關(guān)于聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能影響的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

對(duì)聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能影響的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)時(shí)間：2013年4月10日來源：未知點(diǎn)擊：2次我想評(píng)論(0字體：大，中，小)文摘本文討論了聚丙烯纖維在混凝土中抗裂作用的意義以及聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響等一些模糊或有爭(zhēng)議的問題，并闡述了其作用機(jī)理。結(jié)論是聚丙烯纖維能明顯改善混凝土的性能，但目前的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法不能有效地顯示聚丙烯纖維的效果。介紹聚丙烯纖維是一種新型的鋼筋混凝土纖維，被稱為混凝土的“二次鋼筋”。適用于鋪裝橋面、襯砌防護(hù)墻、樓板等工程部位。近年來，它在我國市政、公路和建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用，大多數(shù)工程應(yīng)用效果良好。聚丙烯纖維的加入提高了混凝土的質(zhì)量，提高了混凝土的綜合使用性能。美國聯(lián)邦公路戰(zhàn)略計(jì)劃(SHRP)經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為聚丙烯纖維等有機(jī)纖維增強(qiáng)混凝土可以作為一種路面高性能混凝土。然而，通過與施工和設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場(chǎng)溝通，筆者發(fā)現(xiàn)一些工程技術(shù)人員并沒有充分了解聚丙烯纖維在混凝土中的作用，認(rèn)為聚丙烯纖維的作用只是防止混凝土塑性開裂，而對(duì)硬化混凝土的性能沒有積極的影響?；蛘弑容^聚丙烯纖維和鋼纖維的增強(qiáng)效果，以摻纖維混凝土的抗折強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度)的提高程度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過分析，認(rèn)為相關(guān)人員對(duì)聚丙烯纖維功能認(rèn)識(shí)的片面性主要是由于現(xiàn)行混凝土試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的局限性和針對(duì)硬化混凝土靜荷載強(qiáng)度的既定思維定勢(shì)。本文就相關(guān)問題進(jìn)行了探討，并闡述了作者的觀點(diǎn)。與普通鋼纖維相比，聚丙烯纖維具有細(xì)度高(當(dāng)量直徑0.02-0.1毫米)、數(shù)量大(普通0.9公斤/立方米摻量充分分散可獲得700-3000萬根纖維單絲)、在混凝土中纖維間距小的特點(diǎn)。上述特性使聚丙烯纖維能夠有效限制早期(混凝土塑性階段和早期硬化階段)由離析、泌水、收縮等因素形成的初始裂縫的發(fā)生和發(fā)展，減少初始裂縫的數(shù)量和規(guī)模。然而，初始裂縫通常是混凝土失效或性能退化的根源。從這一點(diǎn)來看，可以認(rèn)為聚丙烯纖維的上述抗裂效果的意義不僅在于有效防止早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，而且在于通過改善材料介質(zhì)的連續(xù)性來顯著改善硬化混凝土的性能。對(duì)于路面和橋面混凝土，由于彎曲和拉伸荷載以及反復(fù)沖擊荷載的作用，對(duì)混凝土中初始裂縫的數(shù)量和規(guī)模高度敏感，減少初始裂縫的數(shù)量和規(guī)模對(duì)提高其使用性能非常有利。問題是：(1)發(fā)揮聚丙烯纖維抗裂效果的必要條件是混凝土在硬化早期處于變形限制和脫水收縮狀態(tài)，這是室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)制作的小試件所不具備的。這種差異實(shí)際上反映了在實(shí)際結(jié)構(gòu)中使用小試件來評(píng)估混凝土強(qiáng)度或耐久性的不足。這種趨勢(shì)在聚丙烯纖維混凝土中更為明顯，這導(dǎo)致人們低估了聚丙烯纖維在混凝土中的作用。(2)通過實(shí)驗(yàn)仍難以定量評(píng)價(jià)聚丙烯纖維的抗裂效果。