（道路与铁道工程专业论文）聚丙烯纤维混凝土力学性能研究.pdf

摘要 摘要 混凝土是现代工程中用量最普通的建筑材料，也是最主要的结构材料，但 混凝土存在着一些固有的缺陷，改善混凝土的性能尤为必要。 本文首先介绍了纤维混凝土增强机理的两种理论，即复合材料理论和纤维 间距理论，同时还研究了聚丙烯纤维的掺量和长度变化参数等。其次还主要介 绍了，通过对纤维混凝土和普通混凝土在工作性能、抗压、抗拉、弹性模量、 抗裂、耐久性、韧性及抗高温性能等方面的对比试验研究，并对纤维混凝土的 性能进行了综合分析，得出了纤维混凝土在物理力学性能上的优势。最后对聚 丙烯纤维水泥混凝土抗冻性能进行了试验研究，以探索聚丙烯纤维对混凝土在 冰冻与溶化状态下的影响规律。 结果表明：聚丙烯纤维水泥混凝土冲击性、耐磨性、耐久性、韧性和承受 动载能力等方面较普通混凝土有较大改善。说明聚丙烯纤维是一种能使混凝土 性能得到提高的新型合成材料。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：聚丙烯纤维混凝土，强度，力学性能，混凝土抗裂，抗冻性能 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n c r e t ei su s e do r d i n a r i e s tb u i l d i n gm a t e r i a li nt h em o d e mp r o j e c tt h e a m o u n t ，a l s oi st h em o s tm a i ns t r u c t u r a lm a t e r i a l ，b u tt h ec o n c r e t eh a ss o m ei n h e r e n t f l a w s ，t h ei m p r o v e m e n tc o n c r e t ep e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi se s s e n t i a l t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h et e x t i l ef i b e rc o n c r e t es t r e n g t h e n st h em e c h a n i s m t w ok i n do ft h e o r i e sf o rc o m p o u n dm a t e r i a lt h e o r ya n dt e x t i l ef i b e rs p a c i n gt h e o r y , s i m u l t a n e o u s l ya l s os t u d i e dt h ep o l y p r o p y l e n et e x t i l ef i b e r sm i xt h eq u a n t i t ya n dt h e l e n g t hc o e f f i c i e n to fv a r i a t i o na n ds oo n ，n e x ta l s om a i n l yi n t r o d u c e dt e x t i l ef i b e r c o n c r e t ea n dp l a i nc o n c r e t ei nr e s i s t a n tt oc o m p r e s s i o na n t i - p u l l st h e e l a s t i c i t y c o e f f i c i e n tt h e a n t i c r a c kt h e d u r a b i l i t yt o u g h n e s sa n da n t i h i g ht e m p e r a t u r e s o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，a n dc a r r i e do nt h eg e n e r a l i z e da n a l y s i st ot h et e x t i l e f i b e r c o n c r e t ep e r f o r m a n c e ，t h et e x t i l ef i b e rc o n c r e t eh a so b t a i n e di n p h y s i c a l m e c h a n i c s p e r f o r m a n c es u p e r i o r i t y , f i n a l l yc o n d u c t e dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt ot h e p o l y p r o p y l e n e f i b e rc e m e n tc o n c r e t ea n t i f r o z e n p e r f o r m a n c e ，e x p l o r e s t h e p o l y p r o p y l e n e t e