纤维混凝土高温性能研究的概述

褚选选 陶少华

摘 要：纤维混凝土在各项工程中得到日益广泛的应用，对改善工程质量并提高长期耐久性发挥了很好的作用。纤维混凝土是当代迅速发展的新型复合建筑材料，可克服水泥基体材料的抗拉强度等力学缺点，满足工程要求。对纤维混凝土高温性能的研究，应用前景和社会价值将会十分可观。

关键词：纤维混凝土；高温性能；生产建设

1 纤维混凝土

1.1 纤维混凝土定义

以水泥浆、砂浆或混凝土为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料的统称。水泥石、砂浆与混凝土的主要缺点是：抗拉强度低、极限延伸率小、性脆，加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维，可以克服这些缺点。

1.2 分类

所用纤维按其材料性质可分为：①金属纤维。如钢纤维、不锈钢纤维（适用于耐热混凝土）。②无机纤维。主要有天然矿物纤维（温石棉、青石棉、铁石棉等）和人造矿物纤维（抗碱玻璃纤维及抗碱矿棉等碳纤维）。③有机纤维。主要有合成纤维（聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯醇、尼龙、芳族聚酰亚胺等）和植物纤维（西沙尔麻、龙舌兰等），合成纤维混凝土不宜使用于高于60℃的热环境中。以其基体的不同，可分为，①纤维水泥。由纤维与水泥浆或掺有细粉活性材料或填料的水泥浆组成的复合材料，多用于建筑制品，如石棉水泥瓦、玻璃纤维水泥墙板等。②纤维砂浆。在砂浆中掺有纤维，多用于防裂、防渗结构。如聚丙烯纤维抹面砂浆。

1.3 纤维与水泥的作用

1.3.1 纤维的作用

①阻裂作用。纤维可阻止水泥基体中微裂缝的产生与扩展。这种阻裂作用既存在于水泥基体的未硬化的塑性阶段，也存在于水泥基体的硬化阶段。当水泥基体硬化后，内部产生的拉伸应力超过其抗拉强度时，纤维可承载一部分应力，从而减少裂缝的产生。②增强作用。添加纤维可以弥补水泥基体本身的不足，如抗拉强度低、内部缺陷等，在一定程度上提高其强度。③增韧作用。当水泥基体在外荷载作用下，发生开裂，纤维可使材料具有一定的延性，不至发生脆性破坏。

1.3.2 水泥的作用

水泥基体在在纤维混凝土中起着三方面的作用，①粘结纤维。与纤维粘结在一起，成为一体，保护纤维。②承受荷载。水泥基体可使复合材料有较高的抗压强度。③传递应力。在外荷载作用下，最初与纤维共同承受拉应力，复合材料呈现弹性变形，一旦基体发生开裂后，通过与纤维的界面粘结将拉应力传递给纤维，减少了裂缝的产生。

1.3.3 纤维与水泥的相互影响

在纤维混凝土中，纤维与水泥基体通过各种因素，既相互复合、取长补短，又在一定范围内相互影响，相互制约。①纤维的最大掺量。在水泥净浆和砂浆中，纤维的掺量可显著大于混凝土，这是因为混凝土中含有较多的粗集料，是纤维的掺量受到很大的限制。纤维增强水泥的纤维体积率高于纤维混凝土。②纤维的长度。纤维长度必须超过水泥基体中最大粒子的直径才能发挥纤维的增强作用。一般纤维最小长度在水泥净浆和砂浆均低于在混凝土中的长度。但是在混凝土中纤维的最大长度也受到一定限制，不宜大于50mm，否则纤维可能会打团，新拌的混凝土也不宜密实。③纤维的取向。在水泥净浆或砂浆中，纤维增强体可处于一维定向或二维定向或二维乱向，而在混凝土中绝大多数情况下只能限于三维乱向。当纤维体积率相同时，纤维在水泥净浆和砂浆中的利用率显著高于在混凝土中。

2 纤维混凝土高温性能的研究现状

2.1 研究

研究表明，800℃ 时，混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率约15%，明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率（约6%）；抗压强度剩余率约15% ，与基准混凝土的强度剩余率相当（约15%）； 劈裂抗拉强度剩余率约20%，明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率（约10%）。另外混杂纤维明显提高了混凝土的抗爆裂性能。20世纪70年代，很多学者对普通混凝土高温性能的研究表明，混凝土结构在火灾受热过程中可能发生毁坏性爆裂， 对于脆性和密度更大、渗透性更低的一般高强高性能混凝土，爆裂更易产生， 导致材料强度损失甚至构件坍塌，而且应力越大， 这种破坏越严重。通过许多学者对混杂纤维改善混凝土高温性能的研究，通常认为混凝土受热爆裂的过程， 就是混凝土中水分从混凝土内部逸出的过程。对于高强度混凝土，由于其密实度高，孔隙率低，蒸发通道不畅，使水不能足够快地逸出，从而产生几乎达到饱和蒸汽压的过高蒸汽分压，远远超过混凝土抗张强度，导致混凝土不能抵御这种过大的内部压力而发生爆裂。高性能混凝土加入混杂纤维后，情况发生了变化。

2.2 现状

针对纤维混凝土的优缺点，学者作了大量研究试验，纤维混凝土的高温性能在逐渐的改善。最近的研究表明，在混凝土内掺入一定量聚丙烯纤维可以起到防爆作用，欧洲一些学者的试验也证明了这点。基于这些研究成果，大量学者采用低熔点（聚丙烯纤维） 及高熔点纤维（钢纤维） 混杂，从增强混凝土高温力学性能及防爆裂方面进行了研究。随着研究的不断深入，技术水平也在不断提升，但是有许多不足有待完善。

3 影响高温性能的因素

钢纤维对混凝土抗压强度和弹性模量的影响较小。在温度升高时， 混凝土试块将产生较多微裂缝，随着钢纤维掺量的增加， 钢纤维对裂缝开展具有一定的抑制作用，从而其高温后强度较素混凝土的高温后强度降低要小。在高温作用下，钢纤维主要是通过阻止混凝土温度裂缝开展、增强抗裂性能起作用，对高温后抗拉强度的降低作用小于抗压强度。

根据聚丙烯纤维对温度的反映不同，不同温度下，聚丙烯纤维均不同程度的降低了混凝土残余抗压强度。当温度超过聚丙烯纤维的熔点，混凝土内的聚丙烯纤维就会挥发逸出，并在混凝土中留下相当于纤维所占体积的均匀孔道，这对于混凝土内由于温度升高所产生的水蒸气和热量的排出都是很有利的，可以降低孔压力，改善混凝土的抗爆裂性能.基于以上特点，聚丙烯纤维被广泛用于提高高温下混凝土的抗爆裂性能。

4 结语

本文通过对已有研究结果的分析，归纳，总结了纤维混凝土高温性能的研究现状以及不同纤维种类对混凝土强度的影响。目前国内对纤维混凝土的认识还需要很大的研究和投入。纤维混凝土高温性能的研究，在以后都生产建设与科学研究中，具有指导性的意义，同时要对该领域不断的进行探索。

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