（材料学专业论文）高性能聚丙烯纤维混凝土性能研究.pdf

摘要 高性能聚丙烯纤维混凝土是近年来迅速发展起来的一种性能优良且应用广泛 的新型复合材料。它是在混凝土中加入聚丙烯纤维、硅粉、磨细矿渣、粉煤灰等 活性矿物掺合料以及高效减水剂等外加剂所获得的一种低水胶比、高耐久性、高 强度及高流动性的混凝土。深入研究高性能聚丙烯纤维混凝土的力学性能和耐久 性能，可对其在工程中的实际应用提供理论依据，有着重要的理论意义和实际意 义。本文依托重庆奉节县梅溪河大桥项目“梅溪河大桥主梁c 6 0 高性能混凝土配 合比研究”进行研究。通过大量的试验研究和理论分析，系统地研究高性能聚丙 烯纤维混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能、微观结构以及作用机理。 试验结果表明，掺入聚丙烯纤维使得混凝土拌合物坍落度减小，但可以增强 混凝土的保水性，增大混凝土拌合物的含气量，从而使得混凝土的耐久性能有一 定的提高。在混凝土中掺入聚丙烯纤维大大降低了混凝土早期干缩率，一定程度 上提高了混凝土抗折强度及劈裂抗拉强度，但对抗压强度影响很小，从而一定程 度上降低了混凝土的脆性。高性能混凝土中掺入聚丙烯纤维，其抗冲击性能和弯 曲韧性有一定程度的提高。纤维的加入也使混凝土的抗渗性能、抗冻融性和抗碳 化性能等耐久性能得到提高，从而改善了混凝土的耐久性。由此可见，高性能聚 丙烯纤维混凝土对改善建筑工程质量、提高混凝土工程的耐久性确有成效，将其 应用于工程实际将具有长远效益。 关键词：混凝土；聚丙烯纤维；力学性能；耐久性能；作用机理 a bs t r a c t t h eh i g hp e r f o r m a n c ep o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t e ，an e wc o m p o s i t em a t e r i a l 嘶t he x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，i sd e v e l o p e dr a p i d l ya n da p p l i e de x t e n s i v e l yt oc i v i l e n g i n e e r i n gi nr e c e n ty e a r s i ti sp r o d u c e db yp u t t i n gf i b e r s ，s o m es i l i c o nf l o u r ，m i l l s c o r i a ，f l ya s ha n ds u p e rw a t e rr e d u c i n ga g e n ti n t on o r m a lc o n c r e t e ，w h i c hh a v et h e q u a l i t yo fl o ww a t e rc e m e n tr a t i o ，h i g hd u r a b i l i t y ，h i g hs t r e n g ha n dh i g hf l u i d n e s s i n t e n s i v es t u d yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eh i g hh e r f o r m a n c ep o l y p r o p y l e n e f i b e rc o n c r e t ec a l l p r o v i d et h e o r yf o u n d a t i o nf o rf u r t h e ra p p l i c a t i o no ft h i sn e w m a t e r i a li np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ，w h i c hh a si m p o r t a n tt h e o r ya n de n g i n e e r i n gv a l u e t h es t u d yi sr e l i e do nt h ec h o n gq i n gf e n g i i em e i x ir i v e rb r i d g eo b j e c t ，w h i c hn a m e d “m e i x ir i v e rb r i d g ee n g i n e e r i n g ，c 6 0h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t em i xp r o p o r t i o n r e s e a r c h t h r o u g hp l e n t y o ft e s tr e s e a r c h e sa n dt h e o r ya n a l y s e s ，t h i s p a p e r s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h ec o n s t r u c t i o nf u n c t i o n 、t h em e c h a n i c a lp r o p e r t y 、t h e d u r a b i