抗震材料之纤维增强混凝土：冲击强度提高75%增强纤维凭啥？

  混凝土是世界上最常用的建筑材料，几乎用于所有类型的建筑。混凝土是一种重要的建筑材料，因为它具有耐用性、强度和极长的常规使用的寿命。它能承受压缩和拉伸应力以及恶劣的天气条件，而不可能影响其建筑稳定性。

  混凝土用来制造各种各样的结构，如高速公路、桥梁、停车场、建筑物、基础表面等等。许多混凝土结构都是用钢筋建造的，以增加其抗拉强度和承载重载的能力。混凝土的抗住压力的强度与增强材料的抗拉强度相结合，提高了混凝土的整体耐久性。纤维增强混凝土是钢筋混凝土的一种。

  纤维增强混凝土（FRC）是一种复合材料，由混凝土和随机分散的纤维构成。在施加载荷的过程中，纤维起到桥接裂缝和传递荷载的作用，可有效地防止裂缝扩展和合并。

  纤维增强混凝土，就是近年来研究和应用最广的新型混凝土之一。它是以水泥浆、砂浆、粗骨料为基材，以金属材料、无机材料或有机纤维为增强材料组成的一种水泥基复合材料，它是将短而细的，具有高抗拉强度、高极限延伸率、高抗碱性等良好性能的纤维均匀地分散在混凝土基体中形成的一种新型建筑材料。目前纤维增强混凝土主要有两种：一是高弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是钢纤维；二是低弹模量短纤维增强混凝土，其代表纤维是聚丙烯和尼龙纤维。

  常用的纤维类型包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、丙烯酸（PAN）、聚乙烯醇（PVA）、芳纶、碳纤维、聚酰胺（PA）和聚酯（PES）等合成纤维。

  就聚酰胺（PA）和聚酯（PES）纤维材料而言，其在纤维增强混凝土中具有较高的强度和刚度，能够有效地提升混凝土的抗拉强度和抗裂性能。

  混凝土在受拉载荷下容易开裂，变得脆弱，聚酯纤维作为主要的增强材料，以改善混凝土的力学性能和耐久性为主要目标。其通常以长纤维的形式加入混凝土中，通过桥接裂缝来阻止裂缝扩展，并在混凝土结构中传递荷载。

  聚酰胺纤维也在纤维增强混凝土中发挥类似的作用，提高混凝土的韧性和抗拉强度，改善抗裂性能。它则通常是以短纤维的形式加入混凝土中，在混凝土内部形成网状结构，阻止裂缝扩展和连接，提高混凝土的断裂韧性。

  多年以来，纤维增强材料在混凝土中的应用持续不断的发展。钢纤维是最早使用的类型，之后聚合物纤维在20世纪70年代末开始商业化，玻璃纤维在80年代大范围的应用，碳纤维则在90年代开始引起广泛的关注。

  合成纤维如聚乙烯、聚丙烯和聚酯因为高效、经济实惠且易获取而备受青睐，成为石棉、钢纤维和玻璃纤维的替代品。最近的研究进展使得开发高效纤维成为可能，这些纤维在混凝土开裂后表现出更高的韧性和承载能力。

  为了增强复合材料的强度，需注意其纤维的弹性模量应高于基体。然而，对于弹性模量在15至30 GPa范围的水泥基材料而言，选择具备这一特性的大多数合成纤维是困难的。

  大量的理论和应用研究表明，即使是弹性模量较低的纤维，在增强纤维增强混凝土的应变能力、韧性、抗冲击能力和裂缝控制方面也能带来显著改善。

  此外，纳入小直径合成纤维能加强基体的抗拉强度，尤其在能够引入较大纤维体积（高达15%）的应用中效果显著。

  纤维通常作为薄片元素的主要增强材料在混凝土结构中使用，用以替代传统的钢筋。这些元素通常是预制的，而非现浇的。钢纤维、玻璃纤维和碳纤维一直是最常用的结构增强材料。

  通过研发高模量的合成纤维，人们逐渐实现了取代钢纤维或玻璃纤维的可能性。然而，目前合成纤维作为主要增强材料的应用，仍然还是受到高成本的限制。

  次要增强材料的作用是控制由固有拉应力引起的裂缝，例如干燥收缩、塑性收缩或气温变化引起的裂缝。

  裂缝控制的目标不是消除固有应力引起的裂缝，也不是增加混凝土的承载能力，而是将随机产生的较大裂缝转化为更有序和更紧密的小裂缝。这样便能够更好的降低混凝土的渗透性，提高其耐久性。

  纤维增强材料用于普通混凝土和喷射混凝土（一种可以喷涂的混凝土）。圆形钢纤维是纤维增强混凝土中最常用的类型。

  混凝土中的玻璃纤维可用于更现代、更美观、重量更轻的结构，如家具或建筑物上的建筑覆层。

  混凝土中的合成纤维由两种纤维中的一种组成：超细纤维或粗纤维。在混凝土中使用超细纤维可减少收缩裂缝，通常由丙烯酸、聚酯、尼龙或聚丙烯等制成。另一方面，在需要高抗拉强度的混凝土结构中，长纤维是一种更具成本效益的焊丝替代品。人行道、路缘石和车道都是用超细纤维建造的常见结构，而化粪池和沙井是使用超细纤维建造的常见结构。

