纤维增强混凝土.ppt

纤维混凝土 学生 唐晶晶张亚楠 1 主要内容 一 概述二 纤维混凝土的发展与分类三 纤维在混凝土中的作用四 纤维增强机理五 常用的纤维混凝土六 纤维混凝土在工程中的应用 2 一 概述 纤维混凝土 或称纤维增强混凝土是以水泥浆 砂浆或混凝土为基材 以非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料 均匀地掺合在混凝土中而组成的一种新型水泥基复合材料的总称 是兴起于20世纪后半叶的一种新型土木工程材料 3 二 发展与分类 纤维混凝土的发展钢纤维混凝土研究时间最早 应用的也最广泛 20世纪70年代 钢纤维混凝土的研究发展很快 且碳 玻璃 石棉等高弹性纤维混凝土 尼龙 聚丙烯 植物等低弹性纤维混凝土的研制也引起了各国的关注 就目前情况来看 钢纤维混凝土在大面积混凝土工程中应用最为成功 玻璃纤维 聚丙烯纤维在混凝土中的应用也取得一定的经验 较多的应用于管道 楼板 楼梯 梁 电线杆等 纤维混凝土由于抗疲劳和抗冲击性能良好 预计将来在抗震建筑中也会得到广泛应用 4 分类1 按纤维配置方式分乱向短纤维增强混凝土 短纤维呈乱向的2维和3维分布 玻璃纤维混凝土 石棉纤维混凝土 普通钢纤维混凝土等 连续长纤维 或网布 增强混凝土 长纤维呈1维或2维定向分布 如长玻璃纤维混凝土 长碳纤维混凝土 连续长纤维和乱向短纤维复合增强混凝土不同尺度不同性质的纤维增强混凝土 5 2 按纤维增强混凝土的性能分类普通纤维混凝土 如普通钢纤维混凝土 玻璃纤维混凝土 高性能增强混凝土 如流浆浸渍钢纤维混凝土 纤维增强活性细粒混凝土 超高性能增强混凝土 如纤维增强高致密水泥基均匀体系 纤维增强宏观无缺陷水泥等 6 纤维增强机理 7 二 为什么要用纤维增强混凝土 1 水泥混凝土的特点优点 取材方便 造价低廉 生产简单 抗压强度较高等 弱点 主要是抗拉强度低 抗裂性差和抵抗变形性能差 即韧性差 材料的脆性或准脆性明显 其抗拉强度仅是抗压强度的1 7 1 10 受拉的极限延伸率只有0 01 0 06 在较低的拉伸变形时极易发生开裂 8 二 为什么要用纤维增强混凝土 2 改善途径混凝土存在上述缺陷是本质性的 不可能通过本身材质的改良来解决 只有采用 复合化 的技术途径 经材料科学工作者的长期探索与研究 提出了钢筋混凝土 预应力混凝土的二次的重大突破 而后又提出了纤维增强混凝土 有学者认为 这是继钢筋混凝土 预应力混凝土之后的第三次的重大突破 9 三 纤维在混凝土中的作用在混凝土中掺入均匀分布的纤维后 明显提高混凝土的性能 纤维在混凝土中主要起着以下三方面的作用 1 阻裂作用 2 增强作用 3 增韧作用 10 1 阻裂作用 纤维可阻碍混凝土中微裂缝的产生与扩展 这种阻裂作用既存在于混凝土的未硬化的塑性阶段 也存在于混凝土的硬化阶段 水泥基体在浇注后的24h内抗拉强度低 若处于约束状态 当其所含水分急剧蒸发时 极易生成大量裂缝 此时 均匀分布于混凝土中的纤维可承受因塑性收缩引起的拉应力 从而阻止或减少裂缝的生成 混凝土硬化后 若仍处于约束状态 因周围环境温度与湿度的变化而使干缩引起的拉应力超过其抗拉强度时 