x t i l ef i b e ri nf r o mf r e e z et od i s s o l v ec o n d i t i o nu n d e ri n f l u e n c er u l e t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a t ：p o l y p r o p y l e n ef i b e rc e m e n tc o n c r e t eh a sab i g g e r i m p r o v e m e n t i nw e a rr e s i s t a n t ，d u r a b l e ，t o u g ha n dw i t h s t a n d i n gm o v i n gl o a da b i l i t y a s p e c ti m p a c ta n ds oo n ，e x p l a i n e dt h ep o l y p r o p y l e n et e x t i l ef i b e ri so n ek i n dc a n e n a b l et h e c o n c r e t e p e r f o r m a n c e t oo b t a i nt h ee n h a n c e m e n tt h en e w c o m p o s i t i o n m a t e r i a l i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa led i s c u s s e d k e yw o r d s ：p o l y p r o p y l e n et e x t i l ef i b e rc o n c r e t e ，i n t e n s i t y , m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e ， c o n c r e t ea n t i c r a c k ，a n t i - f r o z e np e r f o r m a n c e i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：张新位 2 0 0 7 年7 月1 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：张新位 2 0 0 7 年7 月1 7 日 第1 章引言 1 1 课题研究的历史 第1 章引言 自从1 9 世纪出现水泥后，混凝土作为一种新型建筑材料，以其骨料可以就 地取材，构件易于成型，具有水硬性等突出特点，日益广泛应用于土建工程之 中。尤其是在中叶以后，钢铁生产发展，随之出现了钢筋混凝土这种新的复合 建筑材料，其中钢筋承受拉力、混凝土承受压力，发挥各自的优势，初步克服 了混凝土抗拉强度低、用途受限制的弱点。2 0 世纪3 0 年代开始出现预应力混凝 土，其结构抗裂性能、刚度和承载能力，大大超过了钢筋混凝土结构，从而显 著扩大了混凝土的应用范围，扩展了许多新的应用领域，使土木工程进入了钢 筋混凝土和预应力混凝上占统治地位的历史时期。混凝土给建筑物带来了新的 经济而美观的工程结构形式，促使土木工程产生了新的结构设计计算理论和新 的施工工艺技术，在土木建筑工程技术发展史上完成了一次新的飞跃。 纤维混凝土，是纤维增强混凝土的简称，通常是采用水泥净浆、砂浆或者 混凝土为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维作为增强材料所组成的水 泥复合材料。纤维混凝土，顾名思义，就是纤维与混凝土的复合体。纤维材料 按照纤维种类通常可以分为硬纤维和软纤维，硬纤维是经过拉、拔、轧、切工 艺制作的钢纤维，而软纤维是由合成纤维制作而成，按其材料又可以分为玻璃 纤维、尼龙纤维、聚丙烯纤维等。按照纤维材料性能和纤维质地的划分，包括 有机纤维和无机纤维：按照纤维材料的弹性模量可以划分为高弹性模量纤维和 低弹性模量纤维；按照纤维的长度可以划分为长纤维和短纤维；按照纤维的粗 细又可以划分为粗纤维和细纤维；按照单位体积混凝土中所掺加的重量和体积 大小还可以分为高掺量和低掺量纤维混凝土口1 。聚丙烯纤维就是一种低弹性模量 的合成纤维，聚丙烯纤维混凝土是属于低掺量的纤维混凝土。 纤维混凝土最早出现是在四十年代，法国莫尼尔在水泥中加入细铁丝网制 成花盆和种桔树用的铁丝水泥桶。1 8 5 5 年法国工程师用细铁条增强水泥，制成 一艘水泥船并获得专利心3 1 。1 9 0 1 年美国人p o r t e r 发表了有关钢纤维混凝土的第 一篇论文，1 9 1 0 年p o r t e r 把薄钢片掺入混凝土中改善混凝土的抗拉强度和抗冲 第1 章引言 击性并获得专利。这些都是钢纤维混凝土的早期研究与应用。由于军事工程的 需要，美、英、法、德、日相继开展了纤维混凝土的研究，获得了一些专利， 但进展并不大，因为这些研究和专利几乎都没能说明纤维对于混凝土的增强机 理。纤维混凝土真正进入实用化研究是在上个世纪六十年代初。1 9 6 3 年，美国 人r o m u l d i 发表了钢纤维约束混凝土裂缝发展机理的研究报告，才使这项研究 真正进入一个新的发展时期。