l i t y 、m i c r o c o s m i cs t r u c t u r ea sw e l la se f f e c tm e c h a n i s mo fc e m e n tc o n c r e t e m o d i f i e db yp o l y p r o p y l e n ef i b e r t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd a t a , t h i sp a p e rr e a c h e st h a tp o l y p r o p y l e n ef i b e rh a v e r e d u c e ds l u m po fc o n c r e n tm i x t u r e ，a n dr a i s e dt h en a t u r eo fr e s e r v i n gw a t e ra n d tt h ea i r c o n t e n to fc o n c r e n t m i x t u r e ，t h u s t o i n m p r o v e dt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e p o l y p r o p y l e n ef i b e rh a v eg r e a t l yr e d u c e dt h er a t eo fe a r l yd r y i n gs h r i n k a g eo ft h e c o n c r e t e ，h a v er a i s e db e n d i n gs t r e n g t ha n ds p l i tt e n s i l es t r e n g t ho fc e m e n tc o n c r e t eo n c e r t a i nl e v e l ，b u tf o rc o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，t h ei n f l u e n c ei sv e r yl i t t l e s oo nc e r t a i n l e v e l ，p 0 1 y p r o p y l e n ef i b e rh a sr e d u c e dt h eb r i t t l e n e s so fc o n c r e t e f i b e ra l s oi m p r o v e d t h eb e n d i n gt o u g h n e s sa n dc o n c u s s i o np r o p e r t yo fc o n c r e t eo n ac e r t a i nl e v e l f i b e ra l s o i m p r o v e dp e n e t r a b i l i t yr e s i s t a n c e 、f r o s tr e s i s t a n c ea n dc a r b o n i z a t i o nr e s i s t a n c eo f c o n c r e t e ，s oi m p r o v e dt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t e t h u si tc a nb es e e n , t h eh i g h p h e r f o r m a n c ep o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t eh a se f f e c tc e r t a i n l yf o ri m p r o v i n gb u i l d i n g p r o j e c tq u a l i t ya n dr a i s i n gt h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ep r o j e c t s oa p p l yf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ei np r o j e c ta c t u a lw i l lh a v el o n gt e r mb e n e f i t k e yw o r d s ：c o n c r e t e ；p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；d u r a b i l i t y ； e f f e c tr n e c h a n i s 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：念砉日期：力一7 年弓月2 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：徐睿 日期：川年弓月研日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：詹涛 日期：卅年弓月卵日 指导教师签名： 日期：加气年 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 第一章绪论 建筑结构是建筑物的主要骨架，而结构的物质基础是建筑材料。