纖維混凝土在預製混凝土中的應用，學到了

健身 05-21

一、纖維混凝土的定義及類型

纖維混凝土(FRC, Fiber-reinforced concrete)是一種由水泥或液壓態水泥、水、粗細骨料、以及短小不一、均勻分布的不連續纖維組成的一種複合材料。纖維可以為鋼纖維、玻璃纖維、碳纖維、聚合纖維、植物纖維(見圖1~圖5)等，長度通常為3mm~64mm之間變化不等，直徑可以從數微米到1mm大小不等。纖維的截面形狀可以為圓形、橢圓形、多邊形、三角形、月牙形或正方形，這主要取決於所用的原材料及加工製作過程。纖維主要分為兩大類：粗纖維和細纖維。細纖維的直徑或等效直徑通常小於0.3mm，而粗纖維的直徑或等效直徑為≥0.3mm。所謂等效直徑即為與圓形纖維具有相同截面面積折算出的圓形直徑，即(4A/π)0.5。

用於混凝土中的纖維體積佔比通常為0.1%~5%。這個體積佔比的大小主要由混合物攪拌的便易性及工程的應用場景來決定。舉個例子，因混凝土收縮和溫度變化所引起的二次應力通常用低劑量(體積佔比為0.1%~0.3%)的纖維進行控制解決。當纖維劑量超過0.3%時，與不含纖維的普通混凝土相比，纖維混凝土的力學反應將發生顯著的不同，主要表現在於其開裂後依然具有的承載能力。纖維混凝土在發生開裂之後依然具有吸收能量的這種能力被稱之為「韌性」。當向混凝土中添加更高劑量的纖維時，它除了具有開裂後的韌性之外，纖維混凝土還表現出應變強化的特性(見圖6)。也就是說，這複合材料可以承受超過普通混凝土本身所應具有的抗拉應力。在這些假延性複合材料里，經常可以看到多縫開裂且具有相當吸能耗能的特性特徵。

美國標準ASTM C116/C116M給出了四種類型的纖維混凝土：第一種是鋼纖維混凝(SFRC)，主要有不鏽鋼纖維、合金鋼纖維、碳素鋼纖維;第二種是玻璃纖維混凝土(GFRC)，由耐鹼玻璃纖維組成;第三種為合成纖維混凝土(SynFRC)，第四種為天然纖維混凝土(NFRC)。

由上表可以看出，鋼纖維的強度和彈性模量相對比較高，並且因其處於高鹼性環境中而不易發生鏽蝕。它與混合物之間的粘結作用可以通過加強表面的粗糙程度及變形來達到更有效的力學錨固。

合成纖維主要是由石油化工和紡織工業的發展而產生的非金屬纖維，包括各種形式的聚合物，下面列舉一些常用於預製混凝土中的合成纖維：

1)碳纖維：相對於鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維等，碳纖維的優勢在於其自身的特性，高模量、耐熱性、在鹼性環境及其他侵蝕性的化學環境中的化學穩定性;另外，其具有顯著的改善力學性能的特性。歷史上第一次將碳纖維應用於水泥基材料的形式是高模量聚丙烯腈纖維，可以看到其力學性能得到了顯著的改善。這些碳纖維是通過高溫加工碳化聚丙烯腈材料然後經過熱拉伸的石墨化工序而製成。起初這種聚丙烯腈基纖維因其高昂的價格並不應用於混凝土中;在上個世紀80年代早期，隨著低廉的瀝青基碳纖維的出現，人們開始有將碳纖維應用於水泥基材料中。

2)尼龍纖維/聚醯胺纖維：這類纖維具有很好的抗拉強度、很高的韌性、彈性恢復力及很好的親水性、而且在水泥基的鹼性環境下相對的穩定性。

3)聚丙烯：這種纖維彈性模量較低、熔點低，因此不太適宜於高溫蒸壓下的預製混凝土構件產品。但因其熔點低的特性，故可以用於生產耐火材料或具有高耐火性的產品。有兩種類型的聚丙烯纖維用於混凝土的增強，單纖維絲和原纖化纖維(拉裂纖維)。這類纖維是憎水性的，與水之間的接觸角很大。因此，相對於親水纖維而言，它們與混凝土之間的粘結作用很差。另外，也沒有證據表明其具有化學粘結力。然而通過分裂纖維或原纖化纖維加工過程使其發生幾何變形之後，其與混凝土之間便具有一定的機械咬合力。

4)聚乙烯醇纖維：這種纖維是用PVA樹脂經過多道工序的高拉伸形成的，具有很高的剛度和不容水性特點。經過特殊的表面處理可以改變其在混凝土基中的纖維分布狀態。遺憾的是，PVA纖維具有不小的熱收縮係數，200°C下其收縮率高達4%。它對鹼性環境和有機物溶劑具有很好的抵抗性，在長期紫外線照射下強度損失也很小。

5)玻璃纖維：用於混凝土中的玻璃纖維需含最低16%的二氧化鋯以用於耐鹼性;其他類的玻璃纖維，諸如無鹼纖維不建議用於混凝土中。玻璃纖維具有很高的模量和很高的強度，並且與混凝土之間具有很好的粘結作用。玻璃纖維增強型混凝土與其他纖維混凝土(諸如鋼纖維或聚丙烯纖維)的不同之處在於纖維的含量，前者具有的纖維體積佔比為4%~6%，而後者或其他的纖維體積佔比大概為0.1%~1%。為實現高含量玻璃纖維，混凝土成分需要高含量的水泥、細骨料，粗骨料基本沒有。