1 9 6 6 年，美国混凝土协会成立了纤维混凝土委员 会。到了七十年代，不但钢筋纤维混凝土的研究发展很快，而且碳纤维、玻璃 纤维、石棉等高弹纤维混凝土，尼龙、聚丙烯、植物等低弹纤维混凝土的研制 也引起了各国学者的关注。1 9 7 3 年，在加拿大渥太华，由美国a c l 5 4 4 委员会举 办了第一次纤维混凝土国际性会议，而后于1 9 7 5 其销量的稳定增长充分说明了 高科技建筑材料无法低估的商业价值。哺u 英、美、法等国是将聚丙烯单丝纤维用于一些混凝土制品与工程中，所用 纤维的直径与钢纤维相近，纤维的体积率为0 5 左右。2 0 世纪7 0 年代中期美 国成功地开发了聚丙烯膜裂纤维( f i b r ill a t e dp o l y p r o p y l e n ef i b e r ) ，这是一 种直径为2 咖以上的束状纤维，在与混凝土拌合过程中可分裂成为若干细纤维 束，且束内纤维展开成为相互牵连的网络，其中单丝直径为4 8 6 2i tm ，使用此 种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可以使纤维体积率减少至0 1 0 2 。2 0 世纪8 0 年代初，美国若干公司通过表面处理技术成功地开发了可 均匀分布于混凝土中的直径为2 3 - 6 2ui n 的聚丙烯、尼龙等单丝纤维，在纤维体 积率为0 0 5 9 6 - 0 2 时即有明显的抗裂与增韧效果n 钔。近十几年来，美国等西方 国家己在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维( 聚丙烯单丝、聚丙烯膜裂 纤维与尼龙纤维等) 的预拌混凝土。目前美国所用棍凝土总量中合成纤维混凝土 约占7 ，而钢纤维混凝土只占3 左右。在美国，纤维混凝土被大量使用于地下 工程防水、工业和民用建筑的屋面、墙体、地坪、水池、道路以及桥梁等工程 中。以美国希尔兄弟化工公司生产的杜拉纤维为例，从诞生至今只有2 0 多年， 却在美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、墨西哥以及东南亚的混凝土工程 中得到了相当广泛的应用。 在中国，纤维混凝土的大规模应用是从玻璃纤维和钢纤维混凝土起步的。 2 0 世纪7 0 年代纤维混凝土技术传入中国n3 1 。中国土木工程学会纤维水泥与纤维 混凝土委员会于1 9 8 6 年在大连召开了第一届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会 议。2 0 世纪9 0 年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝上的有机纤维通 2 第l 章引言 过商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国大量应用的契机。1 9 9 8 年5 月， 由国家建设部科技发展促进中心主办、香港恒律发展有限公司协办的“美国杜 拉纤维技术研讨会”在北京举行，北京、重庆、广州、郑州、唐山等地科研、 设计及施工单位的数十位专家出席了会议。同年，建设部科技发展促进中心向 全国各省市建设推广使用，从此打开了纤维混凝土大量应用的新局面3 。 到目前为止，中国境内已经出现了许多个可应用于纤维混凝土的合成纤维 生产厂家，虽然产品质量、生产规模尚有待提高，但这些都充分说明了中国土 木工程界对于纤维混凝土作用的肯定，以及对于发展纤维混凝土的热情。可以 预见，纤维混凝土在中国工程界应用的新高潮正在到来。 1 2 聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用情况 聚丙烯纤维用于混凝土工程始于2 0 世纪7 0 年代后期，美国、加拿大最先 采用，并迅速推广到澳大利亚、日本及东南亚若干国家和地区。我国于9 0 年代 初在广州至佛山的混凝土路面高速公路的部分地段试用了聚丙烯纤维，使用效 果较好，9 0 年代中后期便在大量土木和建筑工程中使用。据不完全统计，到2 0 0 1 年底，在中国境内采用聚丙烯纤维混凝土的工程实例己经数以万计，工程类型 几乎覆盖了工业及民用建筑工程当中所有用到混凝土的场合h 5 1 。主要包括以下 几个方面： 1 2 1 混凝土路面工程 美国将聚丙烯纤维大量应用于道路建设及改造、维护中，采用聚丙烯纤维 混凝土铺设的路面，简称为u t w 。这项技术的主要要点是将5 0 - 7 0 m m 厚的高强混 凝土覆盖于压路机平整过的沥青旧路基上，工艺的关键在于加入大量聚丙烯纤 维以增强路面的耐久性。1 9 9 1 年，美国肯塔基州路易斯维尔市最早采用u t w 工 艺修建了一段公路。第二期在占全线总里程2 3 路段加入了聚丙烯纤维，使用 情况良好。沧州市一新建的混凝土路面出现严重断裂，用聚丙烯纤维混凝土修 复7 天后通车晴朝。河南、四川等省也己将聚丙烯纤维成功地用于高等级公路收 费站、隧道混凝土面层，以保证这些部位混凝土的最长使用年限。成都环城高 速公路第一期工程采用普通混凝土路面，不久便出现严重龟裂。第二期工程加 第1 章引言 入了钢纤维，龟裂减轻但锈蚀严重，并对汽车车胎造成了较为严重的破坏。第 三期在占全线总里程2 3 路段加入了聚丙烯纤维，使用情况良好呻1 。 