建筑结构的 优化和发展不断促进建筑材料的更新和发展。混凝土是近现代最广泛使用的建筑 材料，也是当前最大宗的人造材料。其原料丰富、价格低廉、制各简单、造型方 便，而且耐久、耐火性能好、维护费低，在土木建筑材料中占有着极其重要的地 位。据不完全统计，当今世界每年消耗的混凝土量不少于4 5 亿立方米，而且在2 1 世纪仍将稳定增长。 伴随着工程建设的需要和科技的发展，混凝土性能及其应用技术也得到了快 速的发展。围绕着混凝土的质量与施工水平的提高，混凝土技术的发展，归纳起 来，可以说由初期的大流动性混凝土发展到塑性混凝土，二次大战后发展了半干 硬性与干硬性混凝土，后来发展了流态混凝土；直至今天又发展为高强度、高性 能混凝土。但是，混凝土的固有弱点是因其具有脆性而容易产生裂缝，高强混凝 土的抗拉强度与抗压强度之比仅为6 ( 当混凝土的强度等级超过c 4 5 时) ，脆性 显著，塑性明显下降。因为脆性破坏会随时产生，高强混凝土结构的跨度不能增 幅太大。当结构受弯、荷载等于破坏荷载的1 5 2 0 时就开始产生裂缝，裂缝的 扩展会造成结构物抗渗性等耐久性能的降低，以致使用寿命缩短；在结构设计时 因裂缝宽度的限制，高强建筑材料的优越性得不到充分应用，对于大跨度桥梁这 种结构，裂缝更是引起结构物破坏的一个重要因素。 在混凝土中掺入纤维，可以明显的改善混凝土的抗裂性能，抑制裂缝的产生 及发展，提高混凝土的体积稳定性和耐久性，保证结构物的安全使用寿命。高性 能聚丙烯纤维混凝土是一种耐久性优良，很有发展前景的高性能水泥基材料，研 究高性能聚丙烯纤维混凝土性能，推广其在工程中的应用具有很重要的理论意义 和实际意义。 1 2 高性能混凝土研究现状制 高性能混凝土h p c ( h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e ) ，首先是在1 9 9 0 年美国n i s t 与a c i 召开的第一届高性能混凝土的讨论会上提出的。对h p c 的涵义可概括为： h p c 是符合特殊性能组合和匀质性要求的混凝土，采用传统的原材料和一般的 拌和、浇筑与养护方法。h p c 是一种在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采 用现代混凝土技术制作的混凝土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用 2 第一章绪论 途要求，对下列性能有重点地予以保证，即耐久性、施工性、适用性、强度、体 积稳定性和经济性。h p c 是一种以耐久性和可持续发展为基本要求并适合工业化 生产施工的混凝土。 近二十年来，很多国家都对高性能混凝土进行了大量的研究开发工作，推广 其在各项工程中的应用。 法国 1 9 8 6 1 9 9 3 年，法国政府组织了包括政府研究机构、高等院校、建筑公司等2 3 个单位开展了“混凝土新方法”的研究项目，进行高性能混凝土的研究，并建成 了示范工程。如j o i g n y 城的一座三跨后张法预应力钢筋混凝土桥，其混凝土强度 等级相当于我国c 7 0 ，比原设计的c 4 0 减少原混凝土量3 0 ，减少自重2 4 ；c i v a u x 核电站2 号反应堆预应力钢筋混凝土安全壳，高8 5 m ，直径4 4 m ，混凝土强度等 级为c 7 0 ，其水泥用量只有2 4 0 k g m 3 ，有很高的气密性。 日本 日本在2 0 世纪7 0 年代就采用h p c 预应力铺架修建了几座铁路桥梁，以减少 交通静荷载，降低活载作用下的结构反应，消除火车营运过程中产生的噪音和振 动问题。规定的混凝土强度为6 0 8 0 m p a ，但现场达到的平均强度超过了9 0 m p a ， 水灰比为o 2 3 和o 3 0 。1 9 9 3 年，日本还修建了一座长4 0 米的单跨后张箱型梁人 行天桥，使用的混凝土是很有流动性的自成型混凝土强度达到1 2 2 m p a ，坍落度为 2 5 c m 2 c m ，流动度为6 0 c m 5 c m ，水灰比为0 2 0 。 挪威 挪威结合北海海洋石油开发的需要，是较早对h p c 开展研究的国家之一，至 今已建造了数十个海洋采油平台，成功地经受了非常恶劣的海洋环境。1 9 8 6 年开 始对高强混凝土材料进行研究，为了提高结构的耐久性，挪威所有的桥梁混凝土 必须掺粉煤灰或硅粉，水胶比不得超过o 4 。 美国 1 9 9 3 年美国联邦公路管理局( f h w a ) 发起了在全国公路桥梁建设中推广应用 h p c 的计划，1 9 9 6 年美国公路与运输协会和美国联邦公路管理局联合成立了h p c 工作小组以实施h p c 在公路工程中的应用。1 9 9 4 年，美国联邦政府1 6 个机构联 合提出了一个在基础设施工程建设中应用高性能混凝土的建议，并决定在1 0 年内 投资2 亿美元进行研究和开发。美国国家自然科学基金( n s f ) ，美国国家标准与技 术研究所( n i s t ) ，美国联邦公路管理局( f h w a ) 以及一些州政府的运输部和美国工 程兵等机构，都一直投入大量经费，资助高强混凝土和高性能混凝土的研究，n s f 以每年2 0 0 万美元的经费，定期资助以西北大学为首的水泥基复合材料联合研究 中心对高性能混凝土的研究。 