纤维纳米混凝土及其抗火性能

[摘要]随着经济社会的发展，为了满足工程实际对混凝土高性能的需求，需要改善混凝土材料性能，制备出高强、较好工作性和抗火性能的新型混凝土材料。本文通过对已有研究成果的综合分析，发现在混凝土中掺入纤维和纳米材料，技能提高混凝土的常温力学性能，又能提高混凝土的耐高温性能。

[关键词]混凝土；纤维；纳米；抗火

引言

从国内外混凝土技术发展历程可知[1-4]，首先无论研究者或是工程技术都要求混凝土具有更高的强度。各种大型结构的兴建要求混凝土强度设计等级不断提高，虽然混凝土技术在不断发展，但飞速增长的混凝土强度似乎仍然不能满足结构的要求。其次，由于机械施工水平和生产效率的不断提高，混凝土的生产已经走上了商品化的道路，而且混凝土的品种也在不断增多，如泵送混凝土、水下不分散混凝土、免振捣自密实混凝土、智能混凝土等等，这都要求混凝土要有良好的流动性、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来越成为国内外混凝土研究人员关注的热点，良好的耐久性能不仅意味着混凝土材料的寿命延长，而且更重要的是其能适应各种不同的恶劣环境，抵御不同侵蚀介质的破坏，如在大型水利大坝、海洋石油钻井平台等特殊工程中混凝土的耐久性能往往比强度更为重要。另外，为了适应新材料的发展趋势，人们还对混凝土的某些特殊功能提出了要求，如超早强、自呼吸、高耐磨、吸声、抗高温和自清洁等性能。总之，如何提高混凝土强度、韧性、抗高温性和耐久性，这些都是急需解决的课题。

1、混凝土性能改善方法及国内外研究现状

1.1钢纤维混凝土

纤维混凝土（Fiber Reinforced Concrete，简称FRC）又称纤维增强混凝土，它以混凝土为基体，以纤维为增强材料，通过一定数量的纤维均匀分散于混凝土基体中来改善混凝土的性能[5，6]。

纤维混凝土力学特性的研究开始于本世纪60年代。J.P.Romualdi等[7]通过系列研究讨论了钢纤维混凝土裂缝开展的机理，提出了基于断裂分析的纤维间距理论，为钢纤维混凝土的实用化开辟了道路，RN.Swamy和A.E.Naamaii等则对钢纤维混凝土的增强机理提出了复合材料强化法则。随着钢纤维混凝土的推广应用，美国混凝土学会根据需要增设了专门的纤维混凝土委员会（ACI 544），国际标准化协会也增设了纤维水泥制品技术标准委员会（ISO TC77）。许多专家学者[5-10]对钢纤维混凝土的基本强度特性和基本变形特性进行了大量试验研究，对钢纤维混凝土的断裂性能和疲劳特性也开展了部分试验研究。

我国对钢纤维混凝土基本理论的研究开始于70年代，进入80年代后，这一领域的试验研究有了迅速的开展。大连理工大学赵国藩教授[6]首先从断裂力学理论出发，导出了与复合材料理论相一致的乱向分布钢纤维混凝土抗拉强度公式，并分析了钢纤维混凝土的增强机理和破坏形态。

钢纤维可提高混凝土的抗拉强度、抗弯韧性、抗剪强度、抗冲击性以及提高混凝土的抗裂性、耐磨性等。钢纤维混凝土以其优良性能而广泛应用于隧道、地铁、矿井等地下工程；公路、机场路面和工业地坪；建筑工程、桥梁工程；水利水电工程；筒仓、管道、烟囱等薄壁结构；各类建筑物及构筑物的维修补强和抗震加固工程等[5，6]。

1.2合成纤维混凝土

合成纤维用于增强水泥混凝土最早由Goldfein.S.于1965年提出，并建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料建造美军工兵部队的防爆结构，此后逐渐引起工程界的广泛关注。目前美国和欧洲等地出现了一些生产和销售混凝土用纤维的专业公司，通过对合成纤维的改性研究，使纤维在混凝土中的分散和粘结得到改善，并研制出高强度高弹模的改性纤维[11-13]。目前，合成纤维混凝土得到了广泛的研究和应用，应用较多的纤维品种有聚丙烯纤维、尼龙纤维、聚乙烯醇纤维和高弹模聚乙烯纤维。

我国对合成纤维研究和应用比较晚。上世纪80年代末中国建筑材料科学研究所和北京建筑材料研究所等开始研究聚丙烯纤维和维纶纤维用于混凝土。目前国内合成纤维应用领域几乎遍布土木、水利各个领域，其中以路面、桥面、房屋外墙抹面、防渗结构应用较多[14]。

