玻璃纤维混凝土发展展望

【摘 要】玻璃纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性，是理想的多功能增强材料。如果把纤维材料加在混凝土拌合物中，一定会提高混凝土的抗拉强度、抗弯强度等性能，玻璃纤维长度和掺量在一定范围内也能增加混凝土强度。

【关键词】玻璃纤维；混凝土；性能

1、概述

由于传统混凝土的材料本身就存在着抗拉强度较低、延性很差、在冲击荷载或拉应力的作用下极为容易产生脆性破坏等缺陷，此外它的耐磨性、抗收缩性等耐久性能也普遍较差，以上这些缺点在极大的程度上影响并阻碍了混凝土的更进一步的应用。

国际材料科学的工作者和工程界进行并展开了大量的科学的探索及研究，现在一致认为，在水泥基材料中掺加纤维有利于混凝土克服它自身所存在的缺点，从而改善混凝土的性能并进一步扩大了混凝土的应用领域。其中，玻璃纤维增强混凝土（ Glass Fiber Reinforced Concrete，GFRC ）的优越性能开始引起更为广泛的关注。目前，人们对于玻璃纤维混凝土的科学与试验的研究还比较少[1]。

2、原材料的研究与发展概况

2.1 混凝土

混凝土虽然拥有众多优势，但其对环境的影响却不能忽视。混凝土每年大约消耗15亿吨的水泥和近90亿吨的天然砂石料，可以说是世界上最大的天然资源用户，其生产和应用必将给生态环境带来许多不利的影响。所以混凝土就必然面临这一问题所带来的冲击，可持续经济、循环经济、节能减排等一系列国家政策要求混凝土必须走绿色之路。

许多工业废料例如煤热电厂排放的粉煤灰、炼钢厂排放的粒化高炉矿渣、工业燃煤后留下的未能充分燃烧的煤矸石，生产硅金属的排放的硅灰等都可以用来代替部分水泥，而不降低混凝土的性能。旧有建筑的拆迁改造提供了大量的建筑垃圾，如果加以合理利用，可以大量替代混凝土中粗集料以节约自然资源，目前，世界各国开展再生混凝土的研究内容日渐增多。在混凝土中掺加一定量的纤维材料可以改善混凝土的一系列缺点，可制造出高性能的纤维混凝土。

2.2 玻璃纤维

玻璃纤维的分类方法很多。一般情况下可以从玻璃原料成分、单丝直径、纤维外观、纤维特性等方面进行分类。

玻璃纤维具有一系列的优良性能，尤其是密度低、断裂强度高、尺寸稳定性好、硬度较高和较好的耐热性能[2]等几个方面。

3、玻璃纤维混凝土

3.1 不同纤维在混凝土基体中所起的作用

把纤维掺入混凝土中使得混凝土性能发生明显的改善，将纤维混凝土的特点归纳如下：

（1）与普通混凝土相比，纤维混凝土的抗拉强度、抗折强度、抗剪强度均有提高，尤其是对于高弹模纤维混凝土或高含量纤维混凝土提高的幅度更大。

（2）纤维在基体中可明显降低早期收缩裂缝，并可降低温度裂缝和长期收缩裂缝，阻止水泥基体原有缺陷（微裂缝）的扩展并有效延缓新裂缝的出现。

（3）纤维混凝土的收缩变形和徐变变形较基体混凝土有一定程度的降低。

（4）纤维混凝土的抗压疲劳和弯拉疲劳性能，以及抗冲击和抗爆裂性能显著提高。

（5）高弹模纤维增强混凝土用于钢筋混凝土和预应力混凝土构件，可显著提高构件的抗剪强度、抗冲切强度、局部受压强度和抗扭强度并延缓裂缝出现，降低裂缝宽度，提高构件的裂后刚度，提高构件的延性。

（6）由于纤维可降低混凝土微裂缝和阻止宏观裂缝扩展，故可使其耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度的提高；使侵蚀介质浸入基体的速率降低，对钢筋混凝土构件中钢筋的防腐蚀有利。

