中國混凝土網[2005-5-9]網路硬碟我要建站部落格常用搜尋
[提要]本文就目前對聚丙烯纖維在混凝土中阻裂效應的意義、聚丙烯纖維對混凝土強度和耐久性的影響等模糊不清或尚存爭議的問題談了幾點看法，並從作用機理上進行了闡述。結論認為，聚丙烯纖維對混凝土效能有明顯的改善作用，但目前的試驗評價方法尚不能有效展示聚丙烯纖維的效應。引言
聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強纖維，被稱為混凝土的「次要增強筋」，適用於路面橋面、襯裡護壁、地坪等工程部位，近幾年在我國市政、公路和建築工程中已有較多應用，絕大部分工程應用效果良好。
由於摻入聚丙烯纖維改善了混凝土的品質，使混凝土的綜合使用效能得到提高。美國聯邦公路戰略計畫(shrp)通過大量試驗研究和工程經驗總結後認為，可將聚丙烯纖維等有機纖維增強混凝土當作路面高效能混凝土的一種。但作者通過和施工、設計人員的現場交流，發現一些工程技術人員對聚丙烯纖維在混凝土中的效應認識不足，認為聚丙烯纖維的功能僅是阻止混凝土發生塑裂，而對硬化混凝土的效能無積極作用；或者將聚丙烯纖維和鋼纖維的增強效果進行對比，以摻入纖維對混凝土抗折(抗拉)強度的提高程度作為評價標準。
經分析後認為，有關人員對聚丙烯纖維功能認識上的片面性，主要源於現行混凝土試驗評價方法的侷限性和長期形成的以硬化混凝土靜載強度為目標的思維定勢。本文就有關問題進行討論，並闡述作者的看法。聚丙烯纖維的阻裂效應同常用的鋼纖維相比，聚丙烯纖維的特點是細度高(當量直徑0.
02-0.1mm)、數量多(常用的0.9kg／m3的摻量充分分散可獲得700-3000萬根纖維單絲)、在混凝土中的纖維間距小。
上述特點使聚丙烯纖維能有效限制早期(塑性期和硬化初期)混凝土由於離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發生和發展，減小原生裂隙的
數量和尺度。而原生裂隙通常是混凝土破壞或效能劣化的起源。從此角度理解，可認為聚丙烯纖維的上述阻裂效應的意義，不僅在於有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發生和發展，其意義更在於通過提高材料介質的連續性，能使硬化後混凝土的效能得到顯著改善。
對於路面和橋面混凝土，由於所承受的彎拉荷載和反覆衝擊荷載，對混凝土內原生裂隙數量和尺度的敏感性較高，原生裂隙在數量和尺度上的減小對提高其使用效能是非常有利的。
存在的問題是：
①聚丙烯纖維的阻裂效應得以發揮的必要條件，是混凝土在硬化早期同時處於變形受限和失水收縮的狀態，而這樣的條件室內或現場製作的小試件並不具備。這種差異實際上體現了用小試件評定實際結構物中混凝土強度或耐久性的不足之處，對聚丙烯纖維混凝土這種傾向性更為明顯，其結果造成了對聚丙烯纖維在混凝土中作用的低估。
②聚丙烯纖維的阻裂效應尚很難通過試驗進行定量的評價。雖然有關人員模擬現場條件製作了各種試驗裝置，進行聚丙烯纖維阻裂效應的研究，但受各種偶然因素的作用，試驗結果的再現性不佳。以上因素造成了對聚丙烯纖維使用效果的低估和認識上的模糊。