以聚丙烯纤维为代表的合成纤维可提高混凝土的早期抗收缩裂缝性能，还能提高混凝土的抗渗、抗冻性能。合成纤维混凝土的主要应用领域为：地下防水工程；路面、桥面和工业地坪；输水管道、水滤等工程[9]。

1.3混杂纤维混凝土

混杂纤维混凝土是将两种或两种以上不同的纤维混杂掺加到混凝土中，以获得单掺一种纤维所达不到的性能。例如钢纤维和聚丙烯纤维的混杂既可减少混凝土的干缩裂缝又可增加混凝土的韧性；不同长径比的钢纤维混杂后可优化其增韧增强效果。混杂纤维不但可以发挥纤维各自的增强效果，而且可以发挥各种纤维间的协同工作能力，形成优势互补的混杂效应，从而更为有效地改善混凝土的性能。将钢纤维和合成纤维混杂使用给降低钢纤维混凝土的成本带来可能性，对于扩大钢纤维混凝土的工程应用具有现实意义。另外，将不同纤维混杂使用不仅可发挥每种纤维各自的性能，由于不同纤维在不同层次上对混凝土基体产生约束和增强，因此还能形成不同纤维间的混杂效应，这一混杂效应不是每种纤维增强效应的简单叠加，而是具有l+1≥2的特点，可以更为有效地改善混凝土的性能[4]。

东南大学孙伟院士对聚丙烯纤维和钢纤维混杂增强高强混凝土的弯曲性能进行的试验研究结果表明：钢纤维与聚丙烯纤维组成三维乱向支撑网，在一定程度上弥补了混凝土的初始缺陷，增强了基体的抗拉能力；钢纤维与聚丙烯纤维缠绕在一起，在承受弯曲拉伸荷载时产生“纤维连锁”效应，更大程度地提高了试件的抗弯强度；在裂缝扩展过程中，钢纤维与聚丙烯纤维先后起阻裂的主导作用，对裂缝的扩展进行全过程抑制，明显地增大了基体的韧性；从经济上考虑混杂纤维混凝土也有一定的优势，钢纤维增强、增韧效果好，但会导致工程造价高；聚丙烯纤维增韧效果好，价格较低，但仅聚丙烯纤维难以提高混凝土的强度，只能延缓其后期破坏过程。在钢纤维掺量较低的基础上加入低掺量的聚丙烯纤维，工程造价提高少，但却使混凝土的强度、韧性、阻裂能力等性能得到很大提高，大大改善了混凝土的脆性，特别适合抗震等级要求较高的工程。

2、纳米技术在混凝土中应用

混凝土纳米科学是将混凝土这种复杂非均质材料体系分解到材料固有特性的尺度（纳米尺度），在此尺度上一种材料的性质不同于另一种材料。研究者期望从纳米尺度到宏观尺度“纳米工程化”这些材料固有特性，以供大规模的工程应用。这项研究类似于人类基因组项目，是将混凝土切分到基本单元或分子尺度，以描述水泥基材料的矿物学组成和其在时间、空间中的转换。混凝土纳米科学研究将为我们呈现水泥基材料的力学蓝图，这不仅增进对水泥基材料的宏观特性上的强度和缺陷的认识，也为下一代可持续水泥基材料的开发提供基础。当前正在开发水泥基材料力学蓝图测定方法，即高非均匀水泥基材料的纳米压痕技术及其应用。采用新的格栅压痕技术，已鉴别出水泥基材料的基本单元-水化硅酸钙的刚度、强度和徐变。

普通水泥的颗粒粒径通常在7μm～200μm，但其约为70%的水化产物水化硅酸钙（C-S-H）凝胶尺寸在纳米级范围，经测试，该凝胶的比表面积为200～300m2g-1，可推算得到凝胶的平均粒径为10nm，即混凝土中的水泥硬化基体实际上是由水化硅酸钙凝胶为主凝聚而成的初级纳米材料，但是这些纳米结构在细观上是相当粗糙的。

材料的各种性质是由其内部结构而决定的，换句话说，材料性质可以因适当地改变材料的结构而予以改性。水泥硬化浆体在微细观上具有高度不均匀性及复杂的结构，且随时间、环境湿度和温度的变化而变化。因此可以通过控制水泥硬化浆体内各相的结构，从而改善材料性能。

