纤维混凝土的性能及比较

　　一、引言

　　近年来的研究表明，发展纤维混凝土是提高高性能混凝土质量的重要途径。纤维混凝土通常是以水泥净浆、砂浆或者混凝土为基材，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，主要作用是通过桥接作用来限制围观裂缝的发展，从而改善混凝土的性能。纤维加入水泥基体中的作用：

　　1.阻裂。阻止水泥基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现；

　　2.防渗。通过阻裂提高水泥基体的密实性，防止外界水分侵入；

　　3.耐久。改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高其耐久性；

　　4.抗冲击。提高水泥基体的耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击性；

　　5.抗拉。在使用高弹性模量纤维前提下，可以起到提高基体的抗拉强度的作用；

　　6.美观。改善水泥构造物的表观性态，使其更加致密、细润、平整、美观。

　　现在主要使用的纤维混凝的种类及优缺点

　　1.钢纤维混凝土其技术特点是能提高混凝土的韧性和抗拉强度，但是钢纤维搅拌时易结团，混凝土和易性差，泵送困难、难以施工且易锈蚀，钢纤维混凝土的自重大、在制造方面使用大量的钢材，加大了对钢材的消耗，增加成本较多。钢纤维在使用过程中破坏形态主要是被拔出，而不会被拉断，这说明钢纤维的与混凝土的粘附性不足，这会影响提高混凝土抗拉强度的效果，它增韧增强的原理是当裂缝产生后由于钢材的高模量和单根的高抗拉强度，阻止了裂缝的进一步开展；但由于数量有限，对微观裂缝约束效果不大，对抗渗、冻融等性能提高并不明显，另外，施工中钢纤维密度过大，振捣浇注时往往会沉于混凝土下部，不可能均匀分布，这就是理论研究结论较好而实际应用效果差异很大的主要原因。

　　2.尽管玻璃纤维已用于铺设混凝土路面，但是玻璃纤维在使用中暴露很大的缺点，如玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间后，其强度和韧性会有大幅度下降，即由早期高强度、高韧性向普通混凝土退化。众所周知，普通的玻璃纤维还有一个致命的弱点，就是不耐碱，碱骨料反应是水泥混凝土的“癌症”。因此，普通玻璃纤维是不能用作水泥混凝土基增强材料的，即使是耐碱玻璃纤维（AR）也不适宜与普通波特兰水泥复合，最好与低碱度水泥复合。这主要是为了减轻水泥基材对玻璃纤维表面的碱性侵蚀作用。我国“双保险“的技术路线（即耐碱玻璃纤维与低碱度水泥复合）由于是”削足适履“的做法，加之，耐碱玻璃纤维在外观上很难与普通玻璃纤维相区别，几十年来一直难以大面积推广。

　　3.合成纤维包括聚丙烯纤维、聚酯和聚丙烯腈纤维等，它与钢纤维的相似点是不受水化产物的侵蚀，有一定的抗拉强度，可三维乱向分布于混凝土基体中，其阻裂原理是充分发挥了纤维数量（每公斤数千万根）优势，具有很大的表面积，对微裂缝约束，使之不至于连通，效果显着。但是合成纤维密度小，单丝直径较小，存在增稠效应，不利于混凝土的震动密实，由于合成纤维的抗拉强度较低，在使用过程中其破坏形态主要是纤维被拉断，且在抗老化、耐碱方面也不够好。

　　4.碳纤维是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维，具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定，与混凝土粘结良好的优点，但由于碳纤维价格昂贵，工程应用中受到很大的限制。

　　由以上几种纤维混凝土的性能可以看出，这几种纤维混凝土都存在一些缺陷，在满足高性能混凝土方面都是不太理想，无法很好地解决现存的一些问题。纤维混凝土发展了几十年的经历告诉我们：必须在纤维上有所突破，才能使纤维混凝土这种高性能混凝土真正得到广泛使用。

　　二、玄武岩纤维混凝土

　　随着生产技术的解密，连续玄武岩纤维（简称CBF）是近几年来才时有报道的新纤维，它是一种无机纤维材料，用纯天然火山喷出岩为原料，经1450~1500℃高温熔融后快速拉制而成的连续纤维，其外观为金褐色，具有卓越的综合性能和较低的价格。连续玄武岩纤维的特性：

