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几种纤维在增强混凝土中的应用
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3秒自动关闭窗口盐城工学院本科生毕业论文2007；1绪论；1.1概述；混凝土作为一种优良的水泥基材料，发展至今己有17；是当今最大宗的人造建筑材料；混凝土是多相、多层次的复合材料，掺入单一纤维，只；1.2纤维混凝土的发展背景；不锈钢纤维的开发国外始于60年代末，到70年代得；强度要求的各种构造物中；不锈钢与聚丙烯混杂纤维混凝土的性能研究；复疲劳载荷作用，路面都不会出现剥落，
盐城工学院本科生毕业论文 2007 1 绪论 1.1 概述
混凝土作为一种优良的水泥基材料，发展至今己有170多年的历史，水泥基材料是当今最大宗的人造建筑材料。强度一直是混凝土作为重要结构材料的主要性能指标，混凝土高强化是混凝土研究与发展多年来的努力方向，而用传统方法配制的高性能混凝土存在拉压比小、易产生塑性裂缝等问题，在混凝土基材中掺加各类纤维是提高混凝土韧性的最有效途径，是混凝土科学研究的热点。近年来纤维混凝土的理论研究和工程应用都有了长足的进展，但是远远不能满足实际工程的要求，尤其在严酷的自然条件下，纤维增强混凝土存在耐久性差等问题，影响其实际应用。因此进行新型混杂纤维增强混凝土的研究，具有十分重要的意义[1]。 混凝土是多相、多层次的复合材料，掺入单一纤维，只改善了混凝土某一层次的性能。为了从整体上提高混凝土的性能，所加入的纤维也应该是多层次的，即混杂纤维。有关混杂纤维的研究目前主要集中在玻璃纤维、尼龙、聚丙烯纤维与钢纤维的混杂。但由于钢纤维本身的抗化学侵蚀能力差，在盐城沿海岸区域的混凝土结构长期受到海风和海水的侵袭，水和盐分渗入混凝土，腐蚀钢纤维，引起混凝土剥落。海岸区域的尘土、水以及大气中氯化物和硫酸盐的含量也很高，容易引起纤维混凝土的失效。不锈钢纤维除了具有钢纤维的一般特点外，还具有耐腐蚀、耐高温等优点[2]。采用高弹性模量的不锈钢纤维可明显提高混凝土的强度，而低弹性模量的聚丙烯纤维掺入混凝土后可明显提高其韧性。通过纤维混杂，达到逐级阻裂与强化的功能。 1.2 纤维混凝土的发展背景 不锈钢纤维的开发国外始于60年代末，到70年代得到了广泛应用。我国从1979年开始着手研究用不锈钢纤维研制防静电布料。走过了从进口原料到原料国产化及成品出口的过程，这是纺织，兵工，电力等不同部门通力合作的结果[3]。钢纤维混凝土1914年在美国和日本就开始应用；1963年美国学者Romuidi从理论上阐明了钢纤维的作用机理；20世纪70年代我国引进这一技术，1992年有了钢纤维混凝土相应的设计与施工规程。钢纤维混凝土的最大优点在于大大提高了混凝土的抗裂强度和抗冲击韧性,每立方米混凝土中分散有数百万根钢纤维。因此可以用于有抗裂和承受冲击 强度要求的各种构造物中。用钢纤维混凝土浇注的刚性屋面或防水设施,由于混凝土的抗裂性能大大提高,因而防漏性能良好,其寿命比“三毡四油”的传统卷材屋面延长数倍。早在年间，前苏联就开始使用金属纤维增强混凝土，目前，钢纤维混凝土在公路桥梁，地下工程和房屋建筑的应用正逐步扩大，其中使用最多的是道路，机场跑道路面工程。