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纤维增强的历史 [ 2017-09-07 ]

钢筋混 凝土被认为是现代建筑领域的一个进步。混凝土 的抗压强度很高,但抗拉强度很低,并且呈脆性断裂。钢筋因 此被加入到混凝土中,来提高 混凝土的抗拉强度。传统的 钢筋可以有效的分散和控制导致混凝土开裂并最终断裂的拉伸应变力。虽然钢 筋混凝土已经被成功使用了很多年,但还是 存在着很多的缺陷。

钢筋增强的缺点

钢筋在购买、运输和 储存方面成本较高。搭架钢 筋会消耗大量的时间和人力,有时还 不得不在困难和危险的地方搭架钢筋。更严重的是,钢筋生锈腐蚀的本质,会成为 混凝土结构中的“癌症”。建筑工 程会因为钢筋的生锈腐蚀而导致整个混凝土结构的破坏,修复这种破坏,有时需 要对钢结构进行拆除,维修成本十分昂贵。

合成纤维的介绍

和我们一样,许多工 程师和设计师认为解决上述钢筋问题的方法就是使用其他材料取代传统的钢筋增强。20世纪之 前人们常常在建筑工程中使用马毛和稻草,20世纪初 期石棉纤维被广泛使用。到了1950年复合 材料迅速发展逐渐取代石棉纤维。1970年钢纤 维被广泛接受来取代传统的钢筋增强。然而,钢纤维 和传统的钢筋增强一样,也容易生锈腐蚀。钢纤维用量较高时,难以均 匀分散在混凝土中,因此还 需改变混凝土的配合比。使用钢 纤维在施工中还会扎伤工人,在喷射 混凝土中对喷射设备也会有很大的磨损。

为了解 决钢材料成本高和耐久性差的问题,人们一 直在寻找可行的代替方法。细合成 纤维和粗合成纤维随后被科学家认为是最有前景的可代替钢材料的纤维。细合成纤维,长度通常是6-20 mm,直径是几十微米,质地和马毛接近,每立方 米混凝土通常添加1-2 kg。细合成 纤维可以有效控制混凝土的塑性收缩并可有效防止火灾中混凝土的剥落。然而,细合成 纤维不会在结构上增强混凝土,因此不 能用来取代传统的钢材料增强。1980年至1990年随着 纺织和纤维工业生产技术的发展,粗合成 纤维取代钢筋和钢纤维开始变得可行了。

工程合成粗纤维

作为粗 合成纤维的一种,1990年工程 合成粗纤维在国际工程中第一次被使用结构性地增强混凝土,取代混 凝土中控制开裂的钢筋网。工程合 成粗纤维的尺寸和钢纤维类似,可以提 供接近甚至比钢纤维和钢筋网更高裂后受弯承载力。工程合 成粗纤维长度通常为30-65 mm,拉伸强度在400-700 MPa之间,每立方 米混凝土的使用量为2.5-10 kg。

时科工程合成粗纤维,与钢纤 维或钢筋网相比有很多优势:

l 降低工程成本;

l 延长使用寿命,不会产 生生锈腐蚀问题;

l 裂后承载力与SL82钢筋网相同;

l 提高混凝土韧性;

l 有效减 少混凝土因为塑性收缩和温度变化而产生的裂缝;

l 省去搭 架钢筋网所需要的弯曲、切断和安置网片工作,极大地提高施工效率;

l 和使用 钢筋和钢纤维相比,工程合成粗纤维更轻、更安全;

l 可以和 混凝土预拌好后,与混凝 土一起运送至工地;

l 减少温室气体的排放。

工程合 成粗纤维最初被广泛使用是在澳大利亚的矿井工程上。那个时 候澳大利亚大多数的地下矿井工程都使用钢纤维喷射混凝土。然而,钢纤维损害喷射设备,纤维回 弹刺伤施工人员,并且由 于钢纤维易生锈腐蚀,工程还 需要大量的维修工作。工程合 成粗纤维消除了以上钢纤维存在的问题,可以带 来巨大的经济效益。因此,工程合 成粗纤维在澳大利亚的地下矿业中被大量使用,如今澳大利亚超过90%的地下 矿井工程指定使用工程合成粗纤维。

随着国 际上越来越多的工程都选择使用工程合成粗纤维,大量关 于工程合成粗纤维的测试标准和技术规范已经出台,如EN 14651、ASTM C1609、ASTM C1550、EN 14488-5、EN 10002-1、ASTM D7508。工程合 成粗纤维也被广泛应用在各类路面、工业地坪、机场跑道、预制混凝土构件、地铁管片、水电站、无渣轨 道混凝土盖板等,来取代钢筋、钢纤维或钢筋网,提高混 凝土的裂后性能,控制混凝土的开裂,提高工程的耐久性。

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