聚丙烯纤维对混凝土性能的影响分析
作者 :  黄昊 邹明琦

  摘要:聚丙烯纤维被称为混凝土的“次要加强筋”,适用于路面、桥面等工程,掺入纤维后对水泥混凝土性能的主要改善在于增强混凝土的韧性。本文分析了纤维增强理论,并在此基础上探讨了聚丙烯纤维对混凝土性能的影响。
  关键词:聚丙烯纤维 混凝土性能 增强机理 影响
  
  1、纤维增强理论概述
  纤维对混凝土增强作用的理论目前主要有纤维阻裂理论和复合材料理论。纤维阻裂理论又称“纤维间距理论”,由Romualdi /Batson 和 Mandel提出。这种理论根据线弹性力学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为在混凝土内部存在固有缺陷,如要提高强度,必须尽可能减小缺陷程度,提高韧性,降低混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。
  纤维阻裂理论首先假设纤维混凝土块体中有许多细钢丝沿着拉应力作用方向按棋盘状均匀分布,细钢丝的平均中心间距为某一定值s。由于拉应力作用,水泥基体中凹透镜形状的裂缝端部产生应力集中系数k0,当裂缝扩展到基体界面时,在界面上会产生对裂缝起约束作用的剪应力并使裂缝趋于闭合。此时在裂缝顶端即会有与k0相反的另一应力集中系数-kp,于是总的应力集中系数就下降为k0-kp。
  关于纤维间距理论或者纤维阻裂理论的通俗解说是:当纤维均匀分布在混凝土中时可以起到阻挡块体中微裂缝发展的作用。假定混凝土块体内部存在有发生微裂缝的倾向,当任何一条微裂缝发生,并且可能向任何方向发展时,这条裂缝在最远不超过纤维混凝土块体内纤维平均中心距离s的路程之内就会遇到横在它面前的一条纤维。由于这些纤维的存在,使裂缝发展受阻,只能在混凝土块体内部形成类似于无害孔洞的封闭的空腔或者非常细小的孔。
  复合材料理论则是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看作一个多相系统,其性能乃是各个相的性能的加和值。混凝土从本质上说就是一种复合材料。我国混凝土科学技术的先驱和奠基人、工程院院士吴中伟教授在水泥基复合材料的科学研究方面提出了具有创建性的思路。早在1959年,吴中伟教授发表“中心质效应假说”,把水泥基复合材料的不同层次结合在一起。吴中伟教授认为,中心质效应是可以叠加的。这种思路的内核,正是复合材料理论的精髓。复合材料之所以需要复合,目的是为了改善材料的力学性能。而材料复合的前提是那些基础材料分别具有不同的性能特点,同时它们在相互结合的时候没有或者基本上没有不良的后果。
  在纤维混凝土中,纤维材料与水泥基体之间应该形成不存在负效应的良好复合体。其中最重要的前提有两个:一是纤维材料具有严格稳定的化学性质,即使在水泥水化时产生的强烈碱性物质也能安之若素,不发生任何变化;第二是纤维具有良好的自分散性,能够在正常混凝土制备所要求的搅拌时间之内完成在混凝土整体内无所不在的均匀性分散过程。
  2、聚丙烯纤维对混凝土性能的影响分析
  聚丙烯纤维加入水泥基体中,理论上会对混凝土产生以下几种性能影响:(1)增稠作用,(2)影响基体的强度,(3)阻止基体中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现,(4)影响基体的耐久性。
  2.1聚丙烯纤维的增稠效应
  加入聚丙烯纤维后,混凝土的工作性方法改变,坍落度降低、离析和泌水减少。在新拌混凝土中,均匀散布的聚丙烯纤维在混凝土中呈现三维网状结构,起到了支撑集料的作用,其作用效果为阻止了粗、细集料的相继沉降,即粗集料首先下沉,然后是细集料。由于聚丙烯纤维的存在,同时也可以减少混凝土表面的析水。在混凝土中,水、料分开的现象称为“离析”,其不仅影响混凝土的匀质性,同时因混凝土表面层存在较多的水泥净浆或含有较细集料的水泥砂浆,使得表层失水迅速而发生较大的收缩,从而导致混凝土表面出现比较多的裂缝,这种裂缝通常被称为“沉降裂缝”。辅特维纤维长度较普通纤维长为54mm,单位质量的纤维根数较少,因此体现出来的增稠作用相当明显。本研究证明:当掺加0.9kg/m3辅特维纤维的混凝土,不掺加减水剂时,坍落度非常小。