美国已有百多个机场跑道使用钢纤维混凝土，其优点在于减薄了铺筑厚度，比普通混凝土路面可减薄35%～40%；可以加大裂缝间距，普通混凝土路面缩缝间距一般为5～6m，钢纤维可扩大到15～60m，而且可以不设路面的膨胀和纵缝。钢纤维混凝土抗裂性能好，无论高温热胀，冷雪冻融，车辆冲击和重1 不锈钢与聚丙烯混杂纤维混凝土的性能研究 复疲劳载荷作用，路面都不会出现剥落，因此路面寿命大为延长，养护维修远比普通混凝土优越。我国自20世纪70年代末开始对钢纤维混凝土进行了大量的工程应用和专题试验研究,成果表明,钢纤维混凝土中的钢纤维能阻止或延缓混凝土裂缝的发生和发展,可克服基体中的微观裂缝和缺陷产生的应力集中而引起的早期开裂；钢纤维混凝土与普通混凝土相比较,其抗折强度的变异系数降低,抗折强度和抗折疲劳强度则有较大的提高。由于钢纤维混凝土的良好抗裂性、抗弯性、耐冲击性和耐疲劳性,可使混凝土公路，桥面层厚度减少,伸缩缝间距加长,维修费用降低,寿命延长[4～6]。 聚丙烯具有密度小、熔点高、力学性能优越、易回收等优点。聚丙烯纤维属于合成纤维，它的价格低，弹性模量低，变形大，聚丙烯纤维混凝土的研究在国外还是近10年左右的事情。聚丙烯纤维对混凝土的强度影响不明显，但可显著提高混凝土的韧性、抗冲击性能、阻裂性和高耐久性，延缓钢筋锈蚀和抗爆性能等与韧性有关的物理性能。在混凝土中掺入聚丙烯纤维后能有效减少混凝土的塑性收缩裂缝。以前所研究纤维多限于钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等种类，关于聚丙烯纤维的研究很少[7]。20世纪80年代中期,美国军队工程师团,为解决其军事工事的混凝土结构在炮弹、炸弹的轰击下易碎裂的问题,研制和开发了聚丙烯纤维混凝土。聚丙烯纤维作为一种次要的混凝土加强系统, 比较成功地解决了普通混凝土的弯拉强度低、塑性收缩大等问题, 从而提高了混凝土的耐久性。将聚丙烯纤维掺入普通道路混凝土可以大幅度提高混凝土的弯曲疲劳等路用性能。聚丙烯纤维不但能使混凝土的强度提高, 更主要的是在应力作用下,可成倍地提高混凝土的弯曲疲劳寿命。目前我国已有用于混凝土中的该类产品，为今后在工程中应用创造了必要条件。聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维,被称为混凝土的“次要增强筋”,适用于路面桥面、衬里护壁、地坪等工程部位,近几年在我国市政、公路和建筑工程中已有较多应用。从1997年至今,仅在天津市道路和桥面工程中,聚丙烯纤维混凝土的用量已达到10多万立方米，聚丙烯纤维的总用量近20吨,绝大部分工程应用效果良好，掺入聚丙烯纤维显著改善了混凝土的品质,使混凝土的综合使用性能得到提高。美国联邦公路战略计划(SHRP) 通过大量试验研究和工程经验总结后认为,可将聚丙烯纤维等有机纤维增强混凝土当作路面高性能混凝土的一种[8～9]。 1.3 混杂纤维在混凝土中的作用机理 目前混杂纤维在混凝土中的作用机理存在两种解释模型[10]：一是复合材料力学理论。其理论的出发点是复合材料力学中的混合律法则，即认为复合材料的强度和弹性模量等性能符合复合体内各组分性能的弹性叠加。该理论论述了纤维混凝土的强度和纤维与基体的粘结力、纤维的长径比的关系，同时考虑了纤维在基体中的连续性、分散均匀性和分布方向对增强效果的影响；二是纤维间距理论。该理论是建立在弹性断裂力学的基础上，它认为在混凝土的结构形成和受力破坏的过程中，纤维的加入有效地提高了基体阻止裂缝引发和扩展的能力，达到纤维对混凝土的增强目的。