不同种类纤维对混凝土收缩性能的影响

关键词：能力差混凝土材料建筑行业

现代建筑行业的发展与混凝土材料的应用有密切联系, 但普通的混凝土材料一直存在着抗拉强度差、脆性较大、抗冲击能力低以及抗形变能力差等不足。纤维混凝土与普通的混凝土材料相比, 有着更加良好的强度、极限延伸率跟耐久性, 尤其是有良好的收缩能力, 现在被大量应用在道路和桥梁施工上。在纤维混凝土被发明以及广泛使用之前, 一直以来使用的混凝土次要的加固材料是钢纤维, 但钢纤维有着使用时技术繁杂以及成本较高等不足, 近年来纺织化学专业不断进步, 化学纤维的各种性能逐渐加强, 在越来越多的工程中代替钢纤维作为混凝土加固材料。目前有许多化学纤维被开发应用, 比如玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯网状纤维、聚丙烯腈纤维和复合生态纤维等。

1. 纤维对混凝土收缩性能的改善原理

混凝土材料的收缩容易造成材料开裂。由已有的科学研究可知, 混凝土材料在硬化成型过程中水化不足, 硬化以后水泥继续水化, 内部水分迁移等作用引起材料收缩, 收缩过大容易引起材料开裂, 并且水泥混凝土材料凝固硬化以后内部的水分减少, 材料内部容易产生应力, 当应力超过材料的极限应力时就会断裂。简而言之, 混凝土的失水导致混凝土体积的缩小引起收缩, 收缩引起变形和开裂而出现裂缝。

分散的纤维材料可以提高水泥混凝土材料的均匀性, 不但减少水分外溢的通道减少水分挥发, 防止开裂, 而且混凝土材料中大量分布的纤维能够分散混凝土毛细管的收缩应力, 避免局部的收缩应力过大产生不规则的收缩, 以便于减少微小缝隙的生产和扩大。

2. 不同种类纤维对混凝土收缩性能的影响研究

在已知的文献中, 将不同种类, 不同定量的纤维均匀的分布在混凝土中, 通过对比试验分析纤维种类和数量对混凝土收缩性能的影响。

2.1 钢纤维对混凝土收缩性能的影响

由研究可知, 随着混凝土的龄期增大, 混凝土内部的收缩应变渐渐变大, 并且初期的混凝土的收缩应变增长的速度较快, 后期的混凝土的收缩应变增长速度减缓, 应变曲线模型为双曲线。

钢纤维混凝土的收缩比普通混凝土要小, 具体为:同一龄期的两种混凝土相比, 随着钢纤维含量 (体积率) 的增加, 钢纤维混凝土的收缩应变逐渐减小。这是因为钢纤维在混凝土中分散分布, 变成一个三维的乱向体系, 该体系一方面可以增加混凝土的均匀性, 防止混凝土材料结构的下沉, 可以有效的阻碍裂缝扩大, 另一方面可以阻挡混凝土中的水分外溢的孔隙, 并且混凝土中多处大量孔隙, 减少混凝土本身孔隙的压力, 有效的减少水分散失外溢。

2.2 聚丙烯纤维对混凝土收缩性能的影响

聚丙烯纤维被称作混凝土“次要增强筋”, 是目前被广泛应用的一种混凝土增强纤维材料, 应用的工程有桥梁和道路表面, 地坪以及护壁等, 效果好, 性能稳定。

聚丙烯纤维的直径比钢纤维小得多, 在混凝土结构中分布均匀、纤维之间的距离小, 有利于阻碍初期裂缝的产生和扩大。钢纤维与聚丙烯纤维比较, 钢纤维的优势在于阻碍混凝土裂缝的继续扩大, 可以有效改善混凝土的抗形变能力, 对混凝土收缩性能的改善与钢纤维自身的抗拉强度有关。聚丙烯纤维的优势在于能够增强混凝土初期的抗拉强度, 可以大量减少混凝土初期裂缝的产生和扩大。从微观上看, 聚丙烯纤维能够有效分散集中应力, 增加混凝土内部应力的均匀性和连续性。聚丙烯纤维越细、纤维间的距离越小, 纤维混凝土的性能改善越强。

2.3 复合生态纤维对混凝土收缩性能的影响

钢纤维、聚丙烯纤维等传统的混凝土添加纤维可以有效改善混凝土的收缩性能, 但这些纤维一直也有着成本高、耗能多、污染强等缺点, 要选用新型材料, 除了考虑性能外, 还要考虑材料的环保性, 生态纤维以其绿色环保, 性能稳定的特点被快速接受。

天然纤维具有良好的亲水性能, 能够在混凝土的搅拌阶段吸附水分子, 并且纤维材料的内部存在天然的空腔, 可以吸收大量的水。在混凝土水化的过程中这些吸附的水和空腔内的水将会慢慢释放到材料中, 帮助混凝土持续水化, 补偿材料收缩, 改善混凝土的微观缺陷, 让材料变得更紧密坚固。复合生态纤维作为一种天然纤维可以有效的改善混凝土水化过程, 同时纤维表面有一种独特的化学涂层, 这种涂层能够防止碱性腐蚀, 还可以提高纤维和混凝土的粘结能力和防止水分渗透入混凝土。生态纤维不仅能够有效加强混凝土的收缩性能, 而且绿色环保, 有利于经济、环境的可持续发展。

4. 结语

各种纤维对混凝土的收缩性能都有改善的作用, 但根据纤维性状其作用机理以及侧重点不同, 各有优缺点。钢纤维的作用集中在防止混凝土裂缝继续发展上, 但成本较高;聚丙烯纤维能够减少初期裂缝的产生, 但分散性差, 在混凝土的强度和韧性方面有所不足;复合生态纤维的特点是可以在混凝土水化中起到积极作用, 并且环保性好, 但研究刚起步, 生态纤维的种类不多。另外, 各种纤维在混凝土中的体积比也是影响其收缩性能的重要条件。

纤维混凝土的应用是建筑业发展的趋势, 也是安全性和使用年限的保障。下一步的研究方向应该是, 复合生态纤维的产品开发, 各种纤维材料在混凝土中的复合效应和纤维的作用效果的测试评价体系的建立。

摘要：为了提高混凝土各项性能指标, 一般采取在混凝土中添加纤维的方法, 本文从纤维对混凝土结构的性能改善原理分析, 对比钢筋、聚丙烯、复合生态纤维等不同纤维对混凝土性能的影响。

关键词：纤维,混凝土,收缩,性能