  纤维增强混凝土能够正常的使用常规混合混凝土或砂浆制成，只要纤维均匀混合即可。混合纤维增强混凝土时要考虑的事项是水灰比，以及纤维的尺寸（简称纵横比，即纤维的长度除以直径）。

  混凝土中使用的纤维百分比也很重要，因为使用的纤维体积会影响结构的强度和坚固性。将纤维混凝土混合在一起时，应以均匀的方式来进行，不得离析。纤维必须在混入水中之前添加，以便它们以不会聚集在一起的方式分散，最好使用实验室混合器并通过金属丝网篮过滤。

  聚酰胺（PA），通常被称为尼龙，是一种聚合物，其主链中含有酰胺基团。在商业上，聚酰胺纤维以单丝的形式生产，但与成本更低的聚丙烯相比，这些纤维与水泥基质的结合力较弱，因此限制了它们的应用潜力。

  一项研究表明，添加少量聚酰胺纤维明显提高了复合材料的抗冲击性能，但对拉伸或弯曲强度基本上没有影响。这种提升归因于纤维在基体失效后，以及较低载荷下的大应变情况下的拉伸和拔出作用。

  与钢纤维增强的混凝土相比，尼龙纤维增强的混凝土的荷载-变形行为表现出更陡峭的下降曲线。

  且根据分析的聚酰胺纤维增强混凝土的强度性能，其相对于聚丙烯纤维，聚酰胺纤维在混凝土中的分散能力稍有提高。这种分散有助于在更大的混凝土体积内分布不利应力，从而改善混凝土的塑性和硬化性能。

  与未加筋的对照混凝土相比，聚酰胺增强混凝土的抗住压力的强度提高了12.4%，而聚丙烯增强混凝土则提高了5.8%。、

  由于聚酰胺纤维具有较高的拉伸强度，因此在减少早期塑性收缩裂缝方面表现的更好，即，有助于更好地传递负荷。此外，聚酰胺纤维的强度改善效果超过聚丙烯纤维。

  相关研究人员还探索了合成纤维增强混凝土的裂缝后徐变行为，并比较了聚丙烯细丝纤维，以及聚酰胺单丝纤维的性能。根据研究结果发现，聚丙烯和聚酰胺增强混凝土只能承受部分裂缝后的强度。

  其中，聚丙烯的最大持续应力仅相当于平均剩余强度的24.9%，而聚酰胺增强混凝土的这个比例为38.3%，且聚酰胺增强混凝土的徐变速率较聚丙烯增强混凝土更快，但维持的时间较短。

  另一方面，聚酯（PE）是一种聚合物，其主链含有-CO-O-基团，不包括醋酸乙烯和甲基丙烯酸甲酯等侧链。通过改变制造技术，可以显著改变聚酯纤维的物理和化学性质。具有较高弹性模量的聚酯纤维能加强冲击强度。

  根据一项研究表明，将1%（体积比）聚酯纤维添加到混凝土中，可以使其冲击强度提高75%，剪切强度提高9%，弯曲强度提高7%，抗住压力的强度提高5%。然而，其弹性模量和剪切强度没有变化，且聚酯纤维通常不耐强碱性。

  此外，波特兰水泥混凝土中的聚酯纤维表现出快速强度损失，因此就需要对其进行表面处理，以增强波特兰水泥制品的效果。

  多项研究调查了各种纤维增强体系的力学性能，这中间还包括钢筋与玻璃纤维、聚酯和聚丙烯等非金属纤维的混合组合，以及它们对塑性收缩开裂的影响。

  与未加筋的对照混凝土相比，钢筋增强混凝土和混合纤维增强混凝土的抗住压力的强度更高。然而，单独使用非金属纤维增强混凝土与对照混凝土相比没有显示出任何强度增加。

  钢筋增强混凝土和混合纤维增强混凝土，在抗压强度和弹性模量方面的性能差异并不显著。混合纤维混凝土的剪切强度高于未加筋的对照试件和单纤维增强混凝土。

  且与对照混凝土相比，所有纤维增强混凝土的弯曲强度明显地增加。钢筋与聚酯纤维的组合产生了最大的弯曲强度，即，所有纤维增强混凝土的弯曲韧性都高于对照混凝土。

  普通对照混凝土的裂缝宽度最大，而混合增强混凝土相较于钢筋增强混凝土具有更加好的裂缝控制特性。随着添加非金属纤维的数量增加，总裂缝面积减少，其中聚酯和聚丙烯纤维的效果将优于玻璃纤维。

  但需要注意的是，增加非金属纤维会降低混凝土的可操作性，因此限制了聚丙烯和聚酯纤维的最大用量。

  最后，就聚酯（PES）纤维，在纤维增强混凝土中的应用来讲，其通常被用于工业和仓库地板、人行道、覆盖层和预制产品中。

  聚酯微纤维能够给大家提供，比焊接钢丝网更强的抗塑性收缩裂缝形成能力，并在适当设计时增强韧性和提供结构能力。聚酯宏观纤维可作为焊接钢丝网、钢纤维和传统轻钢筋在预制板和喷射混凝土应用中的真正替代品。

  单丝聚酯纤维通常被用作二次加固，从而控制塑性收缩、减少分离和渗水、提供三维加固（相对于焊接钢丝网的二维加固）、减少开裂、并增加表面耐久性，以及降低渗透性。

  单丝聚酯纤维的主要应用包括普通混凝土（无加固混凝土）、代替焊接钢丝网加固、平板、基础、墙体和容器、混凝土管道、和预应力梁等。