1 2 2 桥梁工程 河南郑一新高速公路k 9 8 + 7 6 8 处桥面混凝土出现严重破碎，开始试用聚丙 烯纤维混凝土修复，两周后开放交通，使用效果良好。由交通部第二公路局承 建的西安市环城大型立交桥，由于使用了聚丙烯纤维，解决了桥面混凝土易产 生裂纹的难1 。 1 2 3 水工建筑物及构筑物 山东青岛码头作业区混凝土面层中，铺面层中加入聚丙烯纤维，以提高抗冲 击和耐磨能力，具有很好的效果。另外水槽、水池等构筑物及水利工程的混凝 土水工构筑物、港湾构筑物，均对抗裂、抗渗有较高要求，采用聚丙烯纤维能 抑制混凝土的塑性收缩所产生的龟裂，又能提高抗渗性能。承德白塔水库一期 工程采用聚丙烯纤维混凝土浇筑面板坝获得成功。 1 2 4 工业和民用建筑 我国在9 0 年代中期后就已经在大量民用与建筑工程中使用聚丙烯纤维混凝 土。使用聚丙烯纤维混凝土的广州中心广场大厦，其四层地下室的防水、抗裂， 并且地下室完工后极少发现明显裂缝及渗漏。地板、侧墙、楼板等构筑物中大 量采用聚丙烯纤维混凝土，以解决刚体本体的防水、抗裂5 1 。 从发展的趋势来看，聚丙烯纤维在制备纤维混凝土方面具有一定的优势。 从聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用实践看，聚丙烯纤维主要是作为抗裂手段 得以大面积推广应用在工业与建筑工程中。而聚丙烯纤维的作用不仅仅限于此， 它对混凝土的韧性、耐久性、抗冲击等力学性能的改善作用也是很好的，聚丙 烯纤维多用于路面、桥面结构中，其作用并不能局限于抑制混凝土塑性开裂， 并可能用于抗震设计中。 4 第1 章引言 1 3 聚丙烯纤维混凝土研究现状 聚丙烯原材料是一种高分子碳氢化合物。它的化学稳定性好，和大多数化 学物质不发生作用，表面疏水性，不会被水泥浆浸湿。但聚丙烯纤维与基体间 的粘结较差，拔出强度较低。 从目前国内研究现状来看，主要集中于对纤维混凝土的物理、力学性能的 研究。与基准混凝土相比，随着纤维掺量的增加，纤维混凝土的抗压强度变化 较小，抗折强度则提高了1 2 卜2 6 ，韧性也随之增加，分析聚丙烯纤维混凝土 的裂纹发展规律，定性分析了增韧机理。研究了不同掺量聚丙烯纤维高性能 混凝土的抗折强度、脆性和抗冲击性能。及研究了网状聚丙烯纤维混凝土的施 工性能，抗压、抗弯性能，韧性、抗渗性、热老化稳定性及收缩性。 从国外研究近况来看，对于聚丙烯纤维混凝土，在基本性能研究的基础上 已有一定延伸。并且对梁做了抗剪切试验，与素混凝土梁相比，聚丙烯纤维混 凝土梁的抗剪强度、刚度( 特别是在开裂初期后) 和韧性都有提高，同时还研究 了箍筋对聚丙烯纤维混凝土梁的影响。试验了一系列纤维含量不同、支撑条件 不同的聚丙烯纤维混凝土板的抗冲击性能及自振周期。试验结果显示，混凝 土板的抗冲击性能随纤维含量的增加逐渐提高，但对自振周期基本无影响。 1 4 问题的提出 近年来随着我国经济建设的迅速增长，公路建设也得到了前所未有的发展。 截止到2 0 0 1 年底，全国公路总里程近1 6 9 8 万公里，高速公路里程达到1 9 万 公里，列世界第二位。目前，我国高等级公路路面主要是采用沥青混凝土或水 泥混凝土。其中沥青混凝土路面在我国高等级公路路面中占7 0 左右，世界上大 多数国家也是以沥青混凝土路面为主。这主要是由于沥青混凝土路面具有一些 比较优良的性能，如具有一定的弹性和塑性、与轮胎的附着力好、有利于行车 安全、良好的减震性和比较低的噪音、维修简单、可再生利用等h 钔。但沥青混 凝土路面也有其自身无法克服的缺陷，比如，沥青受温度影响较大，在炎热的 夏季，沥青混凝土路面容易出现车辙、产生拥包等永久变形，影响行车的安全 性和舒适性；在寒冷的冬季，沥青混凝土路面容易出现开裂，当水分从裂缝处 渗入会使路面基层材料的强度降低，在交通荷载的加速作用下会造成路面病害， 第1 章引言 进而影响路面的使用。另外，沥青混凝土路面在重载、大交通量的情况下由于 自身力学强度不足而极易产生破坏h 8 1 。相比之下，水泥混凝土路面自身受温度、 水的影响较小，而且具有极高的强度，可以完全克服沥青混凝土路面的缺陷。 因而水泥混凝土路面具有沥青混凝土路面不可替代的优势。 尽管钢筋混凝土和预应力混凝土取得了长足的进步，但是混凝土作为最大 宗的建筑材料也存在其固有弱点，它具有价格便宜、原料易得、性能优良、制 备简单、耐久性好等优点，但是工程中常用的混凝土自身都存在不同程度的缺 陷，从而限制了它的应用范围和效果。主要表现在以下几个方面： 1 4 1 混凝土抗变形能力差 混凝土是水泥基复合材料，本质上属脆性材料，普通混凝土的抗拉强度只 是抗压强度的1 1 0 1 1 4 ，这使得混凝土抗变形能力差，易于开裂唧1 。由于裂缝 的存在，周围介质( 诸如空气、海水、污水等) 中的有害物质渗透到混凝土内部， 使混凝土碱性降低，破坏了钢筋表面的氧化膜而直接与钢筋发生化学反应，使 钢筋逐渐锈蚀。同时钢筋锈蚀又引起周围混凝土膨胀开裂，宏观裂缝显著发展， 有害物质更易侵入，如此形成恶性循环。裂缝的存在是降低混凝土耐久性的一 个重要原因，而对于高强混凝土其脆性问题尤为突出。 1 4 2 混凝土耐磨性差 混凝土硬化过程中表面形成一层水泥浆体面层，其硬度较低。当面层受到 反复磨擦、冲击时很容易破坏脱落，影响混凝土的表面质量和耐久性，从而引 起构不断破坏。