纤维混凝土综述Word下载.docx

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极限拉伸15%

吸水性无

抗酸、抗碱能力不受酸碱侵蚀

导电性低

导热性低

杨氏弹性模量3400-3500Mpa

中国国家建材局苏州混凝土水泥制品研究院和国内其它一些测试单位对上述技术指标进行了测试，结果良好。

广州、上海建委已分别颁发了推广许可证。

二、聚丙烯纤维混凝土的特性

聚丙烯纤维混凝土是把一定量的聚丙烯纤维加入到普通混凝土的原材料中，在搅拌机的搅拌下，纤维受到水泥、砂石的冲击混和，均匀分布在混凝土中。

如果是用成束的纤维网也会被撕裂成大量单独的纤维（不会纠缠成团），均匀分布在混凝土中。

作为次要的增强材料，掺入量一般为混凝土体积的0.05-0.1%。

若以0.1%加入，则每立方混凝土中0.9kg，如果采用19mm长的纤维，则每立方米混凝土中约有700~2000万根独立纤维，即平均每cm3有7~20根左右。

这些方向随机分布的纤维使混凝土的性能有较大的改善，主要表现在：

1．纤维抑制了混凝土的塑性收缩龟裂，提高了建筑物的整体性、耐久性和使用寿命，美国许多研究部门对此作了试验研究。

美国加州圣荷西大学试验结果表明，纤维对混凝土龟裂程度的控制效果，比普通混凝土高出90～100%（9）。

美国Pardon与Zollo等人分析了混凝土塑性收缩的性质，用模拟体积变化的平面试样代替ASTM沿用的只能反映线收缩的试样来做试验，结果证明，加入体积含量0.1%聚丙烯纤维的砂浆和混凝土，裂缝面积比对照试样分别减少87%和82%，砂浆收缩量比对照减少32%-40%，混凝土试样收缩量有一组比对照减少48%，另一种则与对照相同（26）。

同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的测试表明，聚丙烯纤维含量为0.05%和0.15%的砂浆干缩裂缝加权宽度分别为对照试样的63.5%和37.3%

（2）。

从一些资料看，试验方法对结论有较大影响。

如美国伊文斯敦西北大学的Grybowsky等人采用环型试样进行的试验得出了掺量0.1%的聚丙烯纤维对减少混凝土塑性收缩量及开裂宽度效果不显著的结论（17）。

Hannant的试验也有类似结论（18）。

但绝大多数学者看法和大量的工程实践都证明，聚丙烯纤维的使用对减少混凝土塑性收缩和开裂作用十分明显（1，5，6，8，19，20，21，22，29，30）。

McWhannell等人认为，聚丙烯纤维主要用于地面支承平板中混凝土的非结构性增强（Non-structuralreinforcement），其作用是减少塑性收缩和混凝土早期硬化中的泌水从而减少或消除裂缝产生（23）。

特别是随着混凝土施工技术的发展，出现了用激光照准的混凝土平面浇筑机，每小时浇注量可达70m3，一日可铺设2000m2地面（18，30），采用纤维混凝土能成功地解决在这样的施工强度下，控制收缩裂缝的问题。

