行業觀點
纖維混凝土的性能及比較
  • 發布時間:2018-06-18
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    發展纖維混凝土是提高高性能混凝土質量的重要途徑。纖維混凝土通常是以水泥凈漿、砂漿或者混凝土為基材,以非連續的短纖維或者連續的長纖維作增強材料所組成的水泥基復合材料,主要作用是通過橋接作用來限制圍觀裂縫的發展,從而改善混凝土的性能。


    一、纖維加入水泥基體中的作用


    1.阻裂。阻止水泥基體中原有缺陷的擴展并有效延緩新裂縫的出現;

    2.防滲。通過阻裂提高水泥基體的密實性,防止外界水分侵入;

    3.耐久。改善水泥基體抗凍、抗疲勞等性能,提高其耐久性;

    4.抗沖擊。提高水泥基體的耐受變形的能力,從而改善其韌性和抗沖擊性;

    5.抗拉。在使用高彈性模量纖維前提下,可以起到提高基體的抗拉強度的作用;

    6.美觀。改善水泥構造物的表觀性態,使其更加致密、細潤、平整、美觀。


    二、種類及優缺點


    1、鋼纖維混凝土其技術特點是能提高混凝土的韌性和抗拉強度,但是鋼纖維攪拌時易結團,混凝土和易性差,泵送困難、難以施工且易銹蝕,鋼纖維混凝土的自重大、在制造方面使用大量的鋼材,加大了對鋼材的消耗,增加成本較多。鋼纖維在使用過程中破壞形態主要是被拔出,而不會被拉斷,這說明鋼纖維的與混凝土的粘附性不足,這會影響提高混凝土抗拉強度的效果,它增韌增強的原理是當裂縫產生后由于鋼材的高模量和單根的高抗拉強度,阻止了裂縫的進一步開展;但由于數量有限,對微觀裂縫約束效果不大,對抗滲、凍融等性能提高并不明顯,另外,施工中鋼纖維密度過大,振搗澆注時往往會沉于混凝土下部,不可能均勻分布,這就是理論研究結論較好而實際應用效果差異很大的主要原因。


    2、盡管玻璃纖維已用于鋪設混凝土路面,但是玻璃纖維在使用中暴露很大的缺點,如玻璃纖維混凝土暴露于大氣中一段時間后,其強度和韌性會有大幅度下降,即由早期高強度、高韌性向普通混凝土退化。眾所周知,普通的玻璃纖維還有一個致命的弱點,就是不耐堿,堿骨料反應是水泥混凝土的“癌癥”。因此,普通玻璃纖維是不能用作水泥混凝土基增強材料的,即使是耐堿玻璃纖維也不適宜與普通波特蘭水泥復合,最好與低堿度水泥復合。這主要是為了減輕水泥基材對玻璃纖維表面的堿性侵蝕作用。我國“雙保險“的技術路線由于是”削足適履“的做法,加之,耐堿玻璃纖維在外觀上很難與普通玻璃纖維相區別,幾十年來一直難以大面積推廣。


    3、合成纖維包括聚丙烯纖維、聚酯和聚丙烯腈纖維等,它與鋼纖維的相似點是不受水化產物的侵蝕,有一定的抗拉強度,可三維亂向分布于混凝土基體中,其阻裂原理是充分發揮了纖維數量優勢,具有很大的表面積,對微裂縫約束,使之不至于連通,效果顯著。但是合成纖維密度小,單絲直徑較小,存在增稠效應,不利于混凝土的震動密實,由于合成纖維的抗拉強度較低,在使用過程中其破壞形態主要是纖維被拉斷,且在抗老化、耐堿方面也不夠好。


    4、碳纖維是20世紀60年代開發研制的一種高性能纖維,具有抗拉強度和彈性模量高、化學性質穩定,與混凝土粘結良好的優點,但由于碳纖維價格昂貴,工程應用中受到很大的限制。


    由以上幾種纖維混凝土的性能可以看出,這幾種纖維混凝土都存在一些缺陷,在滿足高性能混凝土方面都是不太理想,無法很好地解決現存的一些問題。纖維混凝土發展了幾十年的經歷告訴我們:必須在纖維上有所突破,才能使纖維混凝土這種高性能混凝土真正得到廣泛使用。


    三、玄武巖纖維混凝土


    隨著生產技術的解密,連續玄武巖纖維是近幾年來才時有報道的新纖維,它是一種無機纖維材料,用純天然火山噴出巖為原料,經1450~1500℃高溫熔融后快速拉制而成的連續纖維,其外觀為金褐色,具有卓越的綜合性能和較低的價格。


    連續玄武巖纖維的特性:


    原材料的天然性。由于生產CBF的原料取決于天然的火山噴出巖,除了它與生俱來就具有很高的化學穩定性和熱穩定外,其中并沒有與人類健康有害的成分。


    性能的綜合性。玄武巖纖維是名副其實的“多能”纖維。譬如既耐酸又耐堿、既耐低溫又耐高溫,既絕熱電絕緣又隔音,拉伸強度超過大絲束碳纖維,斷裂延伸率比小絲束的碳纖維還要好;CBF表面極性,與樹脂復合時界面結合的浸潤性極好,而且CBF具有三維的分子維數與分子維數-維的線性聚合物纖維相比具有較高的抗壓縮強度、剪切強度和在耐惡劣環境中使用的適應性、抗老化性等有優異的綜合性能。


    成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武巖纖維價格并不高,明顯低于鋼纖維、碳纖維等,和合成纖維相當。天然的相容性。玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維,用它與水泥混凝土和砂漿混合時很容易分散,新拌玄武巖纖維混凝土的體積穩定、和易性好、耐久性好,具有優越的耐高溫性、防滲抗裂性和抗沖擊性。


    此外,玄武巖纖維的耐堿性要比耐堿玻璃強。因此,玄武巖纖維增強混凝土可以在基本建設的各個領域起到防滲抗裂、延長使用壽命等作用。CBF是天然綠色的新材料,將給人類的建筑業和我國優先發展的交通運輸領域帶來重大變革!


    除了它具有強度高、防滲抗裂、耐高溫、耐酸堿腐蝕能力強、抗沖擊性好等一系列優點外,它還在我國分布較廣,價格便宜,造價低,還兼有綠色、環保、節約資源等優勢,產品符合國家相關產業政策。且大量試驗證明玄武巖纖維對混凝土性能有很好的改善作用,與鋼纖維和合成纖維相比,玄武巖纖維的結合性更好,玄武巖纖維抗腐蝕耐銹蝕性均好于其它纖維。因此,玄武巖纖維用于水泥混凝土中有其自身的優勢和特點,相比鋼纖維混凝土、玻璃纖維混凝土、合成纖維混凝土和碳纖維混凝土較有明顯的性能、價格等綜合優勢,替代潛力巨大。


    主要產品:


    玄武巖纖維應用在混凝土中的產品主要有玄武巖單絲和加捻合股兩種,單絲纖維類似于其它合成纖維,具有微米級的直徑,更有其他纖維不可比擬的良好分散性;加捻合股纖維是玄武巖纖維無捻粗紗,用多股平行原絲經加捻和合股合而成的玄武巖纖維制品,抗折性好、具有良好的性能。可以根據應用環境和目的的不同制造出不同長度、不同直徑、不同捻度和捻向的產品規格。兩種短切纖維既可根據需要單獨加入混凝土,因其具有相同的抗拉強度、彈性模量和性能,更可以混合使用,生產出一種全新的、綜合了合成纖維和鋼纖維混凝土優點的高性能混凝土。


    與其他纖維混凝土相比,新型玄武巖纖維混凝土主要有以下優勢:


    1、兩種具有同類性質,不同直徑的纖維可以一起受力,協同工作,優勢互補,既共同防裂阻裂,又共同增韌增強。


    2、玄武巖纖維原絲可以發揮數量優勢,具有較大的表面積,對微裂縫約束,使之不至于連通,效果顯著。并克服了合成纖維的密度小,彈性模量和抗拉強度低的缺點,不至于在裂縫擴展時被拉斷,有效地防止微裂縫的擴展、對抗滲、抗凍融等效果好于合成纖維。


    3、玄武巖纖維加捻合股可以發揮鋼纖維的高模量和單根的高抗拉強度的優勢,阻止了裂縫的擴展。又克服了鋼纖維攪拌時易結團,不利于攪拌,難以施工且易銹蝕、耐久性差,鋼纖維自重大的缺點。


    4、玄武巖加捻合股纖維是典型的硅酸鹽纖維,比重為2.63--2.8g/cm3,用它與水泥混凝土和砂漿密度相近,混合時很容易分散,且均布于混凝土內部,克服了鋼纖維混凝土在振搗澆注時往往會沉于混凝土下部,不能均勻分布的缺點。


    5、玄武巖纖維表面已經改性,是一種“惰性纖維”,具有高度的穩定性,在高溫、高腐蝕性的環境中能保持穩定性能,使玄武巖加捻合股纖維能適應混凝土的拌合、澆筑、凝結和使用的各個階段的惡劣環境,提高混凝土的耐久性。


    四、經濟對比


    一般鋼纖維摻量為40kg/m3~120kg/m3,按最低40kg/m3考慮,市場價目前為7元/kg左右,單方砼增加造價280元。玄武巖纖維按4kg的搭配,增加造價4kg×32元/kg=128元/m3,砼增強增韌效果同鋼纖維砼相當,降低裂縫性能明顯高于鋼纖維砼。

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