理论和实验证明，当纤维的平均间距小于7.6mm时，混凝土的抗拉和抗弯强度均得到提高。在纤维混凝土中，纤维对基体的作用概括起来主要有：阻裂、增强和增- 2 - 盐城工学院本科生毕业论文 2007 韧。混杂纤维增强混凝土同样可以用上述两种理论来解释其增强机理，而且更进一步要考虑的是多种不同性质的纤维同时掺入混凝土中，会产生混杂效应、协同效应和超叠加效应。因为多相、多组分的混凝土本身具有多尺度多性能的结构特征，采用不同性能和不同尺度的纤维混杂，能使其在混凝土不同的结构层次和性能层次上充分发挥各种纤维的尺度效应和性能效应，达到逐级阻裂和强化的功能，使混凝土的性能得到提高。 1.4 试验中常用的纤维 1.4.1聚丙烯纤维
聚丙烯纤维（polypropylene fibre，缩写为PP fibre或PPF），俗称丙纶纤维，白色，半透明，呈束状单丝结构或网状，其原材料从单体C3H6而得，是一种高分子碳氢化合物。此种纤维是合成纤维中密度最小的一种，它化学性质稳定(和大多数化学物质不发生作用)，且有较高的使用温度。由于其制取原料丰富、合成工艺简单、价格适中，故此种纤维的工业用途受到了广泛重视。常见的聚丙烯纤维主要有单丝纤维和膜裂纤维两种。聚丙烯单丝纤维(polypropylene monofilament fibre)是由等规聚丙烯熔体直接拉制成为若干横截面呈圆形的纤维，再经表面处理，并切割成为一定长度的纤维束。聚丙烯膜裂纤维(fibrillated polypropylene fibre)是由等规聚丙烯熔体经挤出机拉制成薄膜，再经高温下高倍拉伸以提高聚丙烯晶体的定向性并降低膜层的厚度，然后使膜层经针辊穿刺并切至一定长度成为纤维束，束中纤维是相互连牵的，在与混凝土搅拌过程中，每一纤维束可分裂成为若干单丝纤维并均布于混凝土中。相对于膜裂纤维而言，单丝纤维与基体间的粘结较差，结果使拔出强度较低。某些聚丙烯纤维生产过程中经过了特殊的表面处理，这样保证了聚丙烯纤维与混凝土中水泥水化物之间较好的粘结。各种纤维物理性质比较见表1-1[11～12]。 表1-1 各种纤维物理性质比较
物理性能 纤维名称 聚丙烯纤维 钢纤维 丙烯酸纤维 棉纤维 玻璃纤维 尼龙纤维 聚酯纤维
抗拉强度（Mpa） 弹性模量（Gpa） 极限变形（%） 比重（g/m） 800～00 300～600 600～～～～1250 3.5 290 3.0 7.0 100 6.0 17.0 25 0.5～3.5 25～45 3～10 1.5～3.5 16～20 11～13 0.9 7.8 1.1 1.5 2.5 1.1 1.4 33 不锈钢与聚丙烯混杂纤维混凝土的性能研究 1.4.2 钢纤维 钢纤维在水泥制品中的应用尽管起步比较晚，但其发展速度却相当迅猛。目前钢纤维增强混凝土已广泛应用于土木建筑、交通(公路路面、机场道面、桥面、隧道涵洞)工程、水利(水工混凝土的抗冲磨部位)工程、抗震工程、防爆遮弹工程，以及轨枕、电杆、桩、井盖等制品中，它有着极大的生命力，应用前景十分广阔，并朝向高性能与超高性能方向发展。 