2016年11月11日 星期五 09:15:33
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【原创】纤维增强混凝土建筑的研究应用

发表时间:2021/12/29



纤维增强混凝土是指在水泥基材料中以纤维或织物作为增强体的材料。传统钢筋增强混凝土(Steel reinforced concrete,SRC)材料抗压强度高,但存在抗拉强度低、抗冲击性差、易开裂和耐久性差的问题。纺织材料质轻、柔软,耐腐蚀性能优异,具有增韧阻裂的作用,在诸多大型、结构复杂或特种防护建筑中都有应用,是现代建筑用材的研究热点。

目前,常用于增强混凝土的纤维有金属纤维(钢纤维)、无机纤维、合成纤维和植物纤维四大类。

随着生产工艺的成熟,合成纤维以优异的物理、化学性质成为用量最大的建筑增强纤维材料。常用的合成纤维有聚乙烯醇(PVA)纤维、聚丙烯(PP)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维等。以下着重介绍合成纤维增强混凝土材料的研究情况。


PVA纤维

经过改性的PVA纤维力学性能优异,与其他合成纤维如PP纤维、PAN纤维相比,高强高模PVA纤维抗拉强度可以达到1 500 MPa,与低碳钢纤维的抗拉强度相当(1 000 ~ 2 000 MPa),且其耐腐蚀性能好,与水泥基体结合后强度高,可以提高混凝土的延展性和韧性,减少裂纹。其在建筑中的应用以日本可乐丽(Kuraray)公司生产的KURALON? K-Ⅱ(新型PVA纤维)纤维为代表。在我国建筑工程实践中,已经有在混凝土中掺入适量高强高模PVA纤维的案例。在每立方米混凝土中掺入 1 kg高强高模PVA纤维,20天连续浇筑完成厂房地面面积33 000m2,有效解决了因混凝土早期收缩产生的收缩裂缝问题。


图片来源:Kuraray


PP纤维

PP纤维质轻价廉,抗拉强度高,抗冲击性能和耐腐蚀性优异,因此常被用在桥梁大坝和防风结构中,以防止裂缝形成和抑制裂纹发展,提高建筑的抗冻性和抗渗性。研究人员的研究表明,PP纤维可以改善混凝土的力学性能和耐久性,具有很好的应用价值,并且国产PP纤维性能优良、价格低廉,因此可以在实际工程中推广应用。目前,PP纤维已经在昌九高速公路、京福三明高速路、河北青银高速公路中和广州地区地下室工程得到应用,表现出良好的抗渗性和抗裂性。



PAN纤维

PAN纤维弹性模量高,化学性质稳定,耐气候性在合成纤维中表现突出,应用在混凝土中可提高其抗裂性、抗冻性和耐腐蚀性,因此PAN纤维正成为一种新型建筑工程用加筋纤维,可广泛用于道路桥梁等各种面层结构、水利工程和严寒地区建筑道路工程。



POM纤维

POM纤维是一种综合性能优异的高性能合成纤维。POM树脂通过纺丝拉伸后得到POM纤维。超倍拉伸后的POM纤维耐冲击性能优越,纤维耐磨、耐划伤性好。其分子结构中有大量醚键,与水泥基材料具有良好的相容性,且结合强度高,在提高混凝土材料性能方面具有很大潜力,但目前其生产工艺被国外垄断,我国应加强对POM纤维生产制备工艺的研究,以满足混凝土市场需求。


其他纤维

钢纤维是最早用于增强混凝土的纤维,也是目前超高性能混凝土中最常用的纤维。钢纤维抗拉性能优异,抗拉强度可达到2 500 MPa,能显著提高混凝土的抗拉强度和抗裂性能。但钢纤维和水泥基体结合度较差,掺入过多的钢纤维易造成纤维分散不均的问题,降低混凝土的流动性,因此钢纤维的掺入量在2%左右为宜。

碳纤维是无机高性能纤维,含碳量在90%以上,力学性能突出,抗拉性能是钢纤维的 1 ~ 2 倍,抗拉强度高达3 000 ~ 4 000 MPa,比钢纤维更耐高温、耐腐蚀,是发展航天航空、国防军工的必备材料。碳纤维也可提高混凝土抗压强度和抗冲击性能,是优异的抗震材料。但碳纤维价格昂贵,限制了其在民用建筑中的应用,目前多用于老旧建筑及水利工程的修复加固。四川省水利科学研究院在四川省灌区的渡槽修复工程,通过使用碳纤维对老旧渡槽进行原位维修加固,提高了渡槽的抗裂、抗冲击及耐磨性能,延长了其使用周期。


更多内容,请关注《纺织导报》第12期“纺织材料在建筑中的应用与研究进展”一文。