【聚丙烯纤维】纤维混凝土的研究与应用
早在千年前,古罗马人就发现,将剪短的马鬃做为纤维增强无机脆性材料掺入石膏或火山灰中时,可有效减少成型物的开裂。漫长的岁月里随着纤维混凝土设计理论研究的深入发展和混凝土材料的不断研发,近年纤维混凝土在工程领域中运用愈加广泛,主要有石棉纤维水泥制品、玻璃纤维水泥制品、钢纤维混凝土、合成纤维混凝土、混杂纤维混凝土。
1879 年石棉水泥问世,21 年后,奥地利人 Hatschek 基于石棉纤维对水泥的高吸附性发明出哈谢克法,用于生产石棉水泥板,标志其走向大规模的工业化生产。石棉水泥制品中纤维一般呈二维分布,弯拉强度 25-45MPa 不等。由于石棉粉尘有致癌风险,各国开始限制其使用量,这就促进了无石棉纤维增强水泥(Asbestos Free Fibre Reinforced Glass-fiber Reinforced Composite,简称 GRC)、碳纤维增强混凝土(Carbon Fiber Reinforced Concrete,简称CFRC)、聚乙烯醇纤维增强水泥等。
玻璃纤维用于增强水泥及混凝土最早由前苏联的 Biryukovich 于 1957 年提出,并于1964 年出版专著阐述玻璃纤维的作用机理,并指出其应用普及的障碍在于早期的玻璃纤维在碱性环境中易受腐蚀而导致性能下降,应运而生的耐碱玻璃纤维才使玻璃纤维水泥制品被推广使用。20 世纪 50-60 年代,吴中伟院士明确了玻璃纤维受水泥水化物侵蚀机理,为我国这一领域的研究奠定了理论基础。为提高 GRC 的长期耐久性,70 年代后期,建筑材料科学研究总院在我国推行抗碱玻璃纤维与低碱度水泥相匹配的“双保险技术路线”,西方等国则采取抗碱纤维外覆保护层的措施。
钢纤维混凝土(Steel Fiber Reinforced Concrete,简称 SFRC)最早由美国的 H.F.Porter于 1910 年提出,1911 年Graham 将钢纤维首次掺入钢筋混凝土。1963 年 J. P. Romualdi和 J. B. Batson 发表了关于纤维混凝土裂纹开展机理的研究报告,此后 SFRC 正式进入实用化研发阶段。1979 年美国人发明的注浆钢纤维混凝土(Slurry Infiltrated Fiber Concrete,简称 SIFCON),因其韧性是普通混凝土的 6 倍,被用于保险柜、铁路隧洞、军事防爆结构等。随着 1984 年哈尔滨建筑大学与大连理工大学共同编制 CECS13:89《钢纤维混凝土试验方法》后,我国钢纤维混凝土发展走上了正轨,1991 年湖南大学研制出的钢纤维混凝土,抗压强度在 200MPa 以上,借鉴美国的熔抽技术,我国自主研发的钢纤维价格低廉,产量由 1997 年的 7kt 飞升至 2010 年的 653kt。
1965 年,美国的 S.Goldfein 发现将合成纤维掺入普通混凝土有利于提高材料的整体性能,20 世纪 80 年代起,美国大力开发聚丙烯、尼龙等纤维混凝土,而德、日则致力于发展聚丙烯腈纤维混凝土与聚乙烯醇纤维混凝土。我国起步较晚,于 20世纪 90 年初开始对其的研发。
1986 年我国第一届全国性纤维混凝土会议在大连召开,此后每两年举行一届,到 2014 年底已举办 15 届,1997 年广东理工大学主办了纤维增强混凝土国际会议,2015 年 10 月东南大学将承办第 12 届 FRPRCS(纤维复合材料增强混凝土结构)国际会议,该会议尚是首次在中国举办。截止 2012 年,我国合成纤维混凝土的市场应用规模已颇具气候,用于水泥混凝土和砂浆的合成纤维已近 6000 吨,独立研发的合成纤维使市场价格由原来的 5~7 万/t 下降至 1~2 万/t。
合成纤维掺量较少时(体积率0.05%-0.3%),用于减少混凝土早期裂缝。掺量较多时,用于增韧,并适度提高抗疲劳、抗冲击等性能。因其生产便捷、成本较低、取材不受环境限制,被广泛应用于桥面板、水工建筑物、隧道和护坡喷射混凝土的支护衬砌等工程领域。
混杂纤维混凝土(Hybrid fiber concrete,简称 HFC)因试验数据积累有限,研发尚在起步阶段,它一般由低弹模的合成纤维与高弹模纤维(如:钢纤维、玻璃纤维、碳纤维)按一定比例混合掺入而成。混杂纤维混凝土使两种或多种不同尺寸不同性能的纤维协同作用,尽量发挥不同纤维的优点,使其物理力学性能、使用效能取长补短。适当改变制作工艺还可制成高抗爆抗震的轻质构件,连接美国和加拿大魁北克的桁架桥就是其中的一个代表实例。
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