钢纤维—合成纤维混凝土的不同应用及其原理

钢纤维与合成纤维混凝土的应用领域及其原理
孙斌董帅
(上海贝卡尔特-二钢有限公司)
摘要：本文针对目前市场上应用最广泛的钢纤维和合成纤维的技术性能进行了对比分析，对比了两种材料的物理参数、增强机理、徐变特征、防火、耐腐蚀性和耐久性。

分析结果表明，钢纤维与合成纤维在技术性能上存在较大差异，应合理应用在不同的工程领域。

关键词：钢纤维；合成纤维
0．概况
经过30多年的技术研究与工程实践，纤维对混凝土性能的改善或增强已获得国内外土木工程界人士普遍的认可。

但是由于对不同纤维的具体技术性能的优劣不了解，使得人们对不同类型的纤维产生混淆，在不同的工程应用领域该用什么类型的纤维产生了困惑。

本文针对目前工程中应用广泛的钢纤维和合成纤维的性能进行了对比分析，为工程中合理应用纤维增强混凝土提供一些建议。

1.材料及相应参数
混凝土用纤维因其颜色，形状，大小和材料的不同而有多种种类。

目前主要分为以下三大类：钢纤维（steel fibre）；细合成纤维（micro-synthetic）；粗合成纤维（macro-synthetic）。

各种纤维的性能及参数见表1[1,2]。

2.纤维对混凝土的增强作用
纤维混凝土是纤维和混凝土构成的复合材料，其增强机理是纤维在混凝土裂缝处吸收了应力，抑制了裂缝的形成和开展，也就是说纤维只有在混凝土产生裂缝时才能发挥作用，纤维的加固能力取决于纤维与混凝土的粘结锚固能力，抗拉强度和杨氏模量。

合成纤维主要是聚丙烯纤维（polypropylene fibre），其杨氏模量一般只有3-5GPa，长度和直径都比较小。

目前又出现了新的聚合物纤维(macro-synthetic fibre)，其尺寸要大于细合成纤维，杨氏模量也能达到5GPa-10GPa。

对于这两
种合成纤维，由于其本身较低的杨氏模量，对于抑制混凝土的早期裂缝非常有效，尤其是细合成纤维与混凝土之间有很好的粘结锚固性能，效果更加明显。

但是随着混凝土强度的发展，由于杨氏模量较低不能承受较大的位移，导致混凝土结构产生较大的裂缝和变形。

混凝土会在不同的龄期产生裂缝。

在早龄期，由于混凝土不够密实，在自身收缩应力的作用下会产生微裂缝。

例如在混凝土浇筑完3h内，混凝土的抗压应力小于3MPa，收缩应力小于0.3MPa，杨氏模量小于5GPa，此时细合成纤维可以承受这些荷载抑制裂缝开展。

24h后混凝土的各种性能都得到了增强，抗压应力会大于10MPa，收缩应力会大于1MPa，杨氏模量会超过15GPa，此时细合成纤维由于杨氏模量较低不能有效抑制裂缝的开展。

钢纤维的杨氏模量（200GPa）和抗收缩应力（800-2.500MPa）较大，且与混凝土之间有更好的粘结锚固作用，可以有效吸收裂缝处的应力，抑制裂缝的形成和开展。

但对早龄期混凝土产生的裂缝，钢纤维不能有效发挥其作用，随着混凝土强度的提高，钢纤维与混凝土的粘结锚固作用进一步增强，纤维对混凝土的增强作用更加明显。

3．徐变性能
徐变是材料在长期应力作用下，其应变随时间不断增长的过程。

纤维的变形与环境和温度有关。

当温度低于-20℃时，聚丙烯和聚乙烯的徐变可忽略，温度在-20℃—165℃之间时，聚丙烯和聚乙烯变为粘弹性状态发生明显徐变，见图1。

此外，合成纤维在恒载作用下会产生较大徐变，导致结构在使用过程中产生较大的裂缝和变形，影响结构的耐久性、适用性和密实形，给结构的安全带来隐患。

图1粗合成纤维的徐变
不同实验室的测试结果表明粗聚丙烯纤维的徐变相当大，而且可导致正常使用状态下的徐变破坏。

所谓徐变破坏是指完全丧失承载能力，即不能使用于受力结构中。

自2004年，各个实验室已经对不同纤维的徐变反应做了不同的实验。

图2为贝卡尔特实验室的徐变试验装置及合成纤维与钢纤维混凝土的徐变试验对比。

图2徐变实验装置及不同纤维混凝土的徐变对比
从图2可看出，在相同时间范围内，合成纤维混凝土的徐变要远大于钢纤维混凝土的徐变，而徐变过大会使结构的裂缝增长无法控制，直至坍塌。

