徐魏

漢能控股集團(tuán)有限公司 北京 100107

纖維納米混凝土及其抗火性能

徐魏

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隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，為了滿(mǎn)足工程實(shí)際對(duì)混凝土高性能的需求，需要改善混凝土材料性能，制備出高強(qiáng)、較好工作性和抗火性能的新型混凝土材料。本文通過(guò)對(duì)已有研究成果的綜合分析，發(fā)現(xiàn)在混凝土中摻入纖維和納米材料，技能提高混凝土的常溫力學(xué)性能，又能提高混凝土的耐高溫性能。

混凝土；纖維；納米；抗火

引言

從國(guó)內(nèi)外混凝土技術(shù)發(fā)展歷程可知[1-4]，首先無(wú)論研究者或是工程技術(shù)都要求混凝土具有更高的強(qiáng)度。各種大型結(jié)構(gòu)的興建要求混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)不斷提高，雖然混凝土技術(shù)在不斷發(fā)展，但飛速增長(zhǎng)的混凝土強(qiáng)度似乎仍然不能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的要求。其次，由于機(jī)械施工水平和生產(chǎn)效率的不斷提高，混凝土的生產(chǎn)已經(jīng)走上了商品化的道路，而且混凝土的品種也在不斷增多，如泵送混凝土、水下不分散混凝土、免振搗自密實(shí)混凝土、智能混凝土等等，這都要求混凝土要有良好的流動(dòng)性、可泵性、保塑性、保水性等施工性能。再次，混凝土材料的耐久性能也越來(lái)越成為國(guó)內(nèi)外混凝土研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)，良好的耐久性能不僅意味著混凝土材料的壽命延長(zhǎng)，而且更重要的是其能適應(yīng)各種不同的惡劣環(huán)境，抵御不同侵蝕介質(zhì)的破壞，如在大型水利大壩、海洋石油鉆井平臺(tái)等特殊工程中混凝土的耐久性能往往比強(qiáng)度更為重要。另外，為了適應(yīng)新材料的發(fā)展趨勢(shì)，人們還對(duì)混凝土的某些特殊功能提出了要求，如超早強(qiáng)、自呼吸、高耐磨、吸聲、抗高溫和自清潔等性能。總之，如何提高混凝土強(qiáng)度、韌性、抗高溫性和耐久性，這些都是急需解決的課題。

1、混凝土性能改善方法及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 鋼纖維混凝土

纖維混凝土（Fiber Reinforced Concrete，簡(jiǎn)稱(chēng)FRC）又稱(chēng)纖維增強(qiáng)混凝土，它以混凝土為基體，以纖維為增強(qiáng)材料，通過(guò)一定數(shù)量的纖維均勻分散于混凝土基體中來(lái)改善混凝土的性能[5,6]。

纖維混凝土力學(xué)特性的研究開(kāi)始于本世紀(jì)60年代。J.P.Romualdi等[7]通過(guò)系列研究討論了鋼纖維混凝土裂縫開(kāi)展的機(jī)理，提出了基于斷裂分析的纖維間距理論，為鋼纖維混凝土的實(shí)用化開(kāi)辟了道路，RN.Swamy和A.E.Naamaii等則對(duì)鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理提出了復(fù)合材料強(qiáng)化法則。隨著鋼纖維混凝土的推廣應(yīng)用，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)根據(jù)需要增設(shè)了專(zhuān)門(mén)的纖維混凝土委員會(huì)（ACI 544），國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也增設(shè)了纖維水泥制品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（ISO TC77）。許多專(zhuān)家學(xué)者[5-10]對(duì)鋼纖維混凝土的基本強(qiáng)度特性和基本變形特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，對(duì)鋼纖維混凝土的斷裂性能和疲勞特性也開(kāi)展了部分試驗(yàn)研究。

我國(guó)對(duì)鋼纖維混凝土基本理論的研究開(kāi)始于70年代，進(jìn)入80年代后，這一領(lǐng)域的試驗(yàn)研究有了迅速的開(kāi)展。大連理工大學(xué)趙國(guó)藩教授[6]首先從斷裂力學(xué)理論出發(fā)，導(dǎo)出了與復(fù)合材料理論相一致的亂向分布鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度公式，并分析了鋼纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)理和破壞形態(tài)。