对纤维减少收缩裂缝的机理初步认为，一是由于纤维的存在，降低了水分在混凝土中的迁移性，减少了泌水现象，因而减少了体积变化。

英国认证委员会（BBA）的试验证明，纤维混凝土泌水可减少35-55%（23，29）；

另一种认识是纤维的变形模量虽然较低，但却与混凝土在早期硬化阶段（24小时内）时的变形模量相当，因而可以有效地抑制变形。

对板式结构防止裂缝过去一般是采用钢筋网。

纤维网的广泛应用已在一定程度上替代了这种传统作法。

圣荷西大学的一项对比试验表明，采用聚丙烯纤维网含量为0.68kg/m3的混凝土比素混凝土减少裂缝71.5%，而设置钢筋网的混凝土仅减少6.5%（22）。

多数人认为钢筋网与纤维混凝土都有一定的抑制裂缝产生的作用，都属于次要增强。

但前者由于分布很稀，实际上这种作用较弱，而主要是在裂缝发生后限制裂缝宽度（23，28）。

因此不少人主张在地面支承板结构中，可以用纤维网混凝土取代钢筋网，但同时也指出两者结合使用效果更好（21，23，29，30）。

至于用纤维混凝土代替钢筋网混凝土能方便地、并大大加快施工进度，以及由此而带来的效益，则是不言而喻的。

2．强度和韧性是混凝土的两大主要性能。

试验表明，虽然不同的试验方法得出的纤维混凝土改善韧性的程度有所差异，但总的结论都是能较大地增强混凝土的抗冲击性和柔韧性。

圣荷西大学的试验表明，纤维混凝土抗冲击能力可提高一倍，柔韧性比普通混凝土大约提高40%。

抗疲劳性能增加三倍

（1）。

Lanning介绍，根据已进行的许多试验综合得出结果：

纤维混凝土按开裂后整体性衡量的韧性指标（ASTM方法）可提高15%，抗冲击力增加10-50%（22）。

文献2报道的试验结果表明，按ASTM韧性指标中I100可提高70%，其他指标则与素混凝土相当，表明纤维对维持开裂后混凝土结构整体性的后效应。

Soroushian等人用破坏圆柱试样的落锤次数表示抗冲击性，含量0.1%的聚丙烯纤维混凝土是对照素混凝土的约2.9倍，与含量0.05%的高模量聚乙烯纤维混凝土相当（27）。

文献30指出，为提高混凝土韧性，以及用于预制、喷射混凝土时，需要较大的纤维含量。

一项按照ASTMC1018进行的试验表明，纤维达0.5%体积含量时，残余强度系数可达到与钢纤维含量为20kg/m3的水平相当。

但Gopalaratnam等人按ASTM准则作的试验并未发现不同纤维含量对试样韧性有明显影响，不过按日本JCI能量指标进行评价，则较大纤维含量的混凝土韧性有一定增加（15）。

表征韧性的另一个性能是抗破碎性。

据文献10介绍，有试验表明，素混凝土压裂后马上完全破碎，而纤维网混凝土在承受超出10%的压力后仍不碎裂，这对受地震破坏的建筑结构中人员和财产安全有很大意义。

3．提高了混凝土的抗渗性。

据文献11，圣荷西大学的试验表明含量0.5kg/m3的纤维网混凝土渗水性减少33-44%，而含量1kg/m3的纤维网混凝土则可减少79%。

文献22综合了已有的资料，得出纤维混凝土可减少渗透性33-45%的结论。

同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的试验得出，纤维含量0.8kg/m3的混凝土抗渗标号从素混凝土的S10提高到S14。

