纖維增強(qiáng)的高延性混凝土——新型建筑材料

纖維增強(qiáng)的高性能混凝土是在混凝土制作過(guò)程中工程纖維水泥基復(fù)合材料而制作成的。摻加纖維可以在一定程度上增強(qiáng)混凝土材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等抗裂性指標(biāo)。工程纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱ECC）最早由美國(guó)密歇根大學(xué)的Victor.C.Li教授提出。在此基礎(chǔ)上國(guó)際上又提出了應(yīng)變硬化水泥基復(fù)合材料（簡(jiǎn)稱SHCC）。為了制備低成本高性能的ECC，Li和Kanda將聚乙烯醇（簡(jiǎn)稱PVA）用于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中，制成聚乙烯醇纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。近幾年的混雜纖維混凝土的研究也是科研工作者正在著手的熱點(diǎn)。

作為土建行業(yè)最廣泛應(yīng)用的材料，混凝土材料制作而成的各種構(gòu)建必須滿足安全性和耐久性的要求。這里我們主要從高性能纖維混凝土的力學(xué)狀態(tài)與普通混凝土的力學(xué)狀態(tài)對(duì)比進(jìn)行分析來(lái)闡述纖維增強(qiáng)的高性能混凝土的優(yōu)點(diǎn)。

1.抗拉性能。目前拉伸試驗(yàn)是驗(yàn)證ECC各項(xiàng)性能參數(shù)的最直接有效的方法。通過(guò)拉伸試驗(yàn)我們可以直接得出拉伸彈性模量、開(kāi)裂荷載、初始裂縫寬度、開(kāi)裂應(yīng)變、極限應(yīng)變以及最大裂縫寬度等。通過(guò)延性增強(qiáng)混凝土單軸拉伸性能研究發(fā)現(xiàn)摻加不同PVA纖維纖維增強(qiáng)混凝土的拉伸試驗(yàn)，其抗拉強(qiáng)度最終取決于裂縫面上纖維最低的跨越裂縫的橋接作用。在摻有一定量的亂向纖維的纖維混凝土復(fù)合材料中，由于非連續(xù)的纖維隨即在混凝土中分布，在裂紋開(kāi)展到一定程度時(shí)，開(kāi)裂區(qū)的纖維可以有效地起到橋接作用，從而阻止裂紋的開(kāi)裂程度，約束裂紋繼續(xù)發(fā)展，達(dá)到增強(qiáng)效應(yīng)的目的。

2.抗壓性能。纖維增強(qiáng)的高性能混凝土在單軸受壓的情況下，纖維的添加改善了受壓應(yīng)力作用下砂漿機(jī)體的壓縮韌性，實(shí)驗(yàn)表明纖維的添加使得單軸受壓的棱柱體和立方體的抗壓強(qiáng)度都有所提高。實(shí)驗(yàn)研究表明，在混凝土制作過(guò)程中，粉煤灰的摻加量對(duì)其強(qiáng)度影響顯著。

3.延性。ECC具有超高延性，這就表明其很少出現(xiàn)類似于普通混凝土的脆性失效的可能，在工程上的表現(xiàn)就是為事故的發(fā)生提供可預(yù)見(jiàn)性。試驗(yàn)研究表明，在相同的幾何尺寸和荷載條件下，ECC的強(qiáng)度最高，延性最大，且具有最強(qiáng)的能量吸收能力和裂縫控制能力。

4.抗彎性能。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫孛枋隼w維增強(qiáng)的高性能混凝土構(gòu)件的性能。大連理工大學(xué)徐世烺采用薄板試件和梁試件對(duì)PVA纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)研究表明薄板試件能夠在峰值荷載時(shí)產(chǎn)生很大的變形，但試件的完整性能夠得以保持。

5.耐久性。高強(qiáng)混凝土委員會(huì)指出為評(píng)價(jià)高延性混凝土的耐久性，應(yīng)該按照滲透性與抗裂性兩方面進(jìn)行評(píng)定?？?jié)B性準(zhǔn)則用以評(píng)價(jià)無(wú)裂縫混凝土抵抗外界物質(zhì)包括水、氣體等的侵入能力?？沽研詼?zhǔn)則用于評(píng)定混凝土抵抗裂縫開(kāi)展及繼續(xù)發(fā)展的能力?，F(xiàn)有資料表明，高延性混凝土的抗裂性能要高于普通鋼筋混凝土的抗裂性能。高性能纖維在復(fù)合材料中的均勻亂向分布形成了一種空間支撐體系，則有助于產(chǎn)生二級(jí)加強(qiáng)效應(yīng)，它的這種分散形式可以抑制混凝土的收縮,吸收開(kāi)裂釋放的能量,減小混凝土初期干燥收縮產(chǎn)生的裂縫,提高其韌性,并且可以減少裂縫引起的鋼筋銹蝕。ECC材料具有很好的延展性及抑制裂縫寬度的特性。

關(guān)于纖維混凝土的增強(qiáng)理論主要基于兩種理論:復(fù)合材料理論和纖維間距理論。

1.復(fù)合材料理論。復(fù)合材料理論就是將高延性纖維混凝土的性能看作是各項(xiàng)單一材料性能的集合，具有各種單一材料的綜合性能，因而能夠獲得較好的延性及其他優(yōu)良性能，從而使材料的性能得到質(zhì)的飛躍。

2.纖維間距理論。該理論從線彈性斷裂力學(xué)出發(fā)。認(rèn)為如果要提高混凝土材料的強(qiáng)度就必須減小或消除其內(nèi)部本身的固有缺陷,韌性取決于混凝土體內(nèi)裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。在混凝土基體中纖維可以彌補(bǔ)自身的缺陷,起到減少裂縫源的尺寸和數(shù)量,達(dá)到提高基體的強(qiáng)度目的，如果纖維的間距越小,則裂縫所引起的應(yīng)力集中就越小,從而就能夠提高復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性。

已研究的纖維混凝土材料有：碳纖維和聚丙烯纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維、抗堿玻璃纖維和聚乙烯纖維增強(qiáng)的混凝土。

實(shí)驗(yàn)研究表明：采用高模纖維制作成的混凝土可以獲得單一纖維增強(qiáng)混凝土所不能達(dá)到的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能。但也可能使由纖維的種類材料差異、配比不同而制成的混雜纖維高性能混凝土出現(xiàn)正負(fù)兩種不同的混雜效應(yīng)。

1.用高延性纖維增強(qiáng)的混凝土材料作為結(jié)構(gòu)的主要材料從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.用高延性纖維混凝土防治橋頭跳車。

3.作為油氣管道的保護(hù)層。

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