪拌和振搗方法也是影響纖維的分散均勻性的重要因素。為防止鋼纖維的結(jié)團現(xiàn)象,鋼纖維的體積摻量不宜超過2%,纖維的長徑比不宜超過100,不宜選用較細(xì)的纖維,混凝土粗集料的最大尺寸不宜超過20 mm,采用坍落度較大的混凝土,延長攪拌時間等。此外,攪拌應(yīng)采用強制式攪拌機,攪拌的方法有:

1)將鋼纖維、水泥、粗細(xì)集料干拌均勻,然后再加入水濕拌;

2)將鋼纖維以外的材料濕拌,在拌和過程中邊拌邊加入鋼纖維。

為了使纖維在混凝土中達(dá)到更理想的分布,在進(jìn)行鋼纖維混凝土攪拌前,先對鋼纖維進(jìn)行分散,可采用人力手工分散,也可采用鋼叉進(jìn)行人工分散,有條件還可使用纖維分散機分散。

1.2 聚丙烯纖維(杜拉纖維)混凝土

聚丙烯是由丙烯(CH3-CH=2CH2)聚合而成的高分子化合物。它具有不溶于水,耐熱性能良好,在121℃～160℃能連續(xù)耐熱,熔點為165℃～170℃,與酸堿和有機溶劑接觸不發(fā)生作用,抗拉強度高,加工制作工藝多等優(yōu)點。早期的聚丙烯纖維是經(jīng)過聚丙烯薄膜高倍拉伸后,再經(jīng)針穿刺而成的束狀合成纖維,杜拉纖維不是以膜裂產(chǎn)生的,它是直接拉絲制成的聚丙烯單絲纖維的束狀集合。杜拉纖維混凝土是在混凝土中摻加杜拉纖維,從而改善混凝土材料的韌性,提高混凝土的抗裂、抗?jié)B及抗沖擊性能的新技術(shù)材料。這種纖維在生產(chǎn)過程中采用了特殊的處理,提高了纖維在混凝土中的分散性,在施工中,施工的方法和其他纖維施工工藝類似。每次攪拌前進(jìn)行纖維的稱量,嚴(yán)格控制纖維的摻量,攪拌完成后進(jìn)行隨機抽樣,也可將攪拌時間延長30 s～120 s。杜拉纖維是無毒無害產(chǎn)品,但應(yīng)該注意在施工時不要讓纖維進(jìn)入眼睛,因此投料時切忌高空拋撒。如進(jìn)入眼睛不要揉眼,而是翻開眼瞼用大量的水沖洗,或就醫(yī)解決。在杜拉纖維的運輸中注意防止雨水澆淋,同時避免兒童和非知情人員接觸。

1.3 玻璃纖維混凝土

玻璃纖維混凝土是一種使用較早的混凝土,因玻璃纖維混凝土暴露于大氣中會使強度和韌性大幅度下降,又因水泥水化時產(chǎn)生大量Ca(OH)2,使混凝土呈較強的堿性,玻璃纖維常因被堿蝕而導(dǎo)致脆化,使混凝土的韌性和抗彎強度嚴(yán)重下降,使這種混凝土很少在承重構(gòu)件中使用。我國曾將低堿度的水泥與耐堿玻璃纖維復(fù)合,可使制成的天花板、墻板、瓦等的使用壽命延長。

主要施工技術(shù)有:1)預(yù)拌成型法(先干拌均勻,然后加水濕拌)。2)壓制成型法(除去混凝土中的水分)。3)注模成型法。4)噴射法。5)纏繞法等。施工中控制纖維的摻量也很重要,研究表明,短切纖維,體積率在10%以內(nèi)時,隨著體積率的增加,混凝土的抗彎強度及抗沖擊強度都增加;體積率超過10%,強度增加不明顯甚至不增加。考慮生產(chǎn)成本及成型的難易,短切纖維體積率一般控制在3%～6%,連續(xù)纖維體積率一般在13%～17%。

1.4 碳纖維混凝土

碳纖維混凝土是一種高性能纖維,具有很高的抗拉強度、彈性模量、化學(xué)穩(wěn)定性和與混凝土粘結(jié)良好的優(yōu)點。用于增強混凝土的碳纖維主要是短切碳纖維,長纖維主要應(yīng)用在混凝土的加固,裂縫的處理上,因加工工藝和技術(shù)而受到限制?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用的短纖維增強混凝土的成型方法很多,有澆筑法、擠出法、壓制法、壓制脫水法等。大致做法主要使用短切碳纖維在攪拌機內(nèi)進(jìn)行三維亂向混合,混合后的高粘性新拌混凝土澆筑入模、注滿、加壓、擠壓成型,碳纖維在其中三維亂向分散。根據(jù)混凝土的用途不同通常有常溫養(yǎng)護(hù)、濕熱養(yǎng)護(hù)、熱水養(yǎng)護(hù)、蒸汽養(yǎng)護(hù)、高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)等。碳纖維混凝土板材及承載構(gòu)件可優(yōu)先用在沿海地區(qū),重工業(yè)城市及大氣污染較嚴(yán)重的地區(qū),在我國有廣闊的應(yīng)用前景。

短切碳纖維增強混凝土除作為結(jié)構(gòu)材料使用外,目前已被大多數(shù)研究者開始作為復(fù)合型的功能材料來研究。碳纖維的優(yōu)良導(dǎo)電性,提高了基體的導(dǎo)電能力,更重要的是還可用于復(fù)合體壓敏性和熱電性的測量,有人還嘗試用碳纖維混凝土做路面材料,通電加熱以除路面的冰雪達(dá)到防滑的效果。

2 纖維在混凝土中的分散性

為了確切的描述纖維在混凝土中的亂向分布狀態(tài),日本山王博一提出一個表示纖維分散的說法——分散系數(shù)法。將任意截面分成若干份,如果各部分中所含的纖維是一個定值,那么分散系數(shù)就是1,如果只集中在一個部分,則分散系數(shù)是0。即:

其中,β為分散系數(shù);μ為各部分中所包含纖維的平均值;n為分割部分的數(shù)目;xi為分割部分i中所含的纖維數(shù)。

纖維的分散系數(shù)越趨向于1,就說明制作的混凝土更接近理想化,這樣才能達(dá)到我們預(yù)期的增強效果。對于次要的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件也可以采用隨機抽樣的方法進(jìn)行纖維均勻分布狀態(tài)的估計。

3 結(jié)語

在建筑工業(yè)迅速發(fā)展的今天,混凝土一直都發(fā)揮著不可代替的作用。它有著卓越的優(yōu)點,也有部分缺點,纖維的出現(xiàn)正好能夠補充混凝土較低的抗拉能力。相信纖維的出現(xiàn)不是偶然,類似的材料也會相繼出現(xiàn)。只要我們掌握生產(chǎn)技術(shù)和施工要求,不久纖維混凝土將隨處可見。

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