在混凝土中，并非所有的纤维都能起到完全相同的作用，这是由于不同的纤维分别具有的个性所决定的等。

3.2 玻璃纤维混凝土的性能优势

（1）优良的防裂抗渗功能。由于耐碱玻璃纤维的单丝直径仅为11?m～15?m，与其他纤维相比具有较大的比表面积，因而同等质量的耐碱玻璃纤维可以握裹更多的水泥基材料，与水泥基体有更紧的结合力，同时纤维在水泥基体内部形成一种均匀的三维乱向分布支撑体系，从而产生一种有效的加强效果，防止微裂缝的产生与扩展，达到抗渗防渗的目的，典型的应用为玻璃纤维喷射混凝土。

（2）较好的力学性能。用耐碱玻璃纤维增强混凝土，可使混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击、耐磨性、弯曲疲劳等性能得到较大地改善。

（3）优越的耐火，抗冻，耐温度、湿度变化性能以及耐久性。耐碱玻璃纤维是一种完全不燃烧的材料，软化点为860℃，其使用环境温度范围大，可抗冻融循环100次以上，有适应骤冷骤热、干湿交替的能力。

（4）绿色环保。耐碱玻璃纤维原材料来源于硅酸盐类矿物质，不产生有害气体，对人体、大气无害；生产玻璃纤维混凝土的工厂和建筑工地废料可直接加以利用，也可用它作为混凝土中人工集料，尤其是在没有足够或合适集料的地区[3]。

3.3 玻璃纤维混凝土的增强机理

玻璃纤维混凝土中纤维的增强机理可归结为两种，即纤维间距机理和复合材料混合机理。纤维混凝土断裂时，裂缝扩展过程中可以遇到下列物理效应：第一，裂缝尖端遇到纤维时会引起纤维与基体结合的解离，从而减缓裂缝尖端的应力集中，甚至终止纤维裂缝的扩展；第二，引起纤维的断裂；第三，使纤维从基体中拔出。因此，玻璃纤维混凝土中加入玻纤改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、抗冲击、抗疲劳以及断裂韧性，合理玻璃纤维体积率应选择2%左右，纤维过短、过长都不利于混凝土强度的增加，当纤维的长度为20mm时，强度影响最明显。在纤维掺量和长度一定的情况下能提高混凝土的抗压强度。

3.4 玻璃纤维混凝土目前应用

玻璃纤维混凝土与石棉水泥制品相比，有着良好的抗冲击性能，而与玻璃钢相比又具有较好的耐火性，在我国这种新形的材料正在蓬勃发展， 其应用领域也日趋扩大，但因其耐久性有待进一步的研究，故仅用于非承重构件和制品，目前GRC 得到广泛应用的领域有：

建筑工程： 屋面瓦、外壁面板、复合外墙板、天花板和隔墙板。

农业工程； 沼气池、热水器、太阳能灶壳体和粮仓。

土木工程： 模板、挡土墙和水下管道。

市政工程： 候车亭、售货亭和书报亭[4]。

4、玻璃纤维混凝土的今后展望

在过去十几年里的研究与应用证明，玻璃纤维混凝土作为一种高性能的新型建筑材料，是经得住时间考验的，其应用量正逐年上升，但是它在我国的发展和应用相对落后，应用范围窄，使用量小，要使其进一步发展，特别是在我国推广应用， 需从以下两个方面努力：

（1）改进生产工艺， 培训专业队伍；

（2）制定行业标准，指导设计、施工等；

（3）增加玻璃纤维再生混凝土研究。；

目前，玻璃纤维混凝土主要应用于非承重构件，世界各国正在研究把玻璃纤维混凝土用于承重结构，如果以上几个问题得到解决，玻璃纤维混凝土的用途会越来越广，它将大量地取代传统的建筑材料，成为广泛应用的新型结构的工程材料[5]。

参考文献：

[1]方汉中. 世界建筑材料[M]， 科学普及出版社， 1992： 11～15.

[2]龚洛书. 混凝土实用手册[M]. 中国建筑工业出版社， 1987： 272～283.

[3]陈运本， 陆洪彬. 无机非金属材料综合试验[M]. 北京： 化学工业出版社， 2007： 252～255.

[4]康乃岩， 李秋平， 刘乃芸. 玻璃纤维混凝土研究进展与工程应用[M]. 北京： 中国建材出版社， 2006： 13～18.

[5]代若愚， 程赫明， 何天淳. 玻璃纤维混凝土的力学性能研究[J]. 昆明冶金高等专科学校学报， 2009， 25（1）： 48～51.

作者简介：

张广山，男，1968年2月出生，毕业于哈尔滨工业大学工程管理专业，本科，现主要从事于建设工程项目管理工作。