在混凝土中摻入纖維材料最初的目的，就是針對因混凝土抗拉強度不足造成的易裂問題，纖維在混凝土中的阻裂效應實際上正是提高了混凝土抗拉強度的表現。但不同品種纖維因彈性模量、抗拉強度、長徑比、摻量等不同，在混凝土中阻裂效應的作用機理和效果也不相同。鋼纖維的阻裂效應體現在阻止硬化混凝土破壞時的裂縫擴充套件上，是通過使硬化混凝土在裂後仍能保持一定的抗拉強度實現的，阻裂效應作用的結果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土基材在破壞後仍保持一定的延性(假延性)，因此，鋼纖維的阻裂能力和纖維彈性模量、介面粘結強度和自身的抗拉強度有關。
而聚丙烯纖維的阻裂效應主要體現在消除或減輕了早期混凝土中原生裂隙的發生和發展，簡單的理解可認為，是通過聚丙烯纖
維提高了早期混凝土的抗拉強度實現的，進一步分析結果是，聚丙烯纖維鈍化了原生裂隙尖端的應力集中，使介質內的應力場更加連續和均勻所至。由於早期混凝土自身的抗拉強度很低，因此，聚丙烯纖維的阻裂能力和纖維的抗拉強度、彈性模量等指標並不明顯相關，而隨纖維細度的增大、混凝土中纖維間距的減小而增強。
通過以上分析可見，聚丙烯纖維和鋼纖維的阻裂效應不可相互替代，因分別改善了不同時期混凝土的效能。對於路面橋面混凝土，鋼纖維在混凝土裂後方能發揮的阻裂效應並無實際的意義，而混凝土在早期易發生塑性開裂的效能缺陷，卻可通過摻入聚丙烯纖維加以解決或改善。
聚丙烯纖維對混凝土強度的影響
聚丙烯纖維的彈性模量低(約為混凝土的1／10)、具有一定的增稠作用和弱介面效應，都是對混凝土強度不利的因素，但由於聚丙烯纖維在混凝土中常用的體積摻量很低，以上不利因素對混凝土強度的影響並不顯著。許多試件的測試結果也表明，摻入聚丙烯纖維對混凝土的強度無顯著影響或使混凝土的強度稍有降低。一些習慣於以試件的抗壓或抗折強度判定材料效能水平的工程技術人員由此得出的結論是：
聚丙烯纖維雖能阻止早期混凝土發生塑性開裂，但對硬化混凝土無增強作用。
以上認識是廣泛存在的，其片面性在於：
①小試件強度並不能代表實際結構物中混凝土的強度，當混凝土中摻入聚丙烯纖維後這種傾向性可能更加顯著，因為小試件測試結果不能展示聚丙烯纖維阻裂效應帶來的好處。
②路面橋面混凝土主要承受車輛反覆衝擊造成的疲勞作用，因此，抗動荷載能力的強弱更接近真實的材料使用效能水平，而小試件抗壓或抗折強度則是在試驗
機載入速率下測得的準靜載強度。有關試驗結果表明：雖然摻入聚丙烯纖維對混凝土的準靜載強度無顯著影響，卻能使混凝土的抗衝擊
纖維對混凝土強度的影響程度和纖維在混凝土中的體積率有關，由於**和工藝等原因，常用的纖維摻量一般較低(體積率一般不大於2％)，且纖維處於三維亂向分布的狀態，增強的效率很低，因此，正常情況下纖維均不能使混凝土裂前的抗拉強度有明顯提高。基體開裂後，可通過纖維繼續承擔荷載。當鋼纖維摻量達到一定水平時，纖維能在混凝土裂後承擔超過混凝土裂前的荷載水平，表現為提高了混凝土的極限抗拉強度。
而在進行抗折強度測試時，由於混凝土在裂後通過纖維保持了一定的抗拉能力，使受試小梁的中性軸得以提高，混凝土的抗折強度由此得以較大幅度的增長。通常測試的結果是，鋼纖維對混凝土抗折強度的提高幅度高於抗拉強度。聚丙烯纖維常用的體積摻量比鋼纖維要低得多(0.