第一章绪论 中国 我国对h p c 的研究是在高强混凝土研究的基础上发展起来的。从2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初，清华大学率先把高强混凝土列为国家自然科学基金重点项目 进行研究，此后各省市相继列项研究，取得一批成果，完成了多个c 8 0 乃至c1 0 0 的工程试点项目。在此基础上，随着对高强混凝土仅仅片面的高强度而工作性等 不能满足要求的局限性的深入认识，及生产实际中对结构物更高的耐久性追求， 又掀起了h p c 的研究热潮，取得了一定的研究成果，并且己经应用到一些工程实 际中。目前，c 6 0 的h p c 己广泛应用于桥梁、高层建筑及海洋结构等工程；c 8 0 混 凝土也在工程中试点应用。 我国现在对于高性能混凝土的研究正在逐步地走向正规和系统。中国工程院 院士吴中伟提出“绿色混凝土 的概念，对绿色高性能混凝土必须走可持续发展 道路的观念深入人心起到了重要的作用。从世界范围看，人类对陆地的开发己日 趋饱和，高性能混凝土正适合今后开发有巨大潜力的海洋资源的需要。因此高性 能混凝土是可持续发展的混凝土，二十一世纪的混凝土将是高性能混凝土。 1 3 聚丙烯纤维混凝土的特点嘲6 1 7 1 嗍 聚丙烯纤维一般分为单丝和网形两种规格，长度在1 9 r n r n 5 0 n u n 之间，其物理 性能基本相同。聚丙烯纤维不溶于水，无味、无毒，密度约为o 9 1 9 c m 3 ，熔点约 为1 6 7 ，燃点约为5 8 0 ，弹性模量较低，抗拉强度适中，受拉时的极限延伸率 高，耐热性能好，导电性、导热性极低，抗酸碱性极高。为了增强纤维与混凝土 的表面粘结力，纤维表面都经过了特殊的工艺处理。此外，聚丙烯纤维经过特殊 的抗紫外线处理后，具有一定的抗紫外线老化能力。 聚丙烯纤维的化学性质非常稳定，只是依靠改变混凝土的物理结构而改变混凝 土的性能，而本身不会吸收其它物质，同混凝土的骨料、外加剂、掺合料和水泥 都不会有任何化学作用，故与混凝土材料有良好的亲和性。聚丙烯纤维对搅拌设 备及搅拌工艺也没有特别的要求。施工时，在保持混凝土原配合比不变的条件下， 可根据配合比直接将整袋纤维投入到搅拌机或分次投入，只要适当保证搅拌时间 即可使用，无论是在搅拌站还是在施工现场都十分简便。值得注意的是，加入纤 维后，混凝土的原配合比不变，混凝土的粘聚性有所增强，坍落度有很小的损失， 但不会对工作性能产生不利影响，对于泵送混凝土对可泵性没有影响。如确需提 高坍落度，不可加大用水量，只需稍增大减水剂用量。 总之，聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土的优势在于： 聚丙烯纤维有效地抑制了混凝土塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微 4 第一章绪论 裂缝的形成及发展，提高了混凝土的抗裂能力，可作为抗裂钢丝网替代或增强材 料。聚丙烯纤维在控制混凝土的塑性收缩裂缝上的主要作用为：阻滞塑性收缩裂 缝的产生和限制裂缝的发展。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化前，特别 是在混凝土浇筑后4 5 h 之内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗 拉应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝。掺入聚丙 烯纤维后，由于其分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗粒料的快速失 水所产生的裂缝，延缓了第一条塑性收缩裂缝出现的时间。同时，在混凝土开裂 后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展。试验表明，混凝土塑性收缩裂缝 面积、裂缝最大宽度及失水速率均随着纤维体积掺量的增大而显著降低，说明聚 丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗裂性能。 聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗渗防水能力。在混凝土中掺入聚丙烯 纤维，可以有效地抑制混凝土早期干缩开裂及离析裂纹的产生及发展，减少混凝 土的收缩裂缝，尤其是有效地抑制了连通裂缝的产生，因而减少了渗水通道，提 高了混凝土的抗渗防水性能。另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维 起了“承托 骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而使混凝 土中直径为5 0 l o o n m 和大于l o o n m 的孔隙含量大大降低，有效提高了混凝土抗 渗能力。 聚丙烯纤维大大提高了混凝土的抗冻能力，提高了混凝土的耐久性。在混 凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻 止微裂缝的扩展。同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。寒 冷地区的公共建筑设施使用聚丙烯纤维混凝土后，都有效地减少冻裂问题。聚丙 烯纤维可作为一种有效的混凝土温差补偿性抗裂手段。 