鋼纖維可提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎韌性、抗剪強(qiáng)度、抗沖擊性以及提高混凝土的抗裂性、耐磨性等。鋼纖維混凝土以其優(yōu)良性能而廣泛應(yīng)用于隧道、地鐵、礦井等地下工程；公路、機(jī)場(chǎng)路面和工業(yè)地坪；建筑工程、橋梁工程；水利水電工程；筒倉(cāng)、管道、煙囪等薄壁結(jié)構(gòu)；各類(lèi)建筑物及構(gòu)筑物的維修補(bǔ)強(qiáng)和抗震加固工程等[5,6]。

1.2 合成纖維混凝土

合成纖維用于增強(qiáng)水泥混凝土最早由Goldfein.S.于1965年提出，并建議用聚丙烯纖維作為混凝土的摻合料建造美軍工兵部隊(duì)的防爆結(jié)構(gòu)，此后逐漸引起工程界的廣泛關(guān)注。目前美國(guó)和歐洲等地出現(xiàn)了一些生產(chǎn)和銷(xiāo)售混凝土用纖維的專(zhuān)業(yè)公司，通過(guò)對(duì)合成纖維的改性研究，使纖維在混凝土中的分散和粘結(jié)得到改善，并研制出高強(qiáng)度高彈模的改性纖維[11-13]。目前，合成纖維混凝土得到了廣泛的研究和應(yīng)用，應(yīng)用較多的纖維品種有聚丙烯纖維、尼龍纖維、聚乙烯醇纖維和高彈模聚乙烯纖維。

我國(guó)對(duì)合成纖維研究和應(yīng)用比較晚。上世紀(jì)80年代末中國(guó)建筑材料科學(xué)研究所和北京建筑材料研究所等開(kāi)始研究聚丙烯纖維和維綸纖維用于混凝土。目前國(guó)內(nèi)合成纖維應(yīng)用領(lǐng)域幾乎遍布土木、水利各個(gè)領(lǐng)域，其中以路面、橋面、房屋外墻抹面、防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多[14]。

以聚丙烯纖維為代表的合成纖維可提高混凝土的早期抗收縮裂縫性能，還能提高混凝土的抗?jié)B、抗凍性能。合成纖維混凝土的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋旱叵路浪こ蹋宦访?、橋面和工業(yè)地坪；輸水管道、水濾等工程[9]。1.3混雜纖維混凝土

混雜纖維混凝土是將兩種或兩種以上不同的纖維混雜摻加到混凝土中，以獲得單摻一種纖維所達(dá)不到的性能。例如鋼纖維和聚丙烯纖維的混雜既可減少混凝土的干縮裂縫又可增加混凝土的韌性；不同長(zhǎng)徑比的鋼纖維混雜后可優(yōu)化其增韌增強(qiáng)效果?；祀s纖維不但可以發(fā)揮纖維各自的增強(qiáng)效果，而且可以發(fā)揮各種纖維間的協(xié)同工作能力，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的混雜效應(yīng)，從而更為有效地改善混凝土的性能。將鋼纖維和合成纖維混雜使用給降低鋼纖維混凝土的成本帶來(lái)可能性，對(duì)于擴(kuò)大鋼纖維混凝土的工程應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。另外，將不同纖維混雜使用不僅可發(fā)揮每種纖維各自的性能，由于不同纖維在不同層次上對(duì)混凝土基體產(chǎn)生約束和增強(qiáng)，因此還能形成不同纖維間的混雜效應(yīng)，這一混雜效應(yīng)不是每種纖維增強(qiáng)效應(yīng)的簡(jiǎn)單疊加，而是具有l(wèi)+1≥2的特點(diǎn)，可以更為有效地改善混凝土的性能[4]。

東南大學(xué)孫偉院士對(duì)聚丙烯纖維和鋼纖維混雜增強(qiáng)高強(qiáng)混凝土的彎曲性能進(jìn)行的試驗(yàn)研究結(jié)果表明：鋼纖維與聚丙烯纖維組成三維亂向支撐網(wǎng)，在一定程度上彌補(bǔ)了混凝土的初始缺陷，增強(qiáng)了基體的抗拉能力；鋼纖維與聚丙烯纖維纏繞在一起，在承受彎曲拉伸荷載時(shí)產(chǎn)生“纖維連鎖”效應(yīng)，更大程度地提高了試件的抗彎強(qiáng)度；在裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，鋼纖維與聚丙烯纖維先后起阻裂的主導(dǎo)作用，對(duì)裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行全過(guò)程抑制，明顯地增大了基體的韌性；從經(jīng)濟(jì)上考慮混雜纖維混凝土也有一定的優(yōu)勢(shì)，鋼纖維增強(qiáng)、增韌效果好，但會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)高；聚丙烯纖維增韌效果好，價(jià)格較低，但僅聚丙烯纖維難以提高混凝土的強(qiáng)度，只能延緩其后期破壞過(guò)程。在鋼纖維摻量較低的基礎(chǔ)上加入低摻量的聚丙烯纖維，工程造價(jià)提高少，但卻使混凝土的強(qiáng)度、韌性、阻裂能力等性能得到很大提高，大大改善了混凝土的脆性，特別適合抗震等級(jí)要求較高的工程。

