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)

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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“次要增強(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，僅在天津市道路和橋面工程中，聚丙烯纖維混凝土的用量已達(dá)到10 多萬m2，聚丙烯纖維的總用量近20 噸，絕大部分工程應(yīng)用效果良好。
    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〔1〕。但作者通過和施工、設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場交流，發(fā)現(xiàn)一些工程技術(shù)人員對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng)認(rèn)識(shí)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(duì)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(duì)比，以摻入纖維對(duì)混凝土抗折(抗拉) 強(qiáng)度的提高程度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析后認(rèn)為，有關(guān)人員對(duì)聚丙烯纖維功能認(rèn)識(shí)上的片面性，主要源于現(xiàn)行混凝土試驗(yàn)評(píng)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(shì)。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(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(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(duì)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(duì)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(duì)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的狀態(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(píng)定實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土強(qiáng)度或耐久性的不足之處，對(duì)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(duì)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)行定量的評(píng)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(duì)聚丙烯纖維使用效果的低估和認(rèn)識(shí)上的模糊。
    在混凝土中摻入纖維材料最初的目的,就是針對(duì)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)。但不同品種纖維因彈性模量、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)度和自身的抗拉強(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了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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)混凝土強(qiáng)度的影響并不顯著。許多試件的測(cè)試結(jié)果也表明，摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土的強(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(duì)硬化混凝土無增強(qiáng)作用。
    以上認(rèn)識(shí)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(cè)試結(jié)果不能展示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(cè)得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明〔2〕雖然摻入聚丙烯纖維對(duì)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(duì)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(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。混凝土基體裂后，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(cè)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(cè)試的結(jié)果是，鋼纖維對(duì)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要低得多(9kg/ m3 的摻量相當(dāng)于體積率011%) ，這樣的摻量對(duì)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來提高混凝土抗拉(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(duì)混凝土裂后強(qiáng)度的提高