也极易生成大量裂缝 在此情况下纤维仍可阻止或减少裂缝的生成 11 2 增强作用 混凝土不仅抗拉强度低 而且因存在内部缺陷而往往难于保证 当混凝土中加入适量的纤维后 可使混凝土的抗拉强度 弯拉强度 抗剪强度及疲劳强度等有一定的提高 12 3 增韧作用 纤维混凝土在荷载作用下 即使混凝土发生开裂 纤维还可横跨裂缝承受拉应力并可使混凝土具有良好的韧性 韧性是表征材料抵抗变形性能的重要指标 一般用混凝土的荷载 挠度曲线或拉应力 应变曲线下的面积来表示的 13 另外 还可提高和改善混凝土的抗冻性 抗渗性以及耐久性等性能 14 四 纤维增强机理 对于混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理 存在两种不同的理论解释 美国人提出的纤维间距机理 英国人提出的复合材料机理 连续长纤维增强混凝土的理论主要是从复合材料力学基础上发展出来的 包括多缝开裂理论 混合率法则等 15 纤维间距机理机理认为 混凝土内部原来就存在缺陷 要提高这种材料的强度 必须尽可能减小缺陷的程度 提高材料的韧性 降低内部裂缝尖端部的应力集中系数 由于拉力的作用 裂缝的端部产生应力集中系数k1 当裂缝扩展至纤维与基材的过渡区时 由于纤维的拉伸应力所引起的粘结应力与k1方向相反的应力集中系数k2 故总的应力集中系数下降为k1 k2 所以 混凝土的初裂强度得以提高 16 复合材料机理复合材料机理的出发点是复合材料构成的加和原理 将纤维增强混凝土看做是纤维强化的多相体系 其性能是各项性能的加和值 并应用加和原理来推定纤维混凝土的抗拉和抗弯强度 该机理用于混凝土时有如下假设 纤维与水泥基材均呈弹性变形 纤维沿着应力作用方向排列 并且是连续的 纤维 基材与纤维混凝土发生相同的变形值 纤维与水泥基材的粘结良好 二者不发生滑动 17 五 常用的纤维混凝土 钢纤维混凝土普通钢纤维混凝土的纤维体积率在1 2 之间 较之普通混凝土 抗拉强度提高40 80 抗弯强度提高60 120 抗剪强度提高50 一100 钢纤维混凝土的抗拉强度 抗剪强度和抗弯强度 随着纤维掺量的提高而明显增加 对提高受弯构件的承载能力 起很大作用 18 工程中常用的纤维混凝土有钢纤维混凝土 玻璃纤维混凝土 合成纤维混凝土 钢纤维混凝土的抗压强度 随着纤维掺量的增加而稍有增加 一般在0 25 之间 但抗压韧性却大幅度提高 钢纤维混凝土的破坏改变了混凝土脆性破坏的形式 由脆性破坏变为近似于延性断裂 在断裂前出现较大变形 裂缝扩展速度较慢 提高了混凝土的韧性和抗裂性 在动荷载作用下 钢纤维混凝土在裂缝扩展时 首先是钢纤维克服基材的粘结力而被拔出 或是钢纤维达到屈服而被拉断 这都需要消耗大量的能量 因此 钢纤维混凝土能提高抗冲击性能 钢纤维混凝土的轴心抗压强度 受压弹性模量和泊松比与普通混凝土相比 均相差不多 但钢纤维混凝土的极限应变大于普通混凝土 19 玻璃纤维混凝土玻璃纤维增强混凝土 是在混凝土基体中均匀分散一定比例的特定玻璃纤维 使混凝土的韧性得到改善 抗弯性抗压比得到提高的一种特种混凝土 组成材料 玻璃纤维混凝土的原材料与普通混凝土有很大的区别 耐碱玻璃纤维 