  2.2关于聚丙烯纤维在混凝土中对强度的贡献
  根据目前已经收集到的资料,可以观察到性质完全相反的两种结论。有报告称,掺加聚丙烯纤维的混凝土比未掺加聚丙烯纤维的混凝土无论是抗压强度还是抗折强度都有明显提高。但是也有观点声明:在混凝土中掺加一般的低弹性模量的化学纤维通常并不能提高混凝土的轴心抗压强度,低掺率合成纤维对混凝土的抗压、抗拉与抗弯强度以及杨氏弹性模量均无明显的影响。并认为那些“表明低掺量的合成纤维即可适度提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯等强度的指标”的试验结果“很可能是带选择性的”。有些研究报告结果甚至反映由于聚丙烯纤维的加入使其混凝土的抗压强度还有所降低。
  根据前面力学性能试验研究结果可知,对于聚丙烯纤维辅特维纤维而言,掺入一定量时混凝土的抗折和抗压强度有一定程度的提高,这并不意味着在混凝土中掺加聚丙烯纤维对于混凝土强度,就一定是增强作用。据此推断的结论应该是:首先,聚丙烯纤维对混凝土的力学强度的改性作用与纤维本身的物理性能,如长径比、抗拉强度,纤维掺量及纤维的形式有关。其次,由前面试验可知,纤维混凝土的施工工艺,即拌和方式、搅拌时间、振动时间对混凝土的强度也有一定的影响;再次,混凝土强度试验和观测结果的离散性及纤维混凝土配比对强度的影响,可能影响聚丙烯纤维本身对改变混凝土强度的贡献能力。虽然聚丙烯纤维混凝土的主要研究方向为耐久性及疲劳性能等方面,但是了解聚丙烯纤维对混凝土的力学性能的贡献,有利于路面纤维混凝土的工程应用。
  2.3 聚丙烯纤维在水泥混凝土中阻止基体中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现
  在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维,可降低微裂缝尖端的应力集中,防止微裂缝扩展,并可防止连通裂缝的出现。当混凝土原生裂隙在扩张过程中遇到纤维时,纤维将迫使裂缝改变延伸方向或跨越纤维形成更细小的裂纹,在此过程中裂缝扩张的能量得以消耗。当混凝土中出现破坏性裂缝时,由于裂缝的前端与纤维相交,纤维起到跨裂缝传递荷载的桥梁作用,钝化了裂缝尖端的应力集中,使得引起裂缝的拉应力得以消弱或消除。由于聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分布,故可使裂缝的发展得到有效的抑制,达到了抗裂的目的。
  2.4聚丙烯纤维的加入,影响基体耐久性
  从以往的研究可知,辅特维纤维的加入,使混凝土的疲劳性、抗冲击能力、耐磨性能得到良好的改善。
  混凝土中加入聚丙烯纤维凝固后,握裹水泥的高强纤维丝相互粘接成为致密的、乱向分布的网状增强系统,有利于防止并控制微裂缝的产生和发展,并增强了混凝土的韧性。同时由于有效改善了泌水性,对于早期养护大有裨益。相关的干缩试验表明,水泥水化早期,聚丙烯纤维混凝土比普通水泥混凝土可保持更多的水分,这样水泥的水化反应更彻底,骨料离析减少,级配更加均匀,其表面强度较之普通混凝土更强。聚丙烯纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起,极大地保持了混凝土的整体强度,混凝土在受到冲击时聚丙烯纤维吸收了大量能量,从而有效减少了应力集中的作用,阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展,增强了混凝土的耐磨性能、疲劳性能、抗冲击能力。
  
  
  参考文献
  1.姚武,马一平,淡慕华,吴科如.聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究(Ⅱ)-力学性能.建筑学报,2000.9
  2.黄昊,聚丙烯纤维改性混凝土路用性能研究.长安大学硕士论文,2005. 6

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