体积含量0.05%的纤维砂浆，抗渗压力提高25%

（2）。

纤维混凝土抗渗性好对防止和延缓渗水、潮湿气体和氯化物等有害介质对混凝土的侵蚀和对受力钢筋的防锈蚀起了良好作用，可延长建筑物的使用寿命。

4．提高了混凝土的耐磨损性能。

根据挪威政府公路试验室的模拟抗磨损试验，加入纤维的混凝土，抗磨损能力提高52%，并减少材料损耗34.4%。

美国陆军工程师团CRD-C52-54方法测试结果，纤维网混凝土提高抗磨力105%，相同条件下加入纤维网可延长混凝土寿命一倍（11）。

文献22介绍，纤维网混凝土提高耐磨损力20-52%。

5．提高海水环境下的耐腐蚀性。

混凝土浸没在海水中时，由于海水与水泥及骨料中某些离子的化学反应，表面将形成水镁石、文石（碳酸钙）等物质。

某些骨料中的部分离子溶于水中，使混凝土表面软化，降低混凝土抗渗性和抗电解性，加上长期的干湿循环，使混凝土丧失耐久性，导致混凝土的破坏。

Abdul-Hamid等人对现场条件的模拟试验表明（12），体积含量0.2%的聚丙烯纤维混凝土表面结垢时间比素混凝土延长1-10倍。

普通混凝土经海水浸泡的试样表面成片状，很容易剥落，而纤维混凝土表面则未呈分离状。

根据X光衍射试验，衡量混凝土腐蚀程度的石膏和文石物质生成数量，纤维混凝土仅为普通混凝土的38%和58%。

研究者认为掺加聚丙烯纤维是降低海水对混凝土腐蚀的有效措施。

文献8也介绍了大量国外研究机构的试验结论，聚丙烯纤维混凝土可经受85次海水干湿循环，而普通混凝土仅50次。

西班牙的一项研究表明纤维混凝土降低了内部气体循环，由此延缓了海水腐蚀。

6．纤维混凝土的压缩和弯曲强度

根据文献报导，纤维混凝土的压缩强度与素混凝土相当，但能在一定程度上提高弯曲强度，提高的程度与掺量有关。

文献15报导了体积含量达到0.5-1%的聚丙烯纤维混凝土弯曲强度是素混凝土的1.6-1.9倍，而含量为1%和2%的高模量聚乙烯纤维混凝土抗弯强度则是素混凝土的1.8-2.3倍。

该文经过对比试验得出结论，可以用掺加纤维的措施减少传统方法设计的钢筋网数量。

据估算，费用可以节省41%。

文献27的试验得出，掺量为0.025-0.1%的高模量聚乙烯纤维混凝土，可提高弯曲强度13-22%，掺量0.1%的聚丙烯纤维对弯曲强度的提高仅为6%。

同济大学的试验结果，掺量0.8kg/m3的纤维网混凝土抗弯强度提高7.6%。

从经济可行性的角度看，合成纤维在混凝土结构中主要是起次要加强作用。

在混凝土硬化阶段控制塑性和收缩变形，减少裂缝发生，对冲击韧性、耐磨损、抗碎裂性能可明显改善，但一般情况下不宜用作承受主要荷载。

聚丙烯纤维混凝土的其他性能还包括纤维混凝土抗冻融性能的提高；

能防止粗骨料在施工震动时的沉降，提高表面强度；

由于聚丙烯纤维熔点为160-170oC，在发生火灾高温时能融化形成气体通道，防止高强度混凝土（60-100Mpa）的爆炸，因此有人认为，聚丙烯纤维网混凝土可作为高层建筑防火混凝土（29）。