提高玻璃纤维的耐碱蚀能力 提高耐久性 原因 与其它纤维相比 玻璃纤维易被水泥中的水化产物腐蚀 低碱水泥 其中低碱硫铝酸盐水泥是目前在GRC中应用最多的一种水泥 对玻璃纤维的腐蚀作用较低 不会使玻璃纤维丧失强度 该水泥的主要原料是石灰石 矾土 石膏 20 其他材料 其他的材料大致与普通混凝土相同 只是为了增加玻璃纤维的均匀性而对集料的最大粒径有一定限制 含砂率也较素混凝土高 在混合料中加入硅灰和粉煤灰有助于增加玻璃纤维流动和均匀分布 对GFRC的后期强度也有所提高 性能玻璃纤维混凝土不仅弥补了普通混凝土制品自重大 抗拉强度低 耐冲击性能差等不足 而且还具有普通混凝土所不具备的特性 例如制品可以较薄 自重较轻 抗拉强度很高 表面没有龟裂 耐冲击性能优良 抗弯强度高 脱模性好 加工方便 易做成各种异型制品 21 玻璃纤维混凝土的施工工艺与普通混凝土不同 浇筑需要专门的设备和特殊的方法 密实成型采用不同类型的平板或插入振动器 振动台和轮压设备 成型方法主要有直接喷射法和铺网喷浆法 22 合成纤维混凝土用于纤维混凝土的合成纤维种类很多 但目前最常用的是聚丙烯纤维 物理力学性能由于合成纤维的抗拉强度很高 但弹性模量却很低 所以配制的混凝土具有比普通混凝土抗拉强度高 但弹性模量较低的特性 在较高的应力情况下 混凝土已经达到极限变形时 纤维还没有产生约束应力混凝土就开始破裂 所以 同不含纤维的普通混凝土相比 合成纤维混凝土的抗压 抗弯 抗剪 耐热 抗冻等性能几乎都没有提高 23 聚丙烯纤维对砂浆和混凝土的抗塑性收缩与开裂性能有明显影响 有试验证明 拉丝和单拉丝纤维的掺量达到0 1 及以上时可能完全阻止水泥砂浆塑性收缩开裂 当纤维体积分数为0 5 1 0 时 不同种类的聚丙烯纤维都明显提高了砂浆和混凝土的抗弯韧性 工作性和耐久性合成纤维在混凝土拌合物中有良好的分散性 对搅拌工艺和搅拌时间没有特殊要求 混凝土中添加合成纤维时 坍落度稍有降低 但能够改善拌合物的保水性和粘聚性 混凝土的泵送性整体上得到提高 24 纤维形成的三维乱向支撑体系能有效的减少混凝土的泌水 降低混凝土的孔隙率 并且减少混凝土的塑性收缩裂缝 因而能大幅度提高混凝土的抗渗性 混凝土中添加适量纤维后 随着抗渗性 抗裂性的提高 混凝土的耐久性将得到改善 尤其是混凝土中使用硅灰等超细矿物掺合料时 获得的效果更好 25 六 纤维混凝土在工程中的应用 施工要点纤维混凝土的成品性质 决定于纤维的类型和尺寸 以及生产方法 由于有大的表面积 用水要求多 并且纤维有相互连接和 成球 的倾向 玻璃纤维需水量要求特别高 因为在长丝间附着着水使各纤维分开 此外 水灰比 粗细集料比都与普通混凝土有细微差别 须加以注意 纤维增强混凝土振捣较困难 增加粗集料含量可以大幅度增加捣实性 对大多数纤维拌合料 用外部振动 还能减少泌水和改善拌合料的内聚力 26 2 纤维的主要力学性能 抗拉强度纤维抗拉强度均比水泥基体的抗拉强度要高出二个数量级 弹性模量不同品种纤维的弹性模量值相差很大 有些纤维 如钢纤维与碳纤维 弹性模量高于水泥基体 而大多数有机纤维 包括很多合成纤维与天然植物纤维 的弹性模量甚至低于水泥基体 纤维与水泥基体的弹性模量