雖然相關(guān)人員制作了各種試驗(yàn)裝置來模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，研究聚丙烯纖維的抗裂效果，但由于各種偶然因素，試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較差。上述因素導(dǎo)致了對(duì)聚丙烯纖維使用效果的低估和理解的模糊。在混凝土中添加纖維材料的初衷是為了解決混凝土抗拉強(qiáng)度不足而容易開裂的問題。纖維在混凝土中的抗裂作用實(shí)際上改善了混凝土的抗拉強(qiáng)度性能。然而，由于不同品種纖維的彈性模量、抗拉強(qiáng)度、長(zhǎng)徑比和摻量不同，混凝土抗裂效果的機(jī)理和效果也不同。鋼纖維的抗裂作用體現(xiàn)在硬化混凝土破壞時(shí)防止裂縫擴(kuò)大。這是通過在開裂后保持硬化混凝土的一定抗拉強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的?？沽研Ч慕Y(jié)果是提高硬化混凝土的變形能力，并在損壞后保持混凝土基底的一定延展性(偽延展性)。因此，鋼纖維的抗裂能力與纖維彈性模量、界面粘結(jié)強(qiáng)度及其抗拉強(qiáng)度有關(guān)。然而，聚丙烯纖維的抗裂作用主要體現(xiàn)在消除或減少混凝土早期初始裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。一個(gè)簡(jiǎn)單的理解可以認(rèn)為是通過聚丙烯纖維提高早期混凝土的抗拉強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。進(jìn)一步的分析結(jié)果表明，聚丙烯纖維鈍化了主裂紋尖端的應(yīng)力集中，使介質(zhì)中的應(yīng)力場(chǎng)更加連續(xù)和均勻。由于早期混凝土本身抗拉強(qiáng)度較低，聚丙烯纖維的抗裂性與纖維的抗拉強(qiáng)度和彈性模量沒有明顯關(guān)系，但隨著纖維細(xì)度的增加和混凝土中纖維間距的減小而增加。從以上分析可以看出，聚丙烯纖維和鋼纖維的抗裂效果不能相互替代，因?yàn)椴煌瑫r(shí)期混凝土的性能都有所提高。對(duì)于路面和橋面混凝土，鋼纖維在混凝土開裂后發(fā)揮的抗裂作用沒有實(shí)際意義，而混凝土早期易塑性開裂的性能缺陷可以通過添加聚丙烯纖維來解決或改善。聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響聚丙烯纖維的低彈性模量(約為混凝土的1/10，具有一定的增稠效應(yīng)和弱界面效應(yīng))都是不利于混凝土強(qiáng)度的因素。然而，由于混凝土中常用聚丙烯纖維的體積含量較低，上述不利因素對(duì)混凝土強(qiáng)度沒有明顯影響。許多試件的試驗(yàn)結(jié)果也表明，聚丙烯纖維的加入對(duì)混凝土的強(qiáng)度沒有顯著影響，或略有降低。一些習(xí)慣于通過試件的抗壓強(qiáng)度或抗折強(qiáng)度來判斷材料性能水平的工程師和技術(shù)人員得出結(jié)論，雖然聚丙烯纖維能防止早期混凝土塑性開裂，但對(duì)硬化混凝土沒有增強(qiáng)作用。上述認(rèn)識(shí)是普遍的，其片面性在于：(1)在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，小試件的強(qiáng)度并不代表混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)聚丙烯纖維摻入混凝土中時(shí)，這種趨勢(shì)可能更加明顯，因?yàn)樾≡嚰脑囼?yàn)結(jié)果不能顯示聚丙烯纖維抗裂效果帶來的好處。(2)路面和橋面混凝土主要受車輛反復(fù)沖擊造成的疲勞。因此，抗動(dòng)載強(qiáng)度更接近實(shí)際材料性能水平，而小試件的抗壓或抗折強(qiáng)度是在試驗(yàn)機(jī)加載速率下測(cè)得的準(zhǔn)靜態(tài)載荷強(qiáng)度。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，雖然添加聚丙烯纖維對(duì)混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)荷載強(qiáng)度沒有顯著影響，但可以使混凝土抵抗沖擊。纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度與混凝土中纖維的體積比有關(guān)。由于價(jià)格和技術(shù)等原因，常用纖維含量普遍較低(體積比一般不超過2%)，纖維呈三維隨機(jī)分布狀態(tài)，增強(qiáng)效率很低。因此，在正常情況下，纖維不能顯著提高混凝土開裂前的抗拉強(qiáng)度?；w開裂后，纖維可以繼續(xù)承受載荷。