纤维增强混凝土——纤维增强混凝土的类型、性能和优点

纤维增强混凝土可以定义为由水泥、砂浆或混凝土的混合物以及不连续、离散、均匀分散的合适纤维组成的复合材料。纤维增强混凝土具有不同的类型和性能，具有许多优点。连续网、机织织物和长线或棒不被视为离散纤维。纤维是一小块增强材料，具有一定的特性。它们可以是圆形的，也可以是扁平的。光纤通常用一个方便的参数来描述，称为“纵横比”。纤维的纵横比是其长度与直径的比值。典型的纵横比范围为30到150。纤维增强混凝土（FRC）是含有纤维材料的混凝土，可增加其结构完整性。它包含均匀分布和随机取向的短离散纤维。纤维包括钢纤维、玻璃纤维、合成纤维和天然纤维。在这些不同的纤维中，纤维增强混凝土的特性会随着混凝土、纤维材料、几何形状、分布、取向和密度的变化而变化。纤维增强主要用于喷射混凝土，但也可用于普通混凝土。纤维增强普通混凝土主要用于地面地板和人行道，但可以考虑单独或与手绑钢筋一起用于各种建筑部件（梁、钳子、基础等）用纤维（通常是钢、玻璃或“塑料”纤维）加固的混凝土比手工绑扎的钢筋便宜，同时仍能将抗拉强度提高许多倍。纤维的形状、尺寸和长度很重要。细而短的纤维，例如短毛形玻璃纤维，仅在浇筑混凝土后的最初几个小时内有效（在混凝土变硬时减少开裂），但不会增加混凝土的抗拉强度

纤维在混凝土中的作用

纤维通常用于混凝土中，以控制塑性收缩开裂和干燥收缩开裂。它们还可以降低混凝土的渗透性，从而减少渗水。某些类型的纤维在混凝土中产生更大的抗冲击性、耐磨性和抗碎性。一般来说，纤维不会增加混凝土的抗弯强度，因此不能代替抗弯或结构钢筋。一些纤维会降低混凝土的强度。添加到混凝土混合物中的纤维量以复合材料（混凝土和纤维）总体积的百分比来衡量，称为体积分数（Vf).Vf通常范围为0.1%至3%。纵横比（l/d）的计算方法是将纤维长度（l）除以其直径（d）。具有非圆形横截面的纤维使用等效直径来计算纵横比。如果纤维的弹性模量高于基体（混凝土或砂浆粘合剂），它们通过增加材料的抗拉强度来帮助承载载荷。纤维长径比的增加通常会分割基体的弯曲强度和韧性。然而，过长的纤维往往会在混合物中“起球”并产生可加工性问题。最近的一些研究表明，在混凝土中使用纤维对混凝土材料的抗冲击性影响有限。这一发现非常重要，因为传统上人们认为当用纤维加固混凝土时，d的可塑性会增加。结果还指出，与较长的纤维相比，超细纤维具有更好的抗冲击性。

• 纤维增强混凝土的必要性
• 它增加了混凝土的抗拉强度。
• 它减少了空气空隙，水空隙了凝胶固有的孔隙率。
• 它增加了混凝土的耐久性。
• 石墨和玻璃等纤维具有出色的抗蠕变性，而大多数树脂则不然。因此，纤维的取向和体积对钢筋/钢筋的蠕变性能有重大影响。
• 钢筋混凝土本身是一种复合材料，其中钢筋充当增强纤维，混凝土作为基体。因此，两种材料在热应力下的行为必须相似，以便将混凝土和钢筋的差异变形降至最低。
• 人们已经认识到，在混凝土中添加小的、紧密间隔的和均匀分散的纤维将起到防裂剂的作用，并将大大改善其静态和动态性能。

影响纤维增强混凝土性能的因素

纤维增强混凝土是水泥基体中含有纤维的复合材料，以有序或随机分布的方式。显然，它的性质取决于基体和纤维之间应力的有效传递。这些因素简要讨论如下：

1.相对纤维基体刚度

基体的弹性模量必须远低于纤维的弹性模量，才能有效地传递应力。因此，低模量纤维如尼龙和聚丙烯不大可能提高强度，但有助于吸收大能量，因此，赋予更大程度的韧性和抵抗力。钢、玻璃和碳等高模量纤维赋予复合材料强度和刚度。基体和纤维之间的界面键也决定了从基体到纤维的应力传递的有效性。良好的粘结对于提高复合材料的拉伸强度至关重要。

2.纤维体积

复合材料的强度很大程度上取决于其中使用的纤维数量。图1和图2显示了体积对韧性和强度的影响。从图1可以看出，随着纤维体积的增加，复合材料的拉伸强度和韧性近似线性增加。使用较高百分比的纤维可能会导致混凝土和砂浆的离析和粗糙度。

3. 光纤的纵横比

影响复合材料性能和行为的另一个重要因素是纤维的纵横比。据报道，当长径比为75时，纵横比的增加使最终混凝土呈线性增加。超过75，相对强度和韧性降低。表 1 显示了纵横比对强度和韧性的影响。表1：光纤的长宽比