此外，国外为缩短因老化损坏建筑物的修补时间而广泛采用了快速硬化混凝土（硬化时间1小时以内），其水泥用量增加较多，使混凝土脆性加大。

采用纤维混凝土能较好的弥补这一不足。

加入了含量为6kg的聚丙烯纤维或尼龙长丝，混凝土的韧性指标均能满足ASTM规范要求（13）。

三、聚丙烯纤维混凝土的经济性

许多国内外文献都指出聚丙烯纤维混凝土与钢纤维、钢筋网比较的经济性（1，7，21，23，29，30）。

在我国的条件下，以桥梁、高速公路路面，采用厚65mm的耐磨、防寒、抗裂的铺装层为例，以分别采用聚丙烯纤维混凝土、钢纤维混凝土和用钢丝网加固面层进行比较。

则每㎡铺装层材料价格分别为人民币9.6元、29.3元、26元。

说明聚丙烯纤维是最经济的。

这当中尚未涉及其他种材料在运输、安装过程所增加的费用和施工中增加的麻烦。

三、聚丙烯纤维混凝土的施工方法

根据文献1，7，19，21等，聚丙烯纤维的使用极为方便，无须改变原设计混凝土的配比，也不取代原设计的受力钢筋。

一般情况下每立方混凝土掺入量为0.6-1.2kg,纤维长度为15～19mm。

纤维在加入干料（砂石、水泥等）之后，加水之前投入。

搅拌时间视搅拌方法、搅拌机种类而异，可以与不加纤维搅拌时间基本相同。

投料次序先后不会影响纤维的强度和均匀分布。

与钢纤维不同，在搅拌和浇筑过程中不会对有关设备造成磨损。

此外，文献19及22还提出了需要注意的一些地方。

纤维的加入会增加拌合料的粘稠度，降低塌落度，如果发现施工浇注有困难时，不应增加用水量，而应采用塑化剂或减水剂。

有些供货商甚至在纤维包装袋中加入了一定量的塑化剂。

在铺设混凝土路面时可采用带样板的震动桁架或手持的带样板震动器或激光照准的铺设机械，把混凝土整平并使浆泛出，把纤维埋到混凝土内部。

由于纤维能保持水分，泌水速度减缓，因此收面工序宜适当推后，甚至在接近终凝时再开始。

此外，在收面时应尽量利用钢或镁质抹子，木质的不够光滑，会勾出纤维。

如果需要在收面后施加涂料，可以先用丙烷喷灯烧去外露的纤维。

此外，由于纤维混凝土较大的粘稠性，比普通混凝土更适合于滑模施工。

对于预制混凝土制品施工时，纤维混凝土也可减少搬运时的损坏（29）。

四、聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用

1．混凝土路面工程的应用

1985年美国在宾夕法尼亚州322号高速公路上，曾作了1.5km的对比试验。

在旧路的外侧车道铺63mm厚的普通混凝土面层，内侧铺同厚度同标号的纤维混凝土面层。

一年后检查，普通混凝土路面出现龟裂和严重断裂，有纤维的路面却无任何龟裂产生。

六年后再次检查，普通混凝土路面已明显断裂并且磨损严重，掺有聚丙烯纤维的混凝土路面却仍然良好（1，5）。

墨西哥城从1989年起，要求市区和郊区的重要公路都采用纤维混凝土路面，厚度从125～200mm，并取消任何类型的加强钢筋。

1990年印尼雅加达对新开的六条高速公路，全部采用纤维混凝土结构，铺设厚度为270～300mm（1，5）。

我国广州市环城高速公路建设中，第一期路段采用普通混凝土，路面产生了塑性龟裂和裂缝；

第二期采用了钢纤维混凝土路面，龟裂减轻，但锈蚀严重，并且对汽车轮胎造成严重的磨损；

第三期占2/3里程的路段采用了纤维混凝土，使用情况良好。

西安市经济开发区将原设计的沥青路面改为18cm厚的纤维混凝土路面。

郑州市一新建普通混凝土路面因出现严重的破裂，用纤维混凝土修复7天后恢复通车（1，5）。

天荒屏水电站厂区道路在2000年大范围使用国产改性聚丙烯纤维浇筑混凝土，效果颇好。

在桥梁工程中，用纤维混凝土作桥面铺装层可有效地抑制和减少裂缝，增强桥面的防水性和抗破碎能力，减缓钢筋锈蚀和延长结构的寿命。

山东济青高速公路一桥面混凝土出现严重破碎，1996年用纤维混凝土修复，10天后恢复使用，效果良好。

郑州市政当局从1996年开始，以纤维混凝土取代金属网作公路、桥梁路面的加强结构。

由交通部二局承建的西安市环城立交桥，由于采用了纤维混凝土，成功地解决了桥面混凝土容易产生裂缝的问题（1，5）。

三峡大坝120栈桥铺垫层用聚丙烯纤维混凝土代替钢纤维混凝土，进口Dura纤维掺入量为0.7kg/每方混凝土。

混凝土配合比如下：

混凝土标号

水灰比

塌落度

水泥用量

用水量

砂率

外加剂

C50

0.33

5-7cm

485kg/m

160kg/m

45%

1.2%

外加剂为ZB-1A，浙江龙游产。

水泥为荆州中热电厂525#。

下岸溪人工砂FM=2.7。

三峡闪云斜长花岗岩人工骨料，最大粒径20cm。

搅拌时间加长一分钟。

为此还专门作了试验，其28天试验结果如下：

抗压强度

抗拉强度

初裂拉伸应变

64.8MPa

3.92MPa

156-233με

在飞机场跑道、停机坪上采用纤维混凝土，能提高混凝土在飞机降落时的抗冲击能力，减少接缝处混凝土破裂的小碎片被喷气发动机吸入产生事故的隐患，提高飞行的安全性。

美国的丹佛国际机场、夏威夷机场、得克萨斯州空军基地等都采用了纤维混凝土作为加固措施之一（1，5）。

2．半刚性路面基层材料的应用

纤维加固土作为路面基层材料可以明显提高抗弯拉强度和抗弯拉模量，对于减少半刚性路面基层的裂缝，提高抗裂性具有良好的效果，已有较长的应用历史。

1992年在湖南常德境内207国道高等级公路上，修建了纤维加固土基层沥青路面推广试验路段。

对试验路段测定结果表明，纤维加固土基层沥青路面从开放交通开始仅3个月时间内，整体结构的弯沉值减小一倍，抗压模量值增长一倍，表明纤维加固土基层板体性形成很快，强度提高很明显。