通常表现为：机械磨损破坏( 如路面和厂房地坪的混凝土被反 复磨擦、研磨和冲击而剥落，影响车辆行驶) 、冲刷磨损破坏和气蚀( 空蚀) 破坏 4 啦 2 3 】 寸0 1 4 3 混凝土抗渗性差 混凝土的拌和水除供给水泥水化，还增加了混凝土的流动性，但水泥完全 水化理论上所需的水不超过水泥重量的2 3 ，其余的水在硬化混凝土中形成孔 隙，包括毛细孔和胶孔。而毛细孔是水迁移的通道，迁移水可能溶解某些水泥 6 第1 章引言 水化物从而破坏混凝土的内部结构，在温度为o c 以下时还能在孔中冻结，引起 混凝土的冻融破坏，因此混凝土中迁移水是混凝土破坏因素的载体。可以说渗 透性是除机械磨损外混凝土各种破坏的根源乜。提高混凝土的抗渗性可大大提 高混凝土的耐久性。 1 4 4 混凝土抗高温性能差 混凝土在遭受火灾的情况下，其力学性能总体上呈现随温度升高逐渐劣化 的趋势，主要表现为强度逐渐降低，峰值应变加大，耐久性损失严重。尤为值 得注意的是，火灾工程中常常出现爆裂现象，使混凝土构件瞬间裂成大小不一 的碎片而四处飞散，减小了混凝土截面尺寸，致使内部混凝土和钢筋直接暴露 于明火中，加剧了混凝土构件的破坏口7 1 。 尤其是近年来，随着国民经济的高速发展，公路运输出现了“重载、大流 量和渠化交通 的特点，重型货车和超载车辆上升较快，致使水泥混凝土路面 产生早期破坏，影响了水泥混凝土路面的使用质量和使用寿命。近期高速公路 的建设，对路面的平整度要求越来越高，普通混凝土易断裂，易磨损的缺点越 发突出。河北省沧州市公路管理部门通过对现有的水泥混凝土路面进行了调查， 发现路面均不同程度的出现了断裂、龟裂等现象h 引。虽然公路水泥混凝土路面 设计期限为3 0 年，但是实际运营使用寿命不足1 0 年，随后使用品质就严重恶 化。并且水泥混凝土路面出现破损后，一方面养护修补困难较大，另一方面也 造成了极坏的社会影响。在交通量日益增加，重载车辆数目急剧增加的情况下， 解决上述问题显得极为迫切。因此，采用新材料和新技术来保持路面的使用性 能具有十分重要的意义。本课题就是研究利用纤维复合的方法来改善混凝土的 韧性、耐久性及抗裂性等。 1 5 本课题的研究内容 本课题的目的在于研究聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土之间的区别，在强 度、耐久性、韧性等方面聚丙烯纤维混凝土是否比普通混凝土有更大提高，论 证普通混凝土中加入纤维后是否在路面工程中有推广价值。因此本课题通过在 普通混凝土中添加不同品种、不同剂量聚丙烯纤维，并在大量试验的基础上比 7 第1 章引言 较了普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土各种使用性能，包括强度、动载、耐久性 及施工性能。主要研究内容如下： 1 通过试验，找出聚丙烯纤维的掺量和长度对混凝土物理力学性能的影响 规律，对聚丙烯纤维阻裂机理和对混凝土增强增韧机理进行分析和探索，及纤 维混凝土微观结构； 2 聚丙烯纤维对混凝土的抗压、抗折、劈裂强度的影响，及抗裂增强机理 研究； 3 聚丙烯纤维混凝土抗高温性能的研究，主要研究聚丙烯纤维混凝土在高 温作用下的性能与普通混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土性能的变化； 4 其他使用性能研究，包括纤维混凝土力学性能及抗冻性能和对混凝土增 强、增韧机理进行分析和探索； 5 聚丙烯纤维混凝土路面施工工艺的研究； 以上研究将为聚丙烯纤维混凝土的推广使用提供更多更好的参考结论，并 为聚丙烯纤维混凝土的进一步研究提供科学的数据支持和试验基础。通过试验 分析和对比可以发现聚丙烯纤维混凝土是一种在技术上可行、各方性能优越， 适合于工程推广应用的建筑材料。 8 第2 章聚丙烯纤维增强混凝十内部微观机理及其性能分析 第2 章聚丙烯纤维增强混凝土内部微观机理及其性能分析 2 1 聚丙烯纤维混凝土内部微观机理分析 当代纤维混凝土的基本理论，是在纤维增强塑料制品、纤维增强金属建材 强度理论的基础上发展起来的。由于纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维 乱方向分布，并有不同程度、不同类型的定向性，又由于纤维混凝土是一种多 相、多组分、非均质且不连续的材料，加以纤维的“乱向 和“短截的特征， 它比纤维增强塑料制品或纤维增强金属建材要复杂多了，不同的纤维形状和表 面性能及不同的施工方式，造成纤维不同形式的分布，导致纤维增强机理十分 复杂。虽然自纤维混凝土问世后，有诸多研究者对其理论进行了研究，但到目 前为止，尚无一个无争议的理论来反映纤维混凝土增强原理口引。 比较一致的观点认为：由于纤维的掺入，对混凝土基体产生了增强、增韧 和阻裂等效应，从而增加了混凝土的强度、韧性、耐腐蚀性等性能，改变了混 凝土的脆性、易开裂性及其他破坏形态，延长了混凝土的使用寿命。在纤维混 凝土中纤维的主要作用在于吸收水泥基材开裂时释放的能量，并因而阻止基材 中裂缝的扩展。其阻裂机制和阻裂效果主要取决于纤维的种类与性能、纤维的 体积率、纤维的长度与分布情况、纤维的取向、纤维与水泥基材的粘结强度等。 研究聚丙烯纤维混凝土的增强机理是提高聚丙烯纤维对混凝土增强、增韧和阻 止开裂效应的关键，从本质上改善其物理、力学性能，并造就材料新性能的理 论基础，是进行聚丙烯纤维混凝土设计的依据。才能建立性能设计和结构设计 的科学方法，并达到充分发挥聚丙烯纤维、混凝土基体复合效应目的口8 1 。 