4. 纤维取向

传统增强和纤维增强之间的区别之一是，在传统增强中，棒材沿所需方向定向，而纤维则随机定向。为了观察随机性的影响，测试了用0.5%体积的纤维加固的砂浆试样。在一组试样中，纤维沿载荷方向排列，在另一组试样中沿垂直于载荷的方向排列，在第三组试样中随机分布。据观察，与施加载荷平行排列的纤维比随机分布或垂直的纤维具有更高的拉伸强度和韧性。

5. 混凝土的和易性和压实度

钢纤维的掺入会大大降低可加工性。这种情况对新鲜混合物的固结产生了不利影响。即使长时间的外部振动也无法压实混凝土。达到这种情况的纤维体积取决于纤维的长度和直径。可加工性差的另一个后果是纤维分布不均匀。通常，通过增加水灰比或使用某种减水剂来提高混合料的和易性和压实度标准。

6. 粗骨料的尺寸

粗骨料的最大尺寸应限制在10mm以内，以避免复合材料强度明显降低。纤维实际上也起到了聚集体的作用。尽管它们具有简单的几何形状，但它们对新混凝土性能的影响是复杂的。纤维之间以及纤维与聚集体之间的颗粒间摩擦控制着纤维的取向和分布，从而控制着复合材料的性能。减少摩擦的外加剂和提高混合料内聚力的外加剂可以显著改善混合料。

7. 混合

纤维增强混凝土的搅拌需要仔细的条件，以避免纤维起球、偏析以及通常难以均匀混合材料。长径比、体积百分比、粗骨料的粒度和数量的增加加剧了难度和起球倾向。钢纤维含量超过2%（体积）和长径比超过100的钢纤维很难混合。重要的是，纤维在整个混合物中均匀分散;这可以通过在加水之前添加纤维来完成。在实验室搅拌机中混合时，通过金属丝网篮引入纤维将有助于纤维的均匀分布。对于现场使用，必须采用其他合适的方法。

不同类型的纤维增强混凝土

以下是建筑行业通常使用的不同类型的纤维。

1. 钢纤维混凝土
2. 聚丙烯纤维增强（PFR）水泥砂浆和混凝土
3. GFRC玻璃纤维增强混凝土
4. 石棉纤维
5. 碳纤维
6. 有机纤维

1. 钢纤维混凝土

没有钢纤维类型可用作增强材料。常用的圆钢纤维是通过将圆丝切割成短长度而制成的。典型直径在 0.25 至 0.75 毫米之间。具有矩形 c/s 的钢纤维是通过淤积约 0.25mm 厚的薄板而产生的。纤维由低碳钢拉丝制成。符合IS：280-1976标准，线径从0.3到0.5mm不等，在印度已实际使用。圆钢纤维是通过切割或切碎金属丝生产的，通过淤积平板生产厚度为 0.15 至 0.41 毫米、宽度为 0.25 至 0.90 毫米的典型 c/s 的平板纤维。变形纤维也可用束状的水溶性胶水松散地结合在一起。由于单个纤维倾向于聚集在一起，因此它们在基质中的均匀分布通常很困难。这可以通过添加纤维束来避免，纤维束在混合过程中会分离。

2. 聚丙烯纤维增强（PFR）水泥砂浆和混凝土

聚丙烯是最便宜和丰富的聚合物之一，聚丙烯纤维对大多数化学材料具有抵抗力，它将是水泥基质，在侵蚀性的化学侵蚀下会首先变质。它的熔点很高（约165摄氏度）。这样工作温度。AS（100摄氏度）可以短时间维持，而不会损害纤维性能。疏水性聚丙烯纤维很容易混合，因为它们在混合过程中不需要长时间接触，只需要在混合中均匀做旧。聚丙烯短纤维，体积分数在0.5至15之间，商业上用于混凝土。

3. GFRC – 玻璃纤维增强混凝土

玻璃纤维由 200-400 根单独的细丝组成，这些细丝轻轻粘合以组成支架。这些支架可以切成各种长度，也可以组合成布垫或胶带。使用普通混凝土的传统搅拌技术，混合长度为25mm的纤维不能超过约2%（按体积计）。玻璃纤维的主要用途是加固用于生产薄板产品的水泥或砂浆基质。玻璃纤维常用的种类是电子玻璃。在增强塑料和增透玻璃中，无碱玻璃对波特兰水泥中存在的碱的抵抗力不足，而增透玻璃具有改进的耐碱特性。有时还会在混合物中添加聚合物，以改善某些物理性能，例如水分运动。

4. 石棉纤维

天然廉价的矿物纤维石棉已成功与波特兰水泥浆结合，形成一种广泛使用的产品，称为石棉水泥。这里的石棉纤维具有耐热性、机械性和耐化学性，使其适用于板材产品管道、瓦片和波纹屋顶元件。石棉水泥板大约是未增强基体的两到四倍。然而，由于相对较短的长度（10mm），纤维的冲击强度较低。

5. 碳纤维

碳纤维从最新和可能是可用于商业用途的纤维系列中最壮观的补充。碳纤维具有非常高的弹性模量和弯曲强度。这些是广阔的。它们的强度和刚度特性甚至优于钢。但它们甚至比玻璃纤维更容易受到损坏，因此通常采用辞职涂层处理。

6. 有机纤维

有机纤维，如聚丙烯或天然纤维，在化学上可能比钢或玻璃纤维更具惰性。它们也更便宜，尤其是天然的。可以使用大量植物纤维来获得多重裂解复合材料。混合和均匀分散的问题可以通过添加高效减水剂来解决。