3．工业与民用建筑的应用

工程建设中常用的予制构件，予制管道等采用纤维混凝土后，能明显提高构件的坚固性。

在运输和安装过程中，因纤维混凝土提高了抗震和抗破损能力，可以减少损坏。

用纤维取代金属网结构用于复合楼板面层，可以提高防火、抗震性能。

我们到上海调查国产改性聚丙烯纤维混凝土应用情况。

上海华山医院病房综合大楼地上21层，地下1层，由上海建筑设计研究院按八级抗震要求设计，浙江省绍兴第一建筑安装工程公司施工。

设计包括地下室要求全部采用C50混凝土，施工单位担心厚50-60cm的地下室墙板采用高标号的混凝土会产生裂缝而渗水，要求改用C30混凝土并增加钢筋，但设计院没有同意。

为此，上海申通混凝土制品有限公司提出采用改性聚丙烯纤维混凝土，可有效防止墙板产生裂缝。

在得到认可后，由该公司提供的商品混凝土情况如下：

525#水泥加入量为430㎏/立方，粉煤灰加入量为90㎏/立方，水灰比为0.38，坍落度为16±

3㎝，加入的改性聚丙烯纤维长度为15㎜，混凝土采用泵送混凝土，纤维是与水泥、砂、石料一起在加水前加入，搅拌时间延长10秒钟（强制式搅拌机）。

地下室建筑面积1430平方米净空5.5米，共用纤维混凝土1300多立方，九九年八月开始浇地下室，浇后8天拆模，表面光洁，至今墙板没有发现开裂渗水。

上海申通混凝土制品有限公司等单位还为上海国际体操中心地下工程，海伦宾馆地下室，仙霞网球中心地下停车场，东方医院地下室（日本人设计，明确要求用纤维混凝土），瑞安广场（总建筑面积76000平米，其中二层地下室面积11000平米，第一期于95年月完成,用防水混凝土C50，数月后发现数十条裂缝,严重渗水，花费10多万元堵漏处理，二期施工用纤维混凝土C50，至今未发现裂缝、渗水现象）。

虹口足球场看台楼板，龙华旅游城地下室（设计要求C35抗裂抗渗纤维混凝土，98年10月施工,上海嘉环混凝土有限公司共供应1598方混凝土，至今未发现开裂渗水）老城皇庙改造等工程供应过改性聚丙烯纤维混凝土，这些工程均取得满意的效果。

4．水池及水工建筑物的应用

聚丙烯纤维网混凝土目前得到最广泛应用的主要是面支承平板结构，作为非受力的次要增强筋（23，29，30）。

美国普林斯顿ACE硬件销售中心地板面积达到一百万平方英尺，采用了聚丙烯纤维网混凝土（22）。

但也已经有许多用于诸如水池、水利工程及海岸工程等对抗裂抗渗有严格要求的混凝土构筑物（29）。

采用纤维混凝土既能抑制混凝土的塑性龟裂，又提高了抗渗性能，对薄壁结构尤为适宜。

湛江码头作业区，在厚20cm混凝土的表层5cm掺入聚丙烯纤维，有效地提高了抗冲击和耐磨损能力（7）。

1999年上海市闵行污水处理厂进行老厂技术改造，新建污水池池高8米，周长200多米，不设沉降缝，由上海市政设计院设计，采用C25S8混凝土，上海东平建筑安装工程公司施工。