2、納米技術(shù)在混凝土中應(yīng)用

混凝土納米科學(xué)是將混凝土這種復(fù)雜非均質(zhì)材料體系分解到材料固有特性的尺度（納米尺度），在此尺度上一種材料的性質(zhì)不同于另一種材料。研究者期望從納米尺度到宏觀尺度“納米工程化”這些材料固有特性，以供大規(guī)模的工程應(yīng)用。這項(xiàng)研究類(lèi)似于人類(lèi)基因組項(xiàng)目，是將混凝土切分到基本單元或分子尺度，以描述水泥基材料的礦物學(xué)組成和其在時(shí)間、空間中的轉(zhuǎn)換?；炷良{米科學(xué)研究將為我們呈現(xiàn)水泥基材料的力學(xué)藍(lán)圖，這不僅增進(jìn)對(duì)水泥基材料的宏觀特性上的強(qiáng)度和缺陷的認(rèn)識(shí)，也為下一代可持續(xù)水泥基材料的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)水泥基材料力學(xué)藍(lán)圖測(cè)定方法，即高非均勻水泥基材料的納米壓痕技術(shù)及其應(yīng)用。采用新的格柵壓痕技術(shù)，已鑒別出水泥基材料的基本單元-水化硅酸鈣的剛度、強(qiáng)度和徐變。

普通水泥的顆粒粒徑通常在7μm～200μm，但其約為70%的水化產(chǎn)物水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠尺寸在納米級(jí)范圍，經(jīng)測(cè)試，該凝膠的比表面積為200～300m2g-1，可推算得到凝膠的平均粒徑為10nm，即混凝土中的水泥硬化基體實(shí)際上是由水化硅酸鈣凝膠為主凝聚而成的

初級(jí)納米材料，但是這些納米結(jié)構(gòu)在細(xì)觀上是相當(dāng)粗糙的。

材料的各種性質(zhì)是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)而決定的，換句話(huà)說(shuō)，材料性質(zhì)可以因適當(dāng)?shù)馗淖儾牧系慕Y(jié)構(gòu)而予以改性。水泥硬化漿體在微細(xì)觀上具有高度不均勻性及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，且隨時(shí)間、環(huán)境濕度和溫度的變化而變化。因此可以通過(guò)控制水泥硬化漿體內(nèi)各相的結(jié)構(gòu)，從而改善材料性能。

納米材料在水泥混凝土中的應(yīng)用研究始于上世紀(jì)90年代。研究表明，在混凝土中摻入納米顆粒后可以使混凝土更加密實(shí)，早期強(qiáng)度提高，韌性增強(qiáng)，并可以顯著提高混凝土的耐久性。因?yàn)榛炷恋哪途眯猿耸芷浔旧淼幕瘜W(xué)組成的影響外，主要是由孔隙率、孔隙特征和微裂縫等因素決定。吳中偉[4]院士依據(jù)孔徑大小可將水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)分為四類(lèi)：孔徑小于20nm的為無(wú)害孔，孔徑在20～50nm的為少害孔，孔徑在50～200nm的為有害孔，200nm以上的為多害孔。國(guó)外也有學(xué)者將孔徑大于100nm的毛細(xì)孔稱(chēng)為有害孔。由于納米材料的顆粒粒徑小于100nm，可以對(duì)水泥硬化漿體中20～150nm的微孔起到填充效應(yīng)，有效改善孔隙率和孔隙結(jié)構(gòu)。并且均勻分散納米顆粒，在水泥水化中起到類(lèi)似“晶核效應(yīng)”的作用，提高凝膠體形成數(shù)量并使水化產(chǎn)物在整個(gè)界面過(guò)渡層內(nèi)分布趨于均勻。