钢纤维按外形分有(a)圆直形、(b)平直形、(c)压痕形、(d)波浪形、(e)弯钩形、(f)墩头形、(g)集束形、（h）扭曲形等；按截面形状分有(a)圆形、(b)矩形、(c)槽形、(d)月牙形和(e)不规则形等；按生产工艺分有钢丝切断法、钢板切削法、钢锭铣削法和熔抽法，其中熔抽法生产效率高且成本最低；按材质分有普通低碳钢纤维(抗拉强度一般在300-2500MPa)、不锈钢纤维(按材质分有304, 310, 330, 430和446等)和其它金属纤维(如铝纤维、铜纤维、钛纤维，以及各种合金纤维)等；按表面涂覆状态分有无涂覆层、表面涂环氧树脂，以及镀锌等，目前大量应用的还是无涂覆的普通钢纤维。按纤维直径分类有:普通钢纤维〔直径>0.20mm)和超细钢纤维(直径≤0.20mm),超细钢纤维主要用于纤维增强塑料、石棉摩擦材料和活性细粒混凝土等[13，17]。 1.5 存在的问题和研究方法 1.5.1 目前混杂纤维混凝土存在的一些问题 单一纤维增强混凝土的应用已经在世界范围内的许多工程取得了满意的效果。而混杂纤维增强混凝土是在单一纤维增强混凝土的基础上发展起来的，由于它同样具有较好的抗磨损和抗破裂能力，能抑制塑性裂缝的产生和发展，增强混凝土的防水抗渗能力等优点，它的应用还可以减小构件的尺寸，从而节约材料、降低造价，已逐步在工程中得到应用。更主要的是，混杂纤维相比于单一纤维而言，能更好地增强结构的使用性能，大大降低结构的维护费和维修费，带来了较大的经济效益。但是对混杂纤维混凝土的研究还起步较晚，还处于试验研究阶段，理论研究尚有待深入，目前关于其研究和应用主要存在以下的问题[14]： ⑴混杂纤维在搅拌时的分散性尚未得到良好的解决，应该加强混杂纤维在混凝土中分散性研究和混凝土搅拌机械的研究，并逐步将混杂纤维增强混凝土纳入纤维混凝土的施工和验收规程； ⑵目前对混杂纤维增强混凝土的研究多是定性分析，试验研究多，理论研究少，尚缺乏对混杂纤维增强混凝土的微观力学分析，需加强其增强机理及产生正负混杂效应机理的微观研究； ⑶施工工作性和工艺流程的研究和探索也是混杂纤维混凝土的一个重点和难点，只有解决好搅拌机械、施工设备和施工工艺流程问题，才能有利于纤维混凝土的推广应用； ⑷目前混杂纤维混凝土的研究基本属室内小试件试验，现场的研究还比较少，因此，急需进行大量的现场应用研究； ⑸混杂纤维增强混凝土用于实际工程的关键，在于其混杂比例在其力学特性、在- 4 - 盐城工学院本科生毕业论文 2007 动、静荷载以及等幅、变幅循环等荷载作用下的裂纹形成和发展规律、变形发展规律以及材料的损伤特性等方面研究理论的成熟； ⑹目前还没有混杂纤维混凝土应用的详细规范和技术性文件来指导工程设计。因此，目前混杂纤维增强混凝土的实际应用需要通过大量的理论和实验研究来制定相关规范和技术文件，从而总结出相对简单而又比较精确可靠的工程计算方法，使设计部门有明确的规范可循。 1.5.2 本研究的研究方法和技术路线 1.5.2.1 研究方法 按照纤维增强的混合率法则和纤维间距理论进行不锈钢纤维混凝土的研究，调整不锈钢纤维在混凝土中的掺量、聚丙烯纤维在混凝土中的掺量，得出这些参数对混凝土的力学性能的影响规律。根据混凝土的使用条件，采用不锈钢与聚丙烯混杂纤维，对复合材料弹性模量进行设计；将不同直径、长度的纤维搭配使用，分层次对混凝土进行强化，并进行优化设计。研究混杂纤维混凝土的拌和工艺问题，得出纤维取向对混凝土力学性能的影响。通过添加化学外加剂改善纤维混杂混凝土的界面结构和性能。对混杂纤维混凝土的细观形貌、结构、组成进行定性或定量分析，从而比较界面区与基体本体的结构研究纤维与基体的界面强化效应，对混杂纤维的混杂效应进行理论分析，得出结构形成的规律和机理，从而提出控制理论和方法。 