为防止开裂，设计要求用膨胀水泥，商品混凝土供应商——上海嘉环混凝土有限公司鉴于以往经验，估计用膨胀水泥仍会开裂，要求改用聚丙烯纤维混凝土，但设计院不同意。

后在上海嘉环混凝土有限公司总工程师用公司资产担保纤维混凝土的质量，并写下保证书，设计院才同意使用，共用纤维混凝土3000多立方，浇后情况很好，整个污水池没发现一条裂缝，各方均非常满意，在此后的设计中，设计院主动提出要求采用聚丙烯纤维混凝土。

5．喷射混凝土工程的应用（4）

聚丙烯混凝土有较高的粘稠性，易于施工，用于喷射混凝土极为适宜。

纤维混凝土与普通喷射混凝土比较，能显著减少回弹损失，提高生产能力，降低总成本，并能防止产生裂纹。

可用于隧道的喷锚支护、护坡工程、水处理的各种水池及筒仓结构的预应力绕丝喷浆护面等。

1985年瑞典国家研究院对掺加钢纤维、聚丙烯纤维的喷射混凝土和普通混喷射凝土作了对比试验。

结果加纤维的喷射混凝土比不加的抗压强度高34%，抗弯强度高46%。

在矿山加固等工程应用中实际回弹量为：

没加纤维为25%，加钢纤维为10%。

加聚丙烯纤维为4～5%。

美国亚利桑那州的运河防洪工程加固所用的喷射混凝土，全部用聚丙烯纤维取代金属丝网，喷射厚度为100～150mm。

香港新隧道工程出于环保、电力和商业要求，用聚丙烯纤维取代钢纤维，喷射混凝土厚度75mm，效果非常好。

菲律宾的某隧道用聚丙烯纤维混凝土加固洞门仰坡和作洞内初期支护，都很成功。

Morgan等人的试验，采用含量为4-6kg/m3的聚丙烯纤维高粉煤灰（占胶凝材料的63%左右）混凝土进行喷射混凝土试验，从喷射层上取的试样试验结果，不掺纤维的混凝土基本上不具备韧性指标，而两种含量的纤维混凝土则均能达到ASTM试验规范要求，开裂后的残余强度系数达到0.33-0.55（25）。

国际上合成纤维混凝土已有20多年的发展历史。

除了聚丙烯纤维外，还在研究其他成分的纤维混凝土，如高模量聚乙烯、丙烯酸纤维、聚酯纤维等，有些试验证明这些纤维在相同掺量下，工程性能优于聚丙烯纤维（26，27）。

但应用量最大的还是聚丙烯纤维，这是由于其价格性能比好。

近年来聚丙烯纤维混凝土的应用在我国也得到较快的发展，但由于进口的纤维价格昂贵，限制了它的使用范围，使得这一新技术不能得到长足地发展。

目前国内已研制出改性聚丙烯纤维，其价格只相当于进口纤维价格的1/2到1/3，而物理力学性能完全可以和进口纤维媲美。

根据初步试验结果在水灰比为0.476的水泥净浆中，掺有改性聚丙烯纤维的净浆经过一昼夜风扇吹均未产生裂缝。

而未掺纤维的净浆在成型后2小时即产生数条裂缝。

说明改性聚丙烯纤维能够抑制水泥早期的塑性龟裂。

另外还委托国家建材局苏州混凝土制品测试中心做了国产改性聚丙烯纤维对混凝土性能的影响，其试验结果见下表。

改性聚丙烯纤维混凝土技术性能

测试项目

单位

基准砼

纤维网砼

备注

拌合物容重

㎏/m3

2375

试验按GBJ81－85规范进行

干砼吸水率

%

2.2

1.8

立方体

MPa

7d

30.7

30.1

28d

44.6

43.9

轴心抗压强度

30.9

29.8

劈裂

0.99

1.04

2.47

2.61

抗折强度

5.17

0.28%

5.61

0.9%

5.93

抗冲击强度

Kj/㎡

4.98

8.52

9.96

静力抗压

弹性模量

MPa×

104

3.49

3.35

抗渗性

cm

渗透高度

13.8

10.6

按GBJ82－85规范进行

标号

S14

干缩

×

10-4

3.12

2.92

60d

5.02

4.17

抗裂性

10-6

205

271

按GBJ81－85规范进行

384

抗冻性D50

强度损失率