二、纖維在混凝土中的作用

1. 准靜力荷載和衝擊反應

纖維在改善力學性能方面的功效作用很顯著。用於評估耐衝擊性的落錘試驗研究表明，相對於普通混凝土而言，體積佔比0.1%~0.2%的聚丙烯纖維混凝土具有更高的衝擊強度，無論是初始開裂還是最後斷裂階段。類似的試驗結論也可以從摻加了鋼纖維的混凝土試驗中得出。目前尚未有統一標準的試驗方法用於測定纖維混凝土的抗壓強度，但有關研究表明，相對於普通混凝土，纖維混凝土的軸壓強度增加了85%~100%;進一步的研究表明，衝擊荷載作用下纖維混凝土在受壓後期並沒有顯著的峰後延性，這主要是因為混凝土碎片並沒有與纖維粘結於一起。儘管試驗結果表明鋼纖維混凝土有衝擊係數3的行為表現，而聚合物纖維混凝土卻與普通混凝土沒有什麼不同，衝擊係數均為1.5左右。而且，研究結果表明，三維變形的鋼纖維比二維變形下的鋼纖維具有更顯著的動力衝擊係數;但是，在動力荷載下的抗拉強度和開裂後的殘餘抗彎強度卻得到了顯著的改善。纖維增強改善了混凝土的能量吸收的能力，主要是因為其提升了峰值後的應力傳遞能力，因此這是一個提高抗衝擊承載力的有效途徑。纖維的類型、長度、形狀都會顯著影響這些特性。正如之前所陳述的，纖維的種類很多，諸如鋼纖維、合成纖維、玻璃纖維、天然纖維等。短小、離散的聚合物纖維增加混凝土的吸收能量的能力，有時候甚至會超過鋼纖維混凝土的動力衝擊係數。

在衝擊荷載作用下混凝土中纖維的表現性能在很大程度上取決於高裂紋開展率的位移作用下纖維與混凝土之間的粘結方式。研究表明，隨著載入速率的增大，鋼纖維混凝土具有很高的裂縫開展抵抗力，相對於一些採用聚丙烯纖維的混凝土試件，但後者卻能很快趕上前者;推測起來主要可能是因為相對於鋼纖維來說，聚丙烯纖維自身對應變率敏感性更強。

2. 收縮裂縫的控制

眾所周知，纖維能顯著影響水泥基複合材料的自由收縮和其他相關的早齡期特性。有研究表明採用體積佔比1%左右的聚乙烯纖維可以減小混凝土的自由塑性收縮達30%之多。除了自由收縮之外，採用各種技巧手段來研究纖維對混凝土受約束收縮的相關作用也在進行之中。纖維的加入主要是用於改變混凝土受約束環境下收縮裂縫的寬度和長度。相關的研究結論大概如下：

1)纖維材料和類型對收縮裂縫影響很大。相同體積的纖維含量，玻璃纖維抑制裂縫增長最為有效，其次為合成纖維。

2)對於給定的纖維體積佔比及纖維類型，長度更長、直徑更小的纖維要比更短、更粗的纖維要更有效;纖維表面具有更大程度的幾何變形(比如拉裂纖維)要比未變形處理的纖維更有效。

3)至於植物纖維，塗料鍍膜或未塗料鍍膜纖維僅在體積佔比為0.3%以上才有效。

3. 防水和耐久性

由於硫酸侵蝕、循環融凍、鹼硅酸反應及鋼筋的鏽蝕等作用，預製混凝土構件極易發生性能退化。在所有的這些情況中，水的滲透(透水性)起到了至關重要的作用。預製混凝土產品的耐久性主要取決於水的入侵/滲透速度。結果表明，透水性又反過來取決於混凝土中的裂縫、以及混凝土裂縫寬度的增加，而這又將產生更高的透水性。纖維增強改善了混凝土的開裂抵抗力、增加了裂縫的表面粗糙度、並且提升了多裂縫的發展，從而顯著減小了混凝土的透水性。至於應力和因應力引起的混凝土開裂，結果已經表明普通混凝土中的裂縫顯著增加了其透水性，而纖維混凝土的透水性卻顯著低於普通混凝土的透水性。至於纖維如何改善防水性，有研究表明，因為纖維的加入而使得普通混凝土中的微孔隙被改變為納米孔隙。

預製混凝土中的鋼筋鏽蝕是個很重要的問題。混凝土中的氯離子污染是個主要的因素，其腐蝕鋼筋的機理及過程已經很清楚也很好理解。遺憾的是，混凝土中的裂縫使得氯離子及其他腐蝕化學物更容易進入從而促使進一步的鏽蝕。氯離子主要通過毛細水進行滲入擴散，而氯化物的擴散則主要取決於透水性。正如之前所表述的，纖維減小了應力混凝土或非應力混凝土的透水性，故減緩了氯離子的擴散速度。因此混凝土中加入纖維的做法是一種延長混凝土結構壽命行之有效的方法。

三、纖維混凝土工程應用若干案例

具體見圖7~圖14。