關于聚丙烯纖維對混凝土性能影響的幾點認識

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1、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”，適用于路面橋面、襯里護壁、地坪等工程部位，近幾年在我國市政、公路和建筑工程中已有較多應用。從1997 年至今，僅在天津市道路和橋面工程中，聚丙烯纖維混凝土的用量已達到10 多萬m2，聚丙烯纖維的總用量近20 噸，絕大部分工程應用效果良好。
    由于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性能得到提高。美國聯邦公路戰(zhàn)略計劃(SHRP) 通過大量試驗研究和工程經驗總結后認為，可將聚丙烯纖維等有機纖維增強混凝土當作路面高性能混凝土的一種〔1〕。但作者通過和施工、設計人員的現場交流，發(fā)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(fā)生塑裂,而對硬化混凝土的性能無積極作用；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。經分析后認為，有關人員對聚丙烯纖維功能認識上的片面性，主要源于現行混凝土試驗評價方法的局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，并闡述作者的看法。
    2、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) 混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)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性能劣化的起源。從此角度理解,可認為聚丙烯纖維的上述阻裂效應的意義，不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，其意義更在于通過提高材料介質的連續(xù)性，,能使硬化后混凝土的性能得到顯著改善。對于路面和橋面混凝土，由于所承受的彎拉荷載和反復沖擊荷載，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性能是非常有利的。
    存在的問題是: ①聚丙烯纖維的阻裂效應得以發(fā)揮的必要條件，是混凝土在硬化早期同時處于變形受限和失水收縮的狀態(tài)，而這樣的條件室內或現場制作的小試件并不具備。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制作了各種試驗裝置，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展上，是通過使硬化混凝土在裂后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后仍保持一定的延性(假延性),因此,鋼纖維的阻裂能力和纖維彈性模量、界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(fā)生和發(fā)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(xù)和均勻所至。由于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、彈性模量等指標并不明顯相關，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性能。對于路面橋面混凝土，鋼纖維在混凝土裂后方能發(fā)揮的阻裂效應并無實際的意義，而混凝土在早期易發(fā)生塑性開裂的性能缺陷，卻可通過摻入聚丙烯纖維加以解決或改善。
   3、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界面效應，都是對混凝土強度不利的因素，但由于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并不顯著。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。一些習慣于以試件的抗壓或抗折強度判定材料性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(fā)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,其片面性在于：①小試件強度并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后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復沖擊造成的疲勞作用，因此，抗動荷載能力的強弱更接近真實的材料使用性能水平，而小試件抗壓或抗折強度則是在試驗機加載速率下測得的準靜載強度。有關試驗結果表明〔2〕雖然摻入聚丙烯纖維對混凝土的準靜載強度無顯著影響，卻能使混凝土的抗沖擊能力和抗疲勞能力顯著提高。
    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，由于價格和工藝等原因，常用的纖維摻量一般較低(體積率一般不大于2%) ，且纖維處于三維亂向分布的狀態(tài)，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?；炷粱w裂后，可通過纖維繼續(xù)承擔荷載。當鋼纖維摻量達到一定水平時,纖維能在混凝土裂后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，由于混凝土在裂后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于抗拉強度。聚丙烯纖維常用的體積摻量比鋼纖維要低得多(9kg/ m3 的摻量相當于體積率011%) ，這樣的摻量對混凝土裂前、裂后的強度和破壞形態(tài)幾乎無影響,且由于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后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,通常不采用高摻量聚丙烯纖維來提高混凝土抗拉(抗折) 強度的作法。由于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后強度的提高