纤维对水泥混凝土基体增强作用理论的学说主要有两种，一种是运用复合 力学理论的复合材料理论：另一种是建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。 所有其他理论均可看成是由这两个理论为基础经综合完善而发展起来的。 2 。1 1 复合材料理论 复合材料理论把纤维混凝土看成多相体系，纤维为一相，混凝土为一相， 复合材料的性能是把各相性叠加，用混合定律研究纤维混凝土，其基于以下假 9 第2 章聚丙烯纤维增强混凝士内部微观机理及其性能分析 设： 1 纤维混凝土在宏观上是均质的； 2 纤维与混凝土基体本身是各向同性( 或正交各向异性) 的线弹性材料； 3 纤维与基体之间无任何相对滑动( 即完全粘着状态) 。 在上述条件下，可有两种纤维状态下的混合定律，即单向连续长纤维混凝 土混合定律和不连续短纤维混凝土混合定律。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一中国工程院院士吴中伟教授在水 泥复合材料的科学研究方面提出并实践了具有创建性的思想，早在1 9 5 9 年，吴 中伟教授发表“中心质效应假说，把水泥复合材料的不同层次联系在一起，认 为中心质效应是可以叠加的。这种思想的内核，正是复合材料理论的精髓m 1 。 聚丙烯纤维增强混凝土属于乱向短纤维增强复合材料，其中纤维长从几毫 米到几十毫米，纤维是不连续的，所以在短纤维复合材料中荷载的传递过程比 连续纤维复合材料复杂得多，表现在纤维端头部分，在纤维、纤维一基体界面 和基体中存在着非常复杂的应力状态。纤维分布在表面层接近于二维分布，内 部可视为三维分布，方向系数应处于o 6 3 7 一o 5 之间。复合材料开裂后，横跨 于裂缝上的纤维所能承受的拉应力取决于纤维，在基体中距裂缝面埋深长度较 短的一端。 对于不连续短纤维复合材料，与单向连续长纤维复合材料相比，纤维的长 度不同，在基体中的分布状态不同，在承受拉伸应力的材料断裂时，纤维或被 拉断，或被从基体中拔出。短纤维增强复合材料在荷载传递中，在纤维两端往 往出现钱币状的裂纹，以及纤维排列的不均匀和不规则所引起的问题等，导致 短纤维增强复合材料在强度、刚度和抗疲劳性能等方面，远不如同类长纤维增 强复合材料在纤维方向的性能口劓。在垂直于纤维方向受拉时，由于应变集中的 原因，在拉应变和拉应力较大的那部分界面上，可能产生脱粘和开裂。由于剪 应力的作用，界面也可能产生脱粘和开裂。 复合材料理论能够诠释聚丙烯纤维对基体强度增加的原因。在混凝土正交 试验结果中表明当聚丙烯纤维掺量在0 6 k g m 3 时，2 8 天的抗折强度增加1 2 左 右，而当掺量继续增加到1 7 k g m 3 时，2 8 天的抗折强度降低0 5 左右，这说明 在混凝土中掺加聚丙烯纤维时，由于纤维掺量的变化对强度有一定的不利影响， 这符合复合材料理论，是由于聚丙烯纤维属于低弹模纤维，难以在基体材料中 承担应力。 1 0 第2 章聚丙烯纤维增强混凝十内部微观机理及其性能分析 2 1 2 纤维间距理论 纤维间距理论是根据线一弹性断裂力学理论来说明的，纤维对于裂缝发生 和发展起到约束作用。这种理论认为在混凝土内部存在固有缺陷和裂纹，如欲 提高强度和韧度，必须尽可能减小缺陷程度，降低混凝土体内裂缝端部的应力 集中系数。 纤维间距理论首先是由r o m u a l d i 在g r i f f i t h 理论基础上提出来的， g r i f f i t h 理论认为：一些脆性材料( 如混凝土) 之所以低应变脆断，原因在于材料 结构的微不均匀性和存在一定量的缺陷，如 微裂缝或亚微裂缝及各种尺寸的孔。当受到 应力作用时，裂纹尖端产生应力集中，裂纹 迅速扩展，裂纹的数量、长度、裂度不断增 加，最终导致裂纹贯通，形成大的裂缝而使 材料结构发生崩溃破坏。当在脆性材料基体 中掺人纤维后，材料受到应力时，纤维的存 在将会约束裂纹的引发和裂纹长度及裂度的 扩展，从而起到增强作用。 r o m u a l d i 提出，对顺向连续纤维增强混 凝土，假设纤维沿拉力方向以棋盘状均匀分 布于基体中，如图2 1 所示。纤维间距为s ， 裂缝半宽为a ，发生在四根纤维所围成的区域 图2 1 纤维混凝土 中心。在拉力作用下，邻接于裂缝的纤维周围将产生粘结力t 分布。粘结力t 对裂缝尖端产生一个反向的应力场。从而降低裂缝尖端的应力集中程度，纤维 对裂缝的引伸起着约束作用。同时，裂缝尖端产生一个与基体尖端相反的应力 强度因子，总应力强度降低。 根据r o m u a l d i 等人的理论分析，当水泥基体中纤维的平均中心距离小于7 6 m m 时，纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以明显提高。他们对定向纤维混 凝土试件进行了抗折与劈裂试验，进一步提出纤维混凝土的强度和韧性只由纤 维的平均间距控制的观点乜。并且通过试验表明，纤维混凝土的初裂应力与纤 维间距的平方根成反比。还分别提出了在纤维混凝土中纤维呈三维乱向分布时 纤维平均中心间距s 的计算。其他研究者则根据纤维的不同取向与周边界面条 第2 章聚丙烯纤维增强混凝土内部微观机理及其性能分析 件而提出另外的计算。连续纤维沿拉应力方向分布在基体中i 司，纤维之l 剐的i 司 距为s ，半径为a 的裂缝存在于4 根纤维所围成的区域中心。