聚丙烯纤维有效地提高了混凝土的抗冲击、抗震及抗龟裂能力。明显提高 了混凝土面层的耐磨能力，减少了鳞状、片状剥落等破坏现象。在混凝土内掺入 聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混 凝土材料混合，分布均匀：同时由于纤维的直径小，故比面积大，每公斤聚丙烯 微纤维连起来的总长度可绕地球l o 多圈，若分布在h i l 3 的混凝土中，则可使每l c m 3 的混凝土中有近二十条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系， 这种均匀的乱向支撑体系有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。显然，这是纤 维的阻裂作用所致，在混凝土受冲击荷载作用时，纤维可以有效地阻碍混凝土中 裂缝的迅速扩展，吸收由于冲击荷载所产生的动能，从而提高混凝土的抗冲击性 能。此外，聚丙烯纤维以每方数千万根的数量掺入到混凝土中时，其互相搭接、 牵连，在混凝土内形成的乱向支撑系统阻碍了混凝土由于冲击带磨损发生的裂缝 的发展，纤维本身也牵制了混凝土从基体中剥落，使得混凝土从基体上剥离需要 第一章绪论 消耗更多的能量，从而提高了混凝土的耐磨能力。 聚丙烯纤维混凝土的耐化学腐蚀性好。聚丙烯纤维有一定的化学惰性，在 酸性、碱性环境下几乎不发生变化。同时，纤维在混凝土内部可避免光氧老化。 聚丙烯纤维混凝土的抗拉及抗弯强度有所增加。聚丙烯纤维混凝土试件在 弯折时，发生类似于钢筋混凝土的多裂缝型折断，折断速度较慢，抗折强度及极 限拉伸强度增加约8 1 0 ，在国外尚有增加抗折弯强度达3 0 的报道。 总而言之，聚丙烯纤维加入混凝土中，改善了混凝土的品质，减少了混凝土 在施工期的裂缝和缺陷，增强了混凝土的韧性、抗冲击性、抗冻融、抗渗和抗疲 劳等耐久性；特别对改善混凝土的脆性有重要意义。高性能聚丙烯纤维混凝土是 一种耐久性优良、很有发展前景的高性能水泥基复合材料。 1 4 聚丙烯纤维混凝土在国内外研究与应用的现状 1 4 1 聚丙烯纤维混凝土的发展简史 利用纤维增强混凝土并非当代的新设想，早在民间便有了将稻草或毛发混合拌 入泥浆中制造土坯或土墙的经验。1 9 6 5 年，聚丙烯纤维混凝土最初用在美国的军 事工程中，以增强混凝土的坚固性。2 0 世纪6 0 年代前期g o i d f e i n 研究用合成纤维 作为水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于提高 水泥砂浆的抗冲击性能【9 】。z o l l o 等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为 0 1 0 o - - 0 3 的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少1 2 一2 0 t 1 0 1 。 2 0 世纪7 0 年代初，美、英等国已开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制品 与工程中，所用纤维直径与钢纤维相近( o 2 2 - - 0 2 5 m m ) ，纤维体积率为0 5 左右。 7 0 年代中期，美国开发成功聚丙烯膜裂纤维( f i b r i l l a t ep o l y p r o p y l e n ef i b e r ) ，是一种 直径为2 m m 以上的柬状纤维，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 2 u m ，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 。8 0 年代 初，美国若干公司通过表面处理技术开发成功可均匀分散于混凝土中的直径为 2 3 6 2 u m 聚丙烯、尼龙等单丝纤维，在纤维体积率为0 0 5 - 4 ) 2 时即有明显的抗 裂和增韧效果【l l 】。近十几年来，美国与加拿大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 国所用混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【l 2 。 在美国，纤维混凝土还被大量使用于地下防水工程、工业与民用建筑的屋面、 墙体、地面、水池、道路以及桥梁隧道工程中。以杜拉纤维为例，从这种产品诞 6 第一章绪论 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 南亚等地区的混凝土工程中得到了相当广泛的应用，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。 纤维混凝土在中国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。中国土木建筑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混凝土学术会议。此后，又分别在 哈尔滨( 1 9 8 8 ) 、武汉( 1 9 9 0 ) 、南京( 1 9 9 2 ) 、南海( 1 9 9 4 ) 、重庆( 1 9 9 6 ) 、井冈山( 1 9 9 8 ) 、 济南( 2 0 0 0 ) ，郑卅1 ( 2 0 0 2 ) 召开了历届纤维水泥与纤维混凝土学术年会，1 9 9 7 年1 1 月 在广州召开了国际纤维混凝土学术会议。