9kg／m3的摻量相當於體積率0.1%)，這樣的摻量對混凝土裂前、裂後的強度和破壞形態幾乎無影響，且由於聚丙烯纖維自身的彈性模量較低，即使通過提高纖維摻量使混凝土裂後保持一定的抗拉強度，但過大的變形也使其實用的意義很小，因此，通常不採用高摻量聚丙烯纖維來提高混凝土抗拉(抗折)強度的作法。由於路面橋面混凝土的剛度要求，事實上無論何種纖維對混凝土裂後強度的提高作用對此類工程均無實際的意義。
由以上分析得出的結論是：對路面橋面混凝土，通常情況下，纖維對混凝土靜載或準靜載強度的影響作用，不會對實際的使用效能造成明顯影響。而大量工程實踐證實的纖維混凝土優良的使用效果，實際上是纖維提高了混凝土的抗衝擊、抗疲勞能力所致，這是通過摻入纖維使混凝土板的整體性、連續性得到改善的結果。
在這點上聚丙烯纖維和鋼纖維雖有相同的功效，但作用機理卻不盡相同。聚丙烯纖維的作用機理是通過消除或減小原生裂隙的數量和尺度，使材料介質的連續性得以提高，以及有機材料對衝擊能的吸收能力，使混凝土的抗衝擊、抗疲勞效能得以改善的。聚丙烯纖維自身較低的彈性模量，使其對荷載的傳遞能力和約束硬化混凝土裂縫擴充套件的能力相對較弱。
同聚丙烯纖維相比，鋼纖維由於在混凝土中的數量相對較少，不能有效消除或減小原生裂隙的數量和尺度，但較高的彈性模量使其具有很強的傳遞荷載的能力和約束裂縫擴充套件的能力。鋼纖維的以上功
能使路面混凝土板承受車輛的衝擊作用能在更大的板體範圍內擴散，區域性的應力集中現象得以減輕，路面橋面混凝土的抗衝擊和抗疲勞能力由此得到提高。
纖維混凝土的以上使用功能是無法通過小試件進行評定和衡量的，大量的工程實踐已對此給予了證實。在美國的一些公路和機場道面中，採用聚丙烯纖維混凝土製作超薄白色罩面，對舊路進行改造，正是利用了聚丙烯纖維混凝土優良的抗衝擊、抗疲勞效能。
聚丙烯纖維對混凝土耐久性的影響
也有一些工程技術人員認為，聚丙烯纖維主要是一種改善混凝土耐久性的材料，如果將抗疲勞效能看成是一項路面橋面混凝土的耐久性指標，上述理解當然是正確的。除此之外，聚丙烯纖維對混凝土效能的改善作用還包括：通過減少混凝土的泌水，使表面混凝土的質量得以改善，從而使混凝土的耐磨效能得以提高，以及阻裂效應能顯著改善混凝土的抗滲漏效能等。
聚丙烯纖維對混凝土的其他耐久性指標諸如抗滲透性、抗凍和抗鹽凍性、抗化學侵蝕性等也並無不利的影響，但改善程度尚待進一步研究。結語
通過以上分析得出的結論是：
①聚丙烯纖維能消除或減少混凝土中原生裂隙的數量和尺度，這種效應不僅能有效阻止混凝土發生塑性開裂，對硬化混凝土的效能也非常有益。
②聚丙烯纖維雖然不能使硬化混凝土的準靜載強度有明顯提高，但通過提高混凝土的抗衝擊能力和抗疲勞效能，使路面橋面混凝土的使用效能得以改善。
③由於在纖維細度、彈性模量等效能上的差異，聚丙烯纖維和鋼纖維對混凝土
效能的影響效果和機理不盡相同，兩者各有所長。
④由於試驗評價方法的原因，室內小試件不能充分展示聚丙烯纖維在實際工程中的使用效果，造成了對聚丙烯纖維實際使用效果的低估。
今後的研究方向應是，聚丙烯纖維和鋼纖維的復合效應、聚丙烯纖維對高強高效能混凝土效能的影響、聚丙烯纖維和矽灰或粉煤灰等活性混合材的復合效應、以及對纖維使用效果的評價方法等。對纖維混凝土的研究方法，也應更注重觀察實際工程的應用效果，而非單純通過室內小試件進行效能評價。
由於聚丙烯纖維是通過消除或減少原生裂隙的數量和尺度來改善混凝土的品質，從而實現對混凝土使用效能的改善，因此，可將摻入聚丙烯纖維作為實現混凝土高效能化的乙個重要途徑進行深入研究。
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