　　（1）原材料的天然性。由于生产CBF的原料取决于天然的火山喷出岩，除了它与生俱来就具有很高的化学稳定性和热稳定外，其中并没有与人类健康有害的成分。（2）性能的综合性。玄武岩纤维是名副其实的“多能”纤维。譬如既耐酸又耐碱、既耐低温又耐高温，既绝热电绝缘又隔音，拉伸强度超过大丝束碳纤维，断裂延伸率比小丝束的碳纤维还要好；CBF表面极性，与树脂复合时界面结合的浸润性极好，而且CBF具有三维的分子维数与分子维数-维的线性聚合物纤维相比具有较高的抗压缩强度、剪切强度和在耐恶劣环境中使用的适应性、抗老化性等有优异的综合性能。（3）成本的低廉性。水泥混凝土用的玄武岩纤维价格并不高，明显低于钢纤维、碳纤维等，和合成纤维相当。（4）天然的相容性。玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维，用它与水泥混凝土和砂浆混合时很容易分散，新拌玄武岩纤维混凝土的体积稳定、和易性好、耐久性好，具有优越的耐高温性、防渗抗裂性和抗冲击性。此外，玄武岩纤维的耐碱性要比耐碱玻璃强（见附表1）。因此，玄武岩纤维增强混凝土可以在基本建设的各个领域起到防渗抗裂、延长使用寿命等作用。CBF是天然绿色的新材料，将给人类的建筑业和我国优先发展的交通运输领域带来重大变革！

　　除了它具有强度高、防渗抗裂、耐高温、耐酸碱腐蚀能力强、抗冲击性好等一系列优点外，它还在我国分布较广，价格便宜，造价低，还兼有绿色、环保、节约资源等优势，产品符合国家相关产业政策。且大量试验证明玄武岩纤维对混凝土性能有很好的改善作用，与钢纤维和合成纤维相比，玄武岩纤维的结合性更好，玄武岩纤维抗腐蚀耐锈蚀性均好于其它纤维。因此，玄武岩纤维用于水泥混凝土中有其自身的优势和特点，相比钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土、合成纤维混凝土和碳纤维混凝土较有明显的性能、价格等综合优势，替代潜力巨大。

　　玄武岩纤维应用在混凝土中的产品主要有玄武岩单丝和加捻合股两种，单丝纤维类似于其它合成纤维，具有微米级的直径，更有其他纤维不可比拟的良好分散性；加捻合股纤维是玄武岩纤维无捻粗纱，用多股平行原丝经加捻和合股合而成的玄武岩纤维制品，抗折性好、具有良好的性能。可以根据应用环境和目的的不同制造出不同长度、不同直径、不同捻度和捻向的产品规格。两种短切纤维既可根据需要单独加入混凝土，因其具有相同的抗拉强度、弹性模量和性能，更可以混合使用，生产出一种全新的、综合了合成纤维和钢纤维混凝土优点的高性能混凝土。与其他纤维混凝土相比，新型玄武岩纤维混凝土主要有以下优势：

　　1.两种具有同类性质，不同直径的纤维可以一起受力，协同工作，优势互补，既共同防裂阻裂，又共同增韧增强。

　　2.玄武岩纤维原丝可以发挥数量优势，具有较大的表面积，对微裂缝约束，使之不至于连通，效果显着。并克服了合成纤维的密度小，弹性模量和抗拉强度低的缺点，不至于在裂缝扩展时被拉断，有效地防止微裂缝的扩展、对抗渗、抗冻融等效果好于合成纤维。

　　3.玄武岩纤维加捻合股可以发挥钢纤维的高模量和单根的高抗拉强度的优势，阻止了裂缝的扩展。又克服了钢纤维搅拌时易结团，不利于搅拌，难以施工且易锈蚀、耐久性差，钢纤维自重大的缺点。

　　4.玄武岩加捻合股纤维是典型的硅酸盐纤维，比重为2.63--2.8g/cm3，用它与水泥混凝土和砂浆密度相近，混合时很容易分散，且均布于混凝土内部，克服了钢纤维混凝土在振捣浇注时往往会沉于混凝土下部，不能均匀分布的缺点。

　　5.玄武岩纤维表面已经改性，是一种“惰性纤维”，具有高度的稳定性，在高温、高腐蚀性的环境中能保持稳定性能，使玄武岩加捻合股纤维能适应混凝土的拌合、浇筑、凝结和使用的各个阶段的恶劣环境，提高混凝土的耐久性。

　　三、经济对比

　　一般钢纤维掺量为40kg/m3~120kg/m3，按最低40kg/m3考虑，市场价目前为7元/kg左右，单方砼增加造价280元。玄武岩纤维按4kg的搭配，增加造价4kg×32元/kg=128元/m3，砼增强增韧效果同钢纤维砼相当，降低裂缝性能明显高于钢纤维砼。