纳米材料在水泥混凝土中的应用研究始于上世纪90年代。研究表明，在混凝土中掺入纳米颗粒后可以使混凝土更加密实，早期强度提高，韧性增强，并可以显著提高混凝土的耐久性。因为混凝土的耐久性除了受其本身的化学组成的影响外，主要是由孔隙率、孔隙特征和微裂缝等因素决定。吴中伟[4]院士依据孔径大小可将水泥基材料的孔结构分为四类：孔径小于20nm的为无害孔，孔径在20～50nm的为少害孔，孔径在50～200nm的为有害孔，200nm以上的为多害孔。国外也有学者将孔径大于100nm的毛细孔称为有害孔。由于纳米材料的颗粒粒径小于100nm，可以对水泥硬化浆体中20～150nm的微孔起到填充效应，有效改善孔隙率和孔隙结构。并且均匀分散纳米颗粒，在水泥水化中起到类似“晶核效应”的作用，提高凝胶体形成数量并使水化产物在整个界面过渡层内分布趋于均匀。

目前用于混凝土中的纳米材料主要有硅灰、稻壳灰、纳米SiO2，纳米CaCO3和纳米纤维、碳纳米管等。

3、混凝土高温性能研究概况

国内外对混凝土的高温性能及其抗火能力、火灾后钢筋混凝土结构损伤评估以及灾后的加固修复，都做了较多的试验研究和理论分析。

尽管已有的研究报道有限，但钢纤维（SF）特别是不锈钢纤维用于高温条件下（达到1500℃）的耐火混凝土中已经被证实是有效的。国内外的研究表明钢纤维混凝土在高温下抗火性能较普通混凝土有明显的改善。钢纤维对混凝土高温性能的影响主要包括以下几个方面：混凝土在40℃～1000℃导热系数不变，限制了裂纹扩展；提高了600℃前混凝土的比热，因而在温度较低时钢纤维控制了混凝土的裂纹扩展；低于800℃时，对试件的热膨胀没有显著影响。但是目前对于钢纤维掺入对混凝土高温性能是有利还是有弊，颇有争议。钢纤维确实提高了混凝土的抗拉强度和韧性，但不能明显地降低混凝土发生爆裂的可能性。

试验研究已发现，在混凝土中掺入聚合物纤维（如聚丙烯纤维）能有效减小爆裂的机会。聚丙烯纤维（PPF）细度高（当量直径0.02～0.1mm）、数量多（0.9kg/m3的掺量充分分散可获得700～3000万根纤维单丝）、在混凝土中的纤维间距小，上述特点使聚丙爆纤维能有效限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度，而原生裂隙通常是混凝土破坏或性能劣化的起源。从此角度理解，可认为聚丙烯纤维上述阻裂效应的意义不仅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，更在于提高了材料介质的连续性，使硬化后的混凝土性能得到显著改善。

在混凝土中掺入聚丙烯纤维和钢纤维的混杂纤维后，不仅能够有效地阻止混凝土在高温下发生爆裂，并且能够较好地保持混凝土的完整性，高温后仍能承受较高荷载。温度达到180℃时，混凝土还处于自蒸阶段时，内部压力还不大，由于聚丙烯纤维的熔点低，在该温度下己经熔化，但因其液态体积远小于固态所占空间，于是形成众多小孔隙，并由于聚丙烯纤维分散的均匀性及纤维细小而量又多，使得混凝土内部孔结构发生了变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了通道，也就缓解了由于水分膨胀所形成的分压，使内部压力大大降低，防止了爆裂的产生。温度达到450℃时，钢纤维与混凝土间的粘结力下降约80%左右，但对混凝土内部裂缝的产生和发展仍能起到一定的约束作用，从而基本保证混凝土的完整性，并使得混凝土强度的降低幅度不大，高温后仍有较高的强度。这表明混杂纤维混凝土具有优异的高温性能。

4、结论

在混凝土中掺入适量的纤维和纳米材料，改善了混凝土的微观结构，增加了混凝土的密实性，提高了混凝土的物理力学性能。随着钢纤维掺量的增大，纤维混凝土抗压、劈拉和抗折性能均显著增加，受荷后的变形性能显著改善；混凝土中掺入聚丙烯纤维，有效改善了混凝土的早期性能，减少塑性干缩，高温后由于聚丙烯纤维高温熔化，在混凝土中形成均匀分布的细小孔隙，减少了混凝土受到高温时的内部蒸气压，明显降低甚至消除了混凝土的高温爆裂；掺入纳米材料，增加了混凝土的密实度，细化了水泥水化产物，改善了混凝土的微观结构，提高了混凝土的界面性能。综上，纤维纳米混凝土是满足工程实际对混凝土高性能的需求新型混凝土材料。

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作者简介

徐魏（1980-），男，汉能控股集团有限公司，工程师，硕士.