關(guān)于聚丙烯纖維網(wǎng)對混凝土性能影響的幾點(diǎn)認(rèn)識

1 引言
聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，被稱為混凝土的“次要加強(qiáng)筋”，適用于路面橋面、襯里護(hù)壁、地坪等工程部位，近幾年在我國的市政、公路和建筑工程中已有較多應(yīng)用。從1997年至今，僅在天津道路和橋面工程中聚丙烯纖維混凝土的用量已達(dá)到十幾萬平方米，聚丙烯纖維的總用量近20噸，絕大部分工程應(yīng)用效果也較好。
由于摻入聚丙烯纖維改善了混凝土的品質(zhì)，使混凝土的綜合使用性能得到提高，美國聯(lián)邦公路戰(zhàn)略計(jì)劃（SHRP）通過大量試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后認(rèn)為可將聚丙烯纖維等有機(jī)纖維增強(qiáng)混凝土當(dāng)作路面高性能混凝土的一種。但作者通過和施工、設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場交流，發(fā)現(xiàn)很多工程技術(shù)人員對聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng)認(rèn)識不足，認(rèn)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(qiáng)效果進(jìn)行對比，以摻入纖維對混凝土抗折（抗拉）強(qiáng)度的提高程度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析后認(rèn)為，有關(guān)人員對聚丙烯纖維功能認(rèn)識上的片面性主要源于現(xiàn)行混凝土試驗(yàn)評價(jià)方法的局限性和長期形成的以硬化混凝土靜載強(qiáng)度為目標(biāo)的思維定勢。本文就有關(guān)問題進(jìn)行討論，并闡述作者的看法。
2 聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)
同常用的鋼纖維相比，聚丙烯纖維的特點(diǎn)是細(xì)度高（當(dāng)量直徑0.02-0.1mm）、數(shù)量多（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(diǎn)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(shù)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(rèn)為聚丙烯纖維的上述阻裂效應(yīng)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(zhì)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(fù)沖擊荷載對混凝土內(nèi)原生裂隙數(shù)量和尺度的敏感性較高，原生裂隙在數(shù)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(yīng)得以發(fā)揮的必要條件是混凝土在硬化早期同時(shí)處于變形受限和失水收縮狀態(tài)，而這樣的條件室內(nèi)或現(xiàn)場制作的小試件并不具備。這種差異實(shí)際上體現(xiàn)了用小試件評定實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土強(qiáng)度或耐外性的不足之處，對聚丙烯纖維混凝土，這種傾向性更為明顯。其結(jié)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(yīng)尚很難通過試驗(yàn)進(jìn)行宣的評價(jià)。雖然有關(guān)人員模擬現(xiàn)場條件制作了各種試驗(yàn)裝置進(jìn)行聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)的研究，但受各種偶然因素的作用，試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)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(rèn)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(qiáng)度不足造成的易裂問題，纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)實(shí)際上正是提高了混凝土抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)，但不同品種因彈性模量、抗拉強(qiáng)度、長徑比、摻量等不同，在混凝土中阻裂效應(yīng)的作用機(jī)理和效果也不相同。鋼纖維的阻裂效應(yīng)體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展上，是通過使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，阻裂效應(yīng)作用的結(jié)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(jié)強(qiáng)度和自身抗拉強(qiáng)度有關(guān)。而聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)主要體現(xiàn)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(rèn)為是通過聚丙烯纖維提高早期混凝土的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)一步分析結(jié)果是聚丙烯纖維鈍化了原生裂隙尖端的應(yīng)力集中、使介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)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(qiáng)度很低，因此，聚丙烯纖維的阻裂能力和纖維的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)并不明顯相關(guān)，而隨纖維細(xì)度的增大，混凝土中纖維間距的減小而增強(qiáng)。
通過以上分析可見，聚丙烯纖維和鋼纖維的阻裂效應(yīng)不可相互替代，因分別改善了不同時(shí)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(yīng)并無實(shí)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(qiáng)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(yīng)都是對混凝土強(qiáng)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(qiáng)度的影響并不顯著。許多試件的測試結(jié)果也表明，摻入聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度無顯著影響或使混凝土的強(qiáng)度稍有降低。一些習(xí)慣于以試件的抗壓或抗折強(qiáng)度判定材料性能水平的工程技術(shù)人員由此得出的結(jié)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(qiáng)作用。