这说明中国工程界对纤维混凝土早有关 注【6 1 。 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土的有机纤维通过 商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国应用的契机。在以后的几十年，纤维 混凝土在中国得到了很好的发展，并且在很多工程中得到推广应用。 1 4 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2 0 世纪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，2 0 世纪9 0 年代中后期便在大量土木工程和建筑工程中使用。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。 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，在国外称为超薄白色路面，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，解决了沥青路面无休止翻新的问题【1 3 】。 聚丙烯纤维应用于中国混凝土路面的工程己有很多。例如，我国广州市环城高 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。另外，郑州市一新建 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。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 第一章绪论 这些部位混凝土的最长使用年限。 桥梁工程 聚丙烯纤维用于桥面或桥面铺装层，可有效的控制和减少裂缝，提高桥面的防 水性能。山东济青高速公路一桥面混凝土出现严重破碎，后开始试用聚丙烯纤维 混凝土修复，l o 天后开放交通，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 题。 水工建筑物及构筑物 水处理过程中的水槽、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龟裂， 又能提高抗渗性能。2 0 0 0 年1 2 月，宁波白溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土 浇筑面板坝获得成功，总共浇筑面板3 3 块，混凝土浇筑方量将近1 0 0 0 0 立方米【l 4 1 。 广东湛江港码头作业区混凝土面层厚度为2 0 0 m m ，铺面层中加入聚丙烯纤维，以提 高抗冲击和耐磨能力。 工业和民用建筑 我国在2 0 世纪9 0 年代中期后就己经在大量工业与民用建筑工程中使用聚丙烯 纤维混凝土。广州5 0 层高的中心广场大厦，在平均厚度8 0 0 m m 的四层地下室的 地板、侧墙、楼板等构筑物中大量采用c 4 0 聚丙烯纤维混凝土，以解决刚体本体 的防水、抗裂，并且地下室完工后极少发现明显裂缝及渗漏，取得了良好的效果【l 引。 广州文德广场7 0 0 0 m 2 屋面板、西安市南大街地下商业街、重庆朝天门广场1 7 0 0 0m 2 扩观景平台和深圳市民中心3 0 0 0 0m 2 大型地下室等工程中，聚丙烯纤维混凝土的 使用都取得了成功。 从目前发展的趋势来看，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。 1 4 3 聚丙烯纤维混凝土的研究现状 国外对聚丙烯纤维混凝土的研究在基本性能研究的基础上，已有一定延伸。 a y d n e yf u r l a nj r 等对1 4 根梁做了抗剪试验，指出与素混凝土相比，抗剪强度、刚 度( 特别是在第一开裂期后) 和韧性都有提高，同时还研究了箍筋对纤维混凝土 8 第一章绪论 梁的影响。g d m a n o l i s 等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，发现纤维的引入对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。 从前些年国内研究水平来看，主要集中于对纤维混凝土的物理、力学性能的研 究：华渊、刘荣华等人的研究表明，与基准混凝土相比，随着纤维体积率的增加 ( 0 0 o - - 1 5 ) ，纤维混凝土的抗压强度变化很小，抗折强度则提高了1 2 2 6 ，韧 性也随之增加，他们提出了聚丙烯纤维混凝土的裂纹发展规律，定性分析了增韧 机理。孙家瑛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。戴建国和黄承逵研究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、热老化性及收缩性的试验结果。 近几年，建筑材料理论界也在国外学术界研究成果的基础上开始关注并研究 相关的理论问题。中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝 土中的作用机制，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出低 掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用【l2 1 。