1.5.2.2 技术路线 确立正确的搅拌制度对改善纤维混凝土的质量有很大作用。主要是在搅拌过程中防止纤维分布不匀，避免引起纤维成团。一般说来，投料顺序、搅拌时间、搅拌机类型以及纤维形状和数量对搅拌质量都有影响。预拌法常用的投料顺序是：先将纤维和骨料进行干拌，使纤维均匀地搬布在骨科内，然后加入水泥进行干拌，最后加水湿拌。有人主张先将纤维、砂、石、水泥一起干拌，然后加水湿拌。也有人主张．先将砂、石、水泥进行干拌，然后在加水湿拌的同时徐徐撒入纤维。若从确保纤维撒布均匀，防止纤维成团，提高界面粘结的角度出发，对于钢纤维混凝土，前两种方法较好。而对于聚丙烯纤维混凝土，由于纤维材科不吸湿，界面粘结主要为机械咬合作用，则可以在砂、石、水泥和水湿拌终了前较短时间内撒入纤维．使纤维尽量保持完好无损。纤维混凝土的搅拌强度要比普通混凝土大，故搅拌时间比普通混凝土长。纤维混凝土浇筑时应保证纤维分布的均匀性和结构的连续性，在一个规定连续浇筑的区城内，浇筑过程不得中断。钢纤维混凝土应采用机械振捣，不得采用人工插捣。一方面是为了避免振捣时将纤维折断，另一方面也防止纤维成团。对于公路路面、机场路面和桥面的钢纤维混凝土应先用平板式振捣器振动密实，再用振动粱振捣平整，然后用表面带凸棱的金属圆滚将竖起的钢纤维和位于表面的石子与钢纤维压下去。 1.6 研究的成果与意义 分别系统地研究不锈钢、聚丙烯单一纤维掺入混凝土中纤维的掺量对混凝土力学性能的影响。其次，通过正交试验设计，研究不锈钢与聚丙烯混杂纤维的混杂效应，进而得出在混杂纤维的条件下每种纤维的最佳掺量；研究混杂纤维混凝土的拌和工5 [15]三亿文库包含各类专业文献、外语学习资料、各类资格考试、幼儿教育、小学教育、生活休闲娱乐、34不锈钢与聚丙烯混杂纤维混凝土的性能研究等内容。　
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二）钢纤维混凝土的韧性及抗裂性能
韧性是在材料受力破坏前吸收能量的性质。抗裂性是指钢纤维在脆性混凝土基体中减少裂缝和阻止裂缝开展的性质。混凝土中掺入钢纤维后,可减少收缩和变型,并且荷载作用时,随着荷载继续增加,超过混凝土所能承受的压力时,应力通过混凝土与钢纤维的粘结力传递给钢纤维,混凝土受到钢纤维的约束作用,限制了新裂缝的发生,推迟了裂缝的扩展,因此钢纤维混凝土具有较好的韧性和抗裂性。
（三）钢纤维混凝土的抗冲击性能
在动荷载作用下,钢纤维混凝土在裂缝开展时,首先是钢纤维克服混凝土的粘结力被拔出,或是钢纤维达到屈服强度而被拉断,这都需要消耗大量的能量,所以钢纤维混凝土具有较高的抗冲击性能。
（四）钢纤维混凝土的耐磨性和耐久性
混凝土中掺入钢纤维后,其耐磨性能得到了很大提高。国内采用了标号为C35 和CF35的普通混凝土和钢纤维混凝土5cm×5cm×5cm的试件在国产耐磨机上做等条件磨损试验。结果表明,钢纤维混凝土比普通混凝土的磨损损失降低了30%；钢纤维混凝土的耐腐蚀性、抗冻融性等均较普通混凝土好。
钢丝法、冷轧带钢剪切、钢锭铣削或钢水快速冷凝法制成长径比（纤维长度与其直径的比值，当纤维截面为非圆形时，采用换算等效截面圆面积的直径）为40～80的纤维。
玻璃纤维土工格栅是一种增强路面及路基的新型优良土工基材，该产品采用玻璃纤维长丝经编织涂覆而成。玻纤土工格栅具有纵横向很高的抗拉强度，低的延伸率，高的弹性模量，耐高低温性能优良等特性，经表面涂覆处理后，具有优良的抗碱性能及耐老化性能，广泛应用于沥青路面，水泥混凝土路面及路基的增强；无论硬性路面和柔性路面皆可适用，与传统路面相比，能降低造价，延长寿命，防止道路反射裂纹。玻纤土工格栅亦可用于铁路、机场、水利、堤坝等软土的增强及路基层的增强。