以上認(rèn)識是廣泛存在的，其片面性在于：（1）小試件強(qiáng)度并不能代表實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)混凝土中摻入聚丙烯纖維后這種傾向性可能更加顯著，因?yàn)樾≡嚰y試結(jié)果不能展現(xiàn)聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)帶來的好處。（2）路面橋面混凝土主要承受車輛反復(fù)沖擊造成的疲勞作用，因此，抗動(dòng)荷載能力的強(qiáng)弱更接近真實(shí)的材料使用性能水平，而小試件抗壓或抗折強(qiáng)度則是在試驗(yàn)機(jī)加載速率下測得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明：雖然摻入聚丙烯纖維對混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)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(qiáng)度的影響程度和纖維在混凝土中的體積率有關(guān)。由于價(jià)格和工藝的原因，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(qiáng)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(qiáng)度有明顯提高?；炷粱w裂后，可通過纖維繼續(xù)承擔(dān)荷載。當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到一定的水平時(shí)，纖維能在混凝土裂后承擔(dān)超過混凝土裂前的荷載水平，表現(xiàn)為提高了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。而在進(jìn)行抗折強(qiáng)度測試時(shí)，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(qiáng)度由此得以較大幅度的增長。通常測試的結(jié)果是鋼纖維對混凝土抗折強(qiáng)度的提高幅度高于抗拉強(qiáng)度。聚丙烯纖維常用的體積摻量比鋼纖維還低得多（0.9kg/m3的摻量相當(dāng)于體積率0.1%），這樣的摻量對混凝土裂前、裂后的強(qiáng)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(qiáng)度，但過大的變形也使其實(shí)用的意義很小，因此，通常不采用高摻量聚丙烯纖維提高混凝土抗拉（抗折）強(qiáng)度的作法。由于路面橋面混凝土的剛度要求，事實(shí)上無論何種纖維對混凝土裂后強(qiáng)度的提高作用對此類工程均無實(shí)際的意義。
由以上分析得出的結(jié)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(zhǔn)靜載強(qiáng)度的影響作用不會對實(shí)際的使用性能造成明顯影響。而大量工程工程實(shí)踐證實(shí)的纖維混凝土優(yōu)良的使用效果實(shí)際上是纖維提高了混凝土抗沖擊、抗疲勞能力所至，這是通過摻入纖維使混凝土板整體性、連續(xù)性得到改善的結(jié)果。在這點(diǎn)上聚丙烯纖維和鋼纖維雖有相同的功效，但作用機(jī)理卻不盡相同。聚丙烯纖維的作用機(jī)理是通過消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，使材料介質(zhì)的連續(xù)性得以提高，以及有機(jī)材料對沖擊能的吸收能力使混凝土的抗沖擊、抗疲勞性能行以改善的。聚丙烯纖維自身較低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(kuò)展的能力相對較弱。同聚丙烯纖維相比，鋼纖維由于在混凝土中的數(shù)量相對較少，不能有效消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，但較高的彈性模量使其具有很強(qiáng)的傳遞荷載的能力和約束裂縫擴(kuò)展的能力。鋼纖維的以上功能使路面混凝土板承受車輛的沖擊作用能在更大的板體范圍內(nèi)擴(kuò)散，局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象得以減輕，路面橋面混凝土的抗沖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(jìn)行評定和衡量的，但大量的工程實(shí)踐已對此給予了證實(shí)。在美國的一些公路和機(jī)場和道面中正嘗試采用聚丙烯纖維混凝土制作超薄白色罩面，對舊路進(jìn)行改造，正是利用了聚丙烯纖維混凝土優(yōu)良的抗捐獻(xiàn)、抗疲勞性能。
4 聚丙烯纖維對混凝土耐久性的影響
也有一些工程技術(shù)人員認(rèn)為聚丙烯纖維是一種主要改善混凝土耐久性的材料。如果將抗疲勞性能看成是一項(xiàng)路面橋面混凝土的耐久性指標(biāo)，上述理解當(dāng)然是正確的。除此之外，聚丙烯纖維對混凝土性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(zhì)量得以改善，從而使混凝土的耐久性指諸如抗?jié)B透性、抗凍和抗鹽凍性、抗化學(xué)侵蝕性等也并無不利的的影響，但改善程度尚待進(jìn)一步研究。
5 結(jié)語
通過以上分析得出的結(jié)論是：（1）聚丙烯纖維能消除或減少混凝土中原生裂隙的數(shù)量和尺度，這種效應(yīng)不僅能有效阻止混凝土發(fā)生塑性開裂，對硬化混凝土的性能也非常有益。（2）聚丙烯纖維雖然不能使硬化混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度有明顯提高，但通過提高混凝土的抗沖擊能力和抗疲勞性能使路面橋面混凝土的使用性能得以改善。（3）由于在纖維細(xì)度、彈性標(biāo)明量等性能上的差異，聚丙烯纖維和鋼纖維對混凝土性能的影響效果和機(jī)理不盡相同，現(xiàn)金者各有所長。（4）由于試驗(yàn)評價(jià)方法的原因，室內(nèi)小試件不能充分展示聚丙烯纖維在實(shí)際工程中的使用效果，造成了對聚丙烯纖維實(shí)際使用效果的低估。
今后的研究方向應(yīng)是聚丙烯纖維和鋼纖維的復(fù)合效應(yīng)、聚丙烯纖維對高強(qiáng)高性能混凝土性能的影響、聚丙烯纖維和硅灰或粉煤灰等活性混合料的復(fù)合效應(yīng)、以胩對纖維使用效果的評價(jià)方法等。對纖維混凝土的研究方法也應(yīng)更注重觀察實(shí)際工程的應(yīng)用效果，而非單純通過室內(nèi)小試件進(jìn)行性能評價(jià)。
由于聚丙烯纖維是通過消除或減少原生裂隙的數(shù)量和尺度、改善混凝土的品質(zhì)實(shí)現(xiàn)對混凝土使用性能的改善的，因此，可將摻入聚丙烯纖維作為實(shí)現(xiàn)混凝土高性化的一個(gè)重要途徑進(jìn)行深入研究。