大连理工大学的戴建国、 黄承逢、赵国藩研究了低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度问题，给出了可用 于计算低弹性模量纤维混凝土构件抗弯承载能力的指标和计算方法，同时说明聚 丙烯纤维在工程中不但可以用作非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且可 以作为结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构延性【l 刚。 阐明纤维对混凝土增强作用理论的学说目前主要有纤维间距理论和复合材料 理论。“纤维间距理论 是r o m u a l d i 、b a t s o n 与m a n d e l 提出的，这种理论根据线 弹性力学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为在混凝土 内部存在固有缺陷，如要提高强度，必须尽可能减小缺陷程度，提高韧性，降低 混凝土体内裂缝端部的应力集中系数【9 】。当纤维的平均中心间距小于7 6 m m 时， 纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以提高。 英国的s w a m y 、m a n g a t 等提出的“复合材料理论”是将复合材料看作一个多 相系统，其性能乃是各个相的性能的加和值。该理论应用于纤维混凝土时，有几 个假设前提：纤维与水泥基材均呈弹性变形；纤维沿着应力作用方向排列， 并且是连续的；纤维、基材与纤维混凝土发生相同的应变值；纤维与水泥基 材的粘结良好，二者不发生滑动。 1 5 本文研究目的及内容 1 5 1 研究目的 第一章绪论 9 本文进行高性能聚丙烯纤维混凝土性能研究。通过广泛的资料收集、大量的 试验研究和理论分析，本文将系统研究低掺量高性能聚丙烯纤维混凝土( 纤维掺 量2 o k g m 3 ) 的工作性能、物理力学性能、耐久性能、微观结构以及作用机理， 对其在工程中的实际应用提供理论依据，并将研究成果应用于桥体工程中。 1 5 2 研究内容 高性能聚丙烯纤维混凝土工作机理( 增强增韧机理、抗裂机理) 研究； 高性能聚丙烯纤维混凝土拌合物性能研究； 高性能聚丙烯纤维混凝土力学性能( 抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度、 抗冲击性能、弯曲韧性) 研究； 高性能聚丙烯纤维混凝土的耐久性( 干缩性能、抗渗性能、抗冻性能、抗 碳化性能) 研究； 高性能聚丙烯纤维混凝土的微观结构分析。 1 0 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 2 1 前言 聚丙烯纤维加入混凝土中，主要有以下几种作用： 阻碍新拌混凝土早期性收缩裂缝和硬化后的收缩裂缝的产生和扩展； 提高基体的抗拉强度； 提高基体的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性。 纤维混凝土中的纤维在混凝土中呈现三维乱向分布，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， 加之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增强的本质。 目前争议较少，且能比较准确的反映纤维增强的理论有：纤维间距理论和复 合材料理论。 2 2 纤维间距理论 纤维间距理论是在1 9 6 3 年由j e r o m u a l d i 和b b a t s o n 提出来的，该理论建立 在线弹性断裂力学的基础上，认为一些脆性材料( 如混凝土) 之所以为低应变脆断， 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、开度不断增加，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开度的扩展，从而起到增强和增韧作用。 对定向连续纤维增强混凝土，假定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( 宽度2 a ) 发生在四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。 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 l l f i b e r c r a c k ( a t h es e c t i o no ff i b e rc o n c r e t e ( a ) 混凝土块体截面 ( b ) a - as e c t i o n ( b ) a - a 截面 图2 1 纤维间距理论模型图 f i g 2 1t h es c h e m ao ff i b e r - s p a c i n gi n t e r v a lt h e o r i e sm o d e l 在拉力作用下，裂缝的纤维周围将产生如图2 1 b 所示的粘结力t 分布图形。 粘结力一r 对裂缝尖端产生一个反向的应力场。