材料在受到拉伸时， 拉伸应力在纤维上产生的粘结应力分布在裂缝端部附近，从而对裂缝尖端产生 反向应力场，降低了裂缝尖端的应力集中程度，使裂缝的扩展受到约束，裂缝 端部的扩展力减小，材料的强度特别是韧性得到明显地增强，纤维的这种对裂 纹扩展的约束作用与纤维之间的间距和纤维的数量有密切关系。纤维间距越小， 单位体积中的纤维数量越多，这种作用就越有效嘲。 下面来推导纤维间距s 的表达式： 设纤维直径为d ，长度为，时，在纤维体积率为1 ，( ) 的单位体积纤维混凝 土中，含有纤维总根数为公式( 2 1 ) 舻乃5 石。亏 q _ ，jj 因此，当纤维方向系数为r l 时，在纤维混凝土的任意端面上，纤维根数为n 时，则 吵以2 名5 万彬o ( 2 2 ) 肛2 ( 2 3 可得纤维平均间距为公式( 2 4 ) ： s = 8 8 6 办v ( 2 4 ) 当纤维为一维乱向分布时，取q = 1 ，则： s = 8 8 6 办 ( 2 5 ) 当纤维为二维乱向分布时，取r l = 0 6 4 ，则： s = 1 2 5 办 ( 2 6 ) 当纤维为三维乱向分布时，取n = 0 4 0 5 ，则： s = 1 3 8 办 ( 2 7 ) e h 此上面公式可知，纤维平均间距s 与纤维直径d ，密切相关，当纤维体积 率v 一定时，d ，越小，s 也越小，对裂缝引发和扩展的约束能力越大，s 也与 第2 章聚丙烯纤维增强混凝土内部微观机理及其性能分析 纤维体积率有关，当纤维直径d ，定时，纤维体积率v 越高，则s 相应减小， s 还与纤维方向系数有关，当纤维体积率直径和长度不变时，一维分布时纤维 平均间距最小，三维分布时平均间距最大，二维分布的纤维间距处于两者之间。 在后面的抗渗性能研究中，可知当聚丙烯纤维体积掺量为0 6 ，抗渗性提 高3 0 ；当聚丙烯纤维掺量为0 9 时，抗渗性提高5 0 。纤维间距理论或者纤 维阻裂理论可以很好的解释聚丙烯纤维增强混凝土抗渗性能的原因。假定混凝 土块体内存在有发生微裂缝的倾向，均匀分布在混凝土块体之中的纤维可以起 到阻挡块体内部微裂缝发展的作用。当任何一条微裂缝发生，并且可能向任意 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s 的路 程之内，就会遇到横在它前方的一条纤维盯1 。由于这根纤维的存在，使得微裂缝 发展受阻，只能够在混凝土块体内形成类似与无害孔洞的封闭空腔或者内径非 常细小的孔。大量聚丙烯纤维的存在减少了裂缝的数量、裂缝的宽度和长度， 并且可以降低生成相互贯通的孔洞和裂隙的可能性。所以掺入聚丙烯纤维可以 大幅度提高水泥基体的抗渗性。 2 2 纤维极限抗拉强度和临界体积率 纤维复合材料的纤维临界体积率的定义是：在基体开裂后，纤维能承担复 合材料开裂时荷载所需的最小纤维体积率，或者基体开裂后复合材料承载能力 的下降所必须掺入的最小纤维体积率。 2 2 1 顺向连续纤维的极限强度和临界体积率 当基体开裂后，因基体卸载，荷载全部由纤维并通过其界面粘结来承担， 复合材料开裂前承受的应力为公式( 2 8 ) ： 吒l = 靠。层r + 。( 卜v r ) ( 2 8 ) 式中： 6 一一基体的极限应变； d 删一基体的极限抗拉强度。 当基体开裂后，则。= o ，此时复合材料承担的应为吒2 = 仃向v ，； 当吒： 吒。时，复合材料开裂后纤维不能承担因基体开裂卸荷而增加的荷 第2 章聚丙烯纤维增强混凝士内部微观机理及其性能分析 载，纤维随即呈现拔出或拉断状态，复合材料的极限抗拉强度受基体控制，基 体呈单点开裂，复合材料的极限抗拉强度为公式( 2 9 ) ： 吒= q l = 。e ，巧+ ( 卜) ( 2 9 ) 当o c ：) ，时，在基体开裂后，荷载转移给纤维来承担，纤维能承担因基 体开裂卸荷而增加的全部荷载，直至纤维被拔出或拉断，此时y ，越大，纤维增 强作用越大，复合材料的极限抗拉强度即为公式( 2 1 0 ) ： o - o 。= 吒2 = 盯，i f ( 2 1 0 ) 当o - c ，= c r c ，时，可求得纤维的临界体积率为公式( 2 1 1 ) 、( 2 。1 2 ) ： 仃加v = 靠。e r + 吒。( 1 一) ( 2 11 )tc 吆= ( 盯加一e ，+ 。) ( 2 1 2 ) 因此，当( 时，纤维对复合材料的极限强度无增强作用；当) 时， 在复合材料初裂前，纤维抑制了复合材料裂缝的出现和扩展，推迟了裂缝的出 现，从而不仅提高了复合材料的初裂强度，而且在初裂以后，因纤维约束了裂 缝的扩展，使复合材料的延性提高。 2 2 2 乱向短纤维的极限强度和临界体积率 乱向短纤维复合材料的极限抗拉强度和临界体积率与顺向连续纤维复合材 料的计算模式相似，只不过是要考虑到前面所提及的纤维取向、界面粘结和纤 维有效长度三种因素。 2 3 聚丙烯纤维对混凝土性能的影响分析 就目前研究现状来看，聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维，被称为 混凝土的“次要加强筋 ，水泥混凝土中掺加不同纤维后可以改善不同的物理力 学性能指标，其中所改善的性能指标主要是混凝土的韧性、混凝土的耐久性及 强度，这些性能正是为了满足提高道路和桥梁工程抵抗交通荷载能力的需求。 