4．纤维的防火性能
在高温长期作用下，混凝土内部的水蒸气蒸发，水蒸气从混凝土内部的孔隙中排出，当水蒸气产生的速度超过排出速度时，混凝土就会产生剥落破坏。

尽管剥落破坏只发生在混凝土表面，但这会使钢筋暴露在高温环境中，高温会使钢筋的抗拉强度迅速降低，结构的承载力迅速下降，最终导致结构破坏。

在混凝土中掺入适量的钢纤维不会影响混凝土的导热性能，与钢筋混凝土不同，钢纤维在混凝土的整个截面中分布，在高温环境下仅混凝土表面的钢纤维抗拉强度降低，混凝土内部的钢纤维仍保持很好的力学性能。

研究表明，加入钢纤维后能减小混凝土的剥落破坏，所以钢纤维混凝土结构比钢筋网加固的混凝土结构起到更好的防火作用，而且在350-400℃范围内，钢纤维始终保持其机械性能。

粗合成纤维在50℃时开始失去其力学性能，在达到160℃时完全熔化消失。

所以在火灾中，随着温度的升高，粗合成纤维混凝土结构很快失去其加固作用，使混凝土结构失去任何承载力。

贝卡尔特实验室数据表明，在50℃时粗合成纤维的裂后强度将以40-50%的速度递减。

在防火要求较高的结构中，掺入适量的细合成纤维可以有效提高结构的防火性能[3]，被普遍接受的说法是在一定的温度条件下，超细的聚合纤维将融化，在火灾中产生的高压蒸汽可以通过纤维熔化后产生的空间释放出来，因此在很大程度上减少了混凝土的破坏和散裂。

5. 抗腐蚀性
粗聚丙烯纤维和细聚丙烯纤维对大部分的强酸和强碱环境都能适应。

对于金属纤维，根据多年的经验和研究表明：与传统的钢筋和钢筋网所需的30-40mm 的混凝土保护层相比，钢纤维仅需1-2mm。

纤维表面的腐蚀可能影响到美观，但对纤维混凝土结构的性能并没有任何影响。

在裂缝口小于0.25mm的开裂处纤
维不会生锈。

而对于有表面美观要求的结构或构件，可以使用镀锌钢纤维。

6．耐久性
材料和结构性能是影响纤维混凝土耐久性的两个主要因素。

合成纤维在使用过程中不会腐蚀，所以不存在腐蚀性问题。

钢纤维在使用过程中可能会产生腐蚀，研究和实践表明：钢纤维混凝土的表面外露钢纤维会产生腐蚀，但这种腐蚀不会深入到混凝土内部，也不会引起混凝土产生剥落破坏[4]，因此不会导致整个结构的承载力下降。

而且在实际工程中可以通过以下方法避免腐蚀作用的产生：1）做好表面处理，防止钢纤维外露；2）使用镀锌纤维。

结构的抗火性能也是影响结构耐久性的一个重要因素，与传统的钢筋混凝土结构相比，钢纤维混凝土能有效提高混凝土结构的抗火性能，但并不明显。

然而，合成纤维特别是细合成纤维却表现出很好的防火效果，这也极大地提高了混凝土的使用寿命和耐久性。

7．结论
基于纤维的原材料特性和混凝土基体的性质，不同类型的纤维有其恰当的应用领域。

高品质的钢纤维，由于自身抗拉强度及杨氏膜量较高，且与混凝土基体有很好的锚固性能，可以广泛应用于土木工程的各个结构性增强领域。

而合成纤维的抗拉强度和杨氏膜量较低，不适合应用也结构性构件，可应用在塑性加固，防火等非承载结构或构件中。

具体应用领域见表2。

参考文献：
[1] European Standard EN 14889-1 Fibres for concrete, part 1: steel fibres-Definitions,
specifications and conformity.
[2] European Standard EN 14889-2 Fibres for concrete, part2: Polymer
fibres-Definitions, specifications and conformity.
[3] OVBB guideline increased fire protection for concrete in underground traffic
infrastructure, version 2005.
[4] E.J.de Hansen, T.Eman and K.K. Hansen: Durability of cracked fibre reinforced
Concrete structures exposed to chlorides, proceedings of the 8th international conference on durability of building materials and components, Vancouver, Canada 1999。