當(dāng)鋼纖維含量達(dá)到一定水平時(shí)，混凝土開裂后的纖維比混凝土開裂前能承受更多的荷載水平，表明混凝土的極限抗拉強(qiáng)度有所提高。但是，在抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)中，混凝土開裂后通過纖維保持一定的抗拉強(qiáng)度，提高了被測(cè)小梁的中性軸，從而可以大大提高混凝土的抗彎強(qiáng)度。一般來說，試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼纖維對(duì)混凝土抗彎強(qiáng)度的提高大于抗拉強(qiáng)度。聚丙烯纖維的體積含量遠(yuǎn)低于鋼纖維(0.9千克/立方米的體積含量相當(dāng)于體積比的0.1%)。這種含量對(duì)混凝土開裂前后的強(qiáng)度和破壞模式影響不大。此外，由于聚丙烯纖維本身彈性模量低，即使混凝土在開裂后通過增加纖維含量保持一定的抗拉強(qiáng)度，過度變形也沒有什么實(shí)際意義。因此，高含量的聚丙烯纖維通常不用于提高混凝土的抗拉強(qiáng)度(抗彎強(qiáng)度)。由于路面和橋面混凝土的剛度要求，實(shí)際上，無論哪種纖維能提高混凝土開裂后的強(qiáng)度，對(duì)這類工程都沒有實(shí)際意義。從以上分析中得出的結(jié)論是，對(duì)于路面橋面混凝土，在正常情況下，纖維對(duì)混凝土的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)荷載強(qiáng)度的影響不會(huì)顯著影響實(shí)際性能。然而，大量的工程實(shí)踐證明，纖維混凝土優(yōu)異的使用效果實(shí)際上是由于纖維提高了混凝土的抗沖擊性和抗疲勞性，這是通過添加纖維改善混凝土板的整體性和連續(xù)性的結(jié)果。在這方面，雖然聚丙烯纖維和鋼纖維具有相同的效果，但作用機(jī)理不同。聚丙烯纖維的作用機(jī)理是通過消除或減少原生裂縫的數(shù)量和規(guī)模，提高材料介質(zhì)的連續(xù)性和有機(jī)材料對(duì)沖擊能量的吸收能力，從而提高混凝土的抗沖擊性能和抗疲勞性能。聚丙烯纖維具有相對(duì)較低的彈性模量，這使得其傳遞載荷和抑制硬化混凝土裂紋擴(kuò)展的能力相對(duì)較弱。與聚丙烯纖維相比，鋼纖維由于其在混凝土中的含量相對(duì)較少，不能有效地消除或減少初始裂縫的數(shù)量和規(guī)模，但其較高的彈性模量使其具有很強(qiáng)的傳遞荷載和抑制裂縫擴(kuò)展的能力。鋼纖維的上述功能使路面混凝土板能夠吸收車輛的沖擊，并在板體的較大范圍內(nèi)擴(kuò)散，從而降低局部應(yīng)力集中，提高路面橋面混凝土的抗沖擊性能和抗疲勞性能。纖維混凝土的上述使用功能不能用小試件來評(píng)價(jià)和測(cè)量，這已被大量工程實(shí)踐所證實(shí)。在美國的一些道路和機(jī)場(chǎng)，聚丙烯纖維混凝土被用來制作超薄的白色路面，舊的道路也進(jìn)行了改造。正是利用了聚丙烯纖維混凝土優(yōu)異的抗沖擊性能和抗疲勞性能。聚丙烯纖維對(duì)混凝土耐久性的影響一些工程師和技術(shù)人員還認(rèn)為聚丙烯纖維主要是一種提高混凝土耐久性的材料。如果把抗疲勞性能作為路面和橋面混凝土的耐久性指標(biāo)，上述認(rèn)識(shí)當(dāng)然是正確的。此外，聚丙烯纖維還可以通過減少混凝土泌水、提高混凝土表面質(zhì)量來改善混凝土性能，從而提高混凝土的耐磨性，抗裂效果可以顯著提高混凝土的抗?jié)B性。聚丙烯纖維對(duì)混凝土的其他耐久性指標(biāo)如抗?jié)B性、抗凍性、抗鹽凍性、化學(xué)侵蝕性等沒有不利影響(1)聚丙烯纖維可以消除或減少混凝土中的初級(jí)裂縫的數(shù)量和規(guī)模。這種效果不僅能有效防止混凝土塑性開裂，而且對(duì)硬化混凝土的性能非常有利。(2)雖然聚丙烯纖維不能顯著提高硬化混凝土的準(zhǔn)靜態(tài)荷載強(qiáng)度，但通過提高混凝土的抗沖擊性能和抗疲勞性能，可以改善路面和橋面混凝土的使用性能。(3)由于纖維細(xì)度、彈性模量等性能的差異，聚丙烯纖維和鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響和機(jī)理不同，各有優(yōu)勢(shì)。(4)由于試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的原因，室內(nèi)小試件無法充分展示聚丙烯纖維在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果，導(dǎo)致低估了聚丙烯纖維的實(shí)際應(yīng)用效果。未來的研究方向應(yīng)該是聚丙烯纖維與鋼纖維的復(fù)合效應(yīng)、聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土性能的影響、聚丙烯