目前可以改善素混凝土性能的纤维有钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯纤维、碳纤维 等。聚丙烯纤维加入水泥混凝土中，理论上会对混凝土产生以下几种性能影响： 1 4 第2 章聚丙烯纤维增强混凝士内部微观机理及其性能分析 2 3 1 聚丙烯纤维对混凝土基体强度的影响 有报告说，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”的试验结果是“很有可能带选择性的”。有些研究报告结果n 9 1 ：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，这样看来，在 混凝土中掺加聚丙烯纤维对于混凝土强度的影响，存在着结论完全相反的两种 报告结果。据此推断的结论应该是，在聚丙烯纤维混凝土强度的测定方面，必 定存在着某种尚未被完整观察和完全控制的作用因素，或者对混凝土强度试验 和观测结果的离散性，己经超过了聚丙烯纤维本身对改变混凝土强度的能力， 甚至聚丙烯纤维混凝土关于强度的影响更主要地取决于混凝土配比的影响。 2 3 2 阻止水泥混凝土中微裂缝的扩展并推迟新裂缝的出现 聚丙烯纤维掺入混凝土中所起的阻裂作用大致可以分为两个阶段： 第一阶段是在塑性混凝土中阻裂作用：混凝土从搅拌到浇筑，直至硬化完成 之前都呈现塑性状态，称为塑性混凝土。由于聚丙烯纤维的加入，可以显著减 少甚至完全消除混凝土浇筑后尚处于塑性状态时产生的裂缝。一般，采用膨胀 剂或者钢丝网片难以起到这样的作用。首先，均匀散布的聚丙烯纤维在混凝土 中呈现三维网络结构，起到了支撑集料的作用，其作用效果是阻止了粗、细集 料的沉降，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。即粗 集料首先下沉，然后是细集料。“离析 不仅影响混凝土的匀质性，同时因混凝 土面层存在较多的水泥净浆或者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。由于聚丙烯纤维 的加入可以有效防止和抑制混凝土的离析倾向，故而也可减少甚至完全阻止了 混凝土表层裂缝的产生乜5 1 。其次，聚丙烯纤维在塑性状态的混凝土中承受干缩 而产生的拉应力，可以减少细小裂缝的数量。原因是塑性状态的混凝土强度极 低，当水分蒸发时，混凝土因收缩而产生拉应力，极易引起裂缝，而大量均匀 分散在混凝土中的聚丙烯纤维可承受此种拉应力，减少与防止裂缝的产生和发 第2 章聚丙烯纤维增强混凝士内部微观机理及其性能分析 展。 第二阶段是聚丙烯纤维在硬化混凝土中的阻止裂缝的产生：混凝土在硬化 阶段，混凝土通常会发生以下三种收缩，温度收缩、干燥收缩、碳化收缩。首 先是温度收缩，及混凝土结构在使用过程中受骤热、骤冷的作用，或因外界环 境温度下降而引起所谓的的“冷缩”，产生温度应力从而使混凝土产生大量裂缝。 温度收缩裂缝在形成之初通常较为细小，但是此后经过反复干缩和冷缩，裂缝 就会逐渐扩大并加强。其次是碳化收缩，碳化收缩是混凝土中的水泥水化后产 生氢氧化钙c a ( o h ) 。，当大气中的二氧化碳c 0 。通过混凝土中的毛细孔道进入其 中后，即可能与氢氧化钙发生反应生成碳酸钙c a c o 。与氢氧化钙c a ( o h ) 。相比， 反应生成碳酸钙c a c o 。的体积减少1 2 ，自然引起混凝土收缩，在约束条件下， 也会导致混凝土中裂缝的产生。干燥收缩是混凝土毛细孔道内的水分蒸发，产 生毛细管压力，使水泥基体发生干燥收缩。当混凝土结构内产生的拉应力超过 混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生大量裂缝比引。 2 3 3 阻止混凝土整体的变形能力和耐久性 聚丙烯纤维可以大大增强砂浆防水抗渗的能力，聚丙烯纤维也是一种改善 混凝土耐久性的材料。掺加大量微细纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂 及离析裂纹的产生及发展，极大地减少了混凝土的收缩裂缝，尤其是有效抑制 了连通裂缝的产生，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了连接骨料 的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中直径为4 0 一9 0 纳米的孔隙的含量大大降低，可以极大地提高抗渗能力。有数据表明口”：0 4 体积掺量的聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土抗渗能力提高6 0 - - 7 0 。并且聚丙 烯纤维对混凝土性能的改善作用还包括通过减少混凝土的渗水，使表面混凝土 的质量得以改善，从而使混凝土的耐久性指标诸如抗冻性、抗盐性、抗化学侵 蚀性等得到了改善。 由于这些特点特别适用于路面、公共场所等工程部位，近几年在我国的市 政、公路和建筑工程中己有较多应用。 1 6 第3 章聚丙烯纤维混凝土配合比设计步骤 第3 章聚丙烯纤维混凝土配合比设计步骤 3 1 对原材料的技术要求 虽然混凝土是目前应用最广泛的建筑材料，但是由于混凝土材料本身的孔 隙及其它缺陷，使其存在抗拉强度低、极限拉伸率小、延性差及在拉应力或冲 击荷载作用下易发生脆性破坏等缺点，在很大程度上制约着混凝土材料的力学 性能和应用范围。为适应现代