为使钢纤维较均匀地分散于砂浆或混凝土中，并增大纤维的长径比，可使用由水溶性胶粘结在一起成集束状的钢纤维。钢纤维可用冷拔钢丝切断、薄钢板剪切、钢块或钢锭铣削以及熔钢抽纱等方法制造。配制常温下应用的钢纤维混凝土，可使用低碳钢纤维；而配制耐火的钢纤维混凝土，则必须使用不锈钢纤维。砂浆或混凝土中掺加
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仿钢纤维，孟州市端钩钢纤维￥价格武也称为砼伴仿钢纤维，该产品是针对钢纤维而研制的替代产品，同时兼顾合成纤维的一些特点。与钢纤维相比具有耐腐蚀、易分散、易施工，拌合设备无损伤等特点。产品是以合成树脂为原材料，通过特殊的工艺及表面处理后加工而成，具有断裂强度高、在混凝土中分散性好、握裹力强的优点，替代钢纤维用于水泥混凝土，克服了混凝土抗拉强度低，极限延伸率小，性脆等特点，具有抗拉、抗剪、阻裂、耐疲劳、高韧性等性能，已在建筑、路桥、水工等工程领域得到应用。
1、集安市（钢纤维）厂家-武总掺 量:建议砼伴仿钢纤维体积掺量为0.3%-0.9%，即每立方米混凝土中掺量为3kg--9kg。
2、武夷山市端钩钢纤维￥价格武总长度选择:一般防裂增强混凝土时为30mm-50掺加到喷射混凝土中时为20mm-30mm。
3、徐州（钢纤维）厂家-武配比设计:一般应用不必改变混凝土的等级配比参数，可参考《钢纤维混凝土结构与施工规范》CECS38:92，特殊应用需经试验进行选择设计。考虑到混凝土会因收缩 干缩和温度变化等因素造成微小裂缝，可在混凝土中添加1kg单丝微纤维配合使用，效果更好。
4、上海端钩钢纤维￥价格武搅拌机选择:选用双轴卧式强制搅拌机。
5、宜城市（钢纤维）厂家-武投料搅拌过程:先投入碎石，然后投入阻裂筋，再投入砂子，搅拌，使阻裂筋充分分散，然后投入水泥和水按常规工艺搅拌均匀即可。也可按常规工艺投入顺序施工，但拌合搅拌时间应适当延长，以使阻裂筋分散均匀。
二）钢纤维混凝土的韧性及抗裂性能
韧性是在材料受力破坏前吸收能量的性质。抗裂性是指钢纤维在脆性混凝土基体中减少裂缝和阻止裂缝开展的性质。混凝土中掺入钢纤维后,可减少收缩和变型,并且荷载作用时,随着荷载继续增加,超过混凝土所能承受的压力时,应力通过混凝土与钢纤维的粘结力传递给钢纤维,混凝土受到钢纤维的约束作用,限制了新裂缝的发生,推迟了裂缝的扩展,因此钢纤维混凝土具有较好的韧性和抗裂性。
（三）钢纤维混凝土的抗冲击性能
在动荷载作用下,钢纤维混凝土在裂缝开展时,首先是钢纤维克服混凝土的粘结力被拔出,或是钢纤维达到屈服强度而被拉断,这都需要消耗大量的能量,所以钢纤维混凝土具有较高的抗冲击性能。
（四）钢纤维混凝土的耐磨性和耐久性
混凝土中掺入钢纤维后,其耐磨性能得到了很大提高。国内采用了标号为C35 和CF35的普通混凝土和钢纤维混凝土5cm×5cm×5cm的试件在国产耐磨机上做等条件磨损试验。结果表明,钢纤维混凝土比普通混凝土的磨损损失降低了30%；钢纤维混凝土的耐腐蚀性、抗冻融性等均较普通混凝土好。
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