目前用于混凝土中的納米材料主要有硅灰、稻殼灰、納米SiO2，納米CaCO3和納米纖維、碳納米管等。

3、混凝土高溫性能研究概況

國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土的高溫性能及其抗火能力、火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估以及災(zāi)后的加固修復(fù)，都做了較多的試驗(yàn)研究和理論分析。

盡管已有的研究報(bào)道有限，但鋼纖維（SF）特別是不銹鋼纖維用于高溫條件下（達(dá)到1500℃）的耐火混凝土中已經(jīng)被證實(shí)是有效的。國(guó)內(nèi)外的研究表明鋼纖維混凝土在高溫下抗火性能較普通混凝土有明顯的改善。鋼纖維對(duì)混凝土高溫性能的影響主要包括以下幾個(gè)方面：混凝土在40℃～1000℃導(dǎo)熱系數(shù)不變，限制了裂紋擴(kuò)展；提高了600℃前混凝土的比熱，因而在溫度較低時(shí)鋼纖維控制了混凝土的裂紋擴(kuò)展；低于800℃時(shí)，對(duì)試件的熱膨脹沒(méi)有顯著影響。但是目前對(duì)于鋼纖維摻入對(duì)混凝土高溫性能是有利還是有弊，頗有爭(zhēng)議。鋼纖維確實(shí)提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性，但不能明顯地降低混凝土發(fā)生爆裂的可能性。

試驗(yàn)研究已發(fā)現(xiàn)，在混凝土中摻入聚合物纖維（如聚丙烯纖維）能有效減小爆裂的機(jī)會(huì)。聚丙烯纖維（PPF）細(xì)度高（當(dāng)量直徑0.02～0.1mm）、數(shù)量多（0.9kg/m3的摻量充分分散可獲得700～3000萬(wàn)根纖維單絲）、在混凝土中的纖維間距小，上述特點(diǎn)使聚丙爆纖維能有效限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，而原生裂隙通常是混凝土破壞或性能劣化的起源。從此角度理解，可認(rèn)為聚丙烯纖維上述阻裂效應(yīng)的意義不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，更在于提高了材料介質(zhì)的連續(xù)性，使硬化后的混凝土性能得到顯著改善。

在混凝土中摻入聚丙烯纖維和鋼纖維的混雜纖維后，不僅能夠有效地阻止混凝土在高溫下發(fā)生爆裂，并且能夠較好地保持混凝土的完整性，高溫后仍能承受較高荷載。溫度達(dá)到180℃時(shí)，混凝土還處于自蒸階段時(shí)，內(nèi)部壓力還不大，由于聚丙烯纖維的熔點(diǎn)低，在該溫度下己經(jīng)熔化，但因其液態(tài)體積遠(yuǎn)小于固態(tài)所占空間，于是形成眾多小孔隙，并由于聚丙烯纖維分散的均勻性及纖維細(xì)小而量又多，使得混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，孔隙的連通性加強(qiáng)，為混凝土內(nèi)部水分的分解蒸發(fā)提供了通道，也就緩解了由于水分膨脹所形成的分壓，使內(nèi)部壓力大大降低，防止了爆裂的產(chǎn)生。溫度達(dá)到450℃時(shí)，鋼纖維與混凝土間的粘結(jié)力下降約80%左右，但對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展仍能起到一定的約束作用，從而基本保證混凝土的完整性，并使得混凝土強(qiáng)度的降低幅度不大，高溫后仍有較高的強(qiáng)度。這表明混雜纖維混凝土具有優(yōu)異的高溫性能。

4、結(jié)論

在混凝土中摻入適量的纖維和納米材料，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，增加了混凝土的密實(shí)性，提高了混凝土的物理力學(xué)性能。隨著鋼纖維摻量的增大，纖維混凝土抗壓、劈拉和抗折性能均顯著增加，受荷后的變形性能顯著改善；混凝土中摻入聚丙烯纖維，有效改善了混凝土的早期性能，減少塑性干縮，高溫后由于聚丙烯纖維高溫熔化，在混凝土中形成均勻分布的細(xì)小孔隙，減少了混凝土受到高溫時(shí)的內(nèi)部蒸氣壓，明顯降低甚至消除了混凝土的高溫爆裂；摻入納米材料，增加了混凝土的密實(shí)度，細(xì)化了水泥水化產(chǎn)物，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的界面性能。綜上，纖維納米混凝土是滿(mǎn)足工程實(shí)際對(duì)混凝土高性能的需求新型混凝土材料。

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徐魏（1980-），男，漢能控股集團(tuán)有限公司，工程師，碩士.