此时，裂缝尖端产生一个与基体裂 缝尖端相反的应力强度因子，总应力强度因子降低为k t ： k t = k 。一k f 式( 2 1 ) 广 或者k t = 垒丝p 危一f ) k 。式( 2 2 ) 刀 总的应力强度因子应小于临界应力强度因子，若k t k 。时，材料会发生断裂 破坏。 式中k 广复合材料实际应力强度因子； k 。、k 广外力作用下无纤维时应力强度因子，掺入纤维产生的相反的应力强度 因子； k ，广临界应力强度因子； 0 ，广沿纤维方向施加的均匀拉应力； t 一纤维对混凝土裂后附加应变的阻力在纤维与基体界面上产生的最大 剪应力。 由以上分析可见，单位面积内的纤维数量越多，亦即纤维平均中心间距越小， 混凝土抗拉初裂强度提高的效果就越好。 1 2 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 卜回采推导针维1 日j 距s 的表达式： 设纤维直径为d f ，长度为l f ，在纤维体积率为v ( ) 的单位体积纤维混凝土 帆鲔獬觚粉南阄比断舫繇粉州，楫黼魁 的任意断面上，纤维根数为n ，则： ：j _ 式( 2 3 ) ? 1 8 l f2 5 z r d i ”。 n ：三式( 2 4 ) n 2 丁 瓦( 2 4 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可得纤维平均间距为： s = 8 8 6 d f ，七 式( 2 。5 ) 1 v 矿 、。 当纤维为一维乱向分布时，取= 1 ，则 s = 8 1 8 6d f 牿 式( 2 6 ) 当纤维为二维乱向分布时，取= 0 6 4 ，则 s - 1 2 5 d r 牿 式( 2 7 ) 当纤维为三维乱向分布时，取玑= 0 4 0 5 ，则 s = 1 3 8 d f ，仁式( 2 8 ) vv 由此可知，纤维平均间距s 与纤维直径d f 密切相关，当纤维体积率v 一定时， d f 越小，s 也越小，纤维对裂缝引发和扩展的约束能力越大；s 也与纤维体积率有 关，当纤维直径d f 一定时，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。 2 3 复合材料理论 复合材料理论由英国的s w a m ys h a h ，m a n g a t 等人提出的，理论出发点是复合 材料构成的混合率，混合率将复合材料的性能视作是其各组分的性能与相对体积 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 1 3 含量乘积的加和值。 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。由于纤维种类与性能、长度和分布情况的不同， 存在两种纤维状态下的混合定律，即定向连续纤维复合材料混合定律和乱向非连 续纤维复合材料混合定律。 2 3 1 定向连续纤维复合材料混合定律 当混合率用于定向连续纤维复合材料时，以如下的假设作为前提【1 7 j ： 纤维与水泥基材在受力时均发生弹性变形； 纤维是连续的长纤维并且是沿着应力的作用方向排列的； 纤维、水泥基材与纤维混凝土复合材料在受力时均产生相同的应变值； 纤维与水泥的黏结良好，两者间不发生滑动： 纤维与水泥基材的泊桑比均为0 。 定向连续纤维复合材料，即纤维在基体中连续均匀排列，并与荷载方向一致 如图( 2 2 ) 所示： 图2 - 2 定向纤维复合材料受力简图 f i g 2 2f o r c ed i a g r a mo f d i r e c t i o n a lf i b e rc o m p o s i t e 根据图2 2 ，可推导出该纤维复合材料的杨氏模量e f t ， e f c e m v m + e f v f 式中e m 、e 厂水泥基材、纤维的杨氏模量； v m 、v 厂水泥基材、纤维的体积率。 设e 瓶m = i l ，v m = 1 v f 推导出 e f c = e m ( 1 + ( n 1 ) v f ) 式( 2 9 ) 式( 2 1 0 ) 1 4 第二章高性能聚丙烯纤维混凝土的工作机理 假定水泥基材与纤维复合材料产生相同的应变值，推导出复合材料在弹性变 形阶段的应力0 托的计算公式： 0f c = 0 ( 1 + ( n 1 ) v f ) 式( 2 1 1 ) 式中0 r 水泥基材的拉应力。 由上式可得出纤维复合材料的抗拉初裂强度仃： 盯譬2 仃：( 1 + ( n - 1 ) v f )式( 2 1 2 ) 式中盯：一水泥基材的抗拉强度。 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 即为定向连续纤维复合材料混合定律的表达式。由式( 2 1 2 ) 可得出如下结论：纤维复合材料的受拉初裂强度在很大程度上取决于水泥基材 的抗拉强度；纤维与水泥基材的杨氏模量比值愈高，则纤维水泥基复合材料的 受拉初裂强度也愈大。 水泥基材达到其抗拉强度而开裂后，假设荷载全部转移给纤维，直至纤维被 拉断，则纤维复合材料的抗拉强度( 盯：) 可由下式计算： 仃惫2 仃；v f 式( 2 1 3 ) 式中仃：一纤维的抗拉强度。 要使纤维发挥其抗裂作用，纤维复合材料的抗拉强度要大于其受拉初裂强度， 即纤维的体积率大于某一临界值，即纤维临界体积率y 。 设纤维体积率为临界值时，纤维复合材料的抗拉强度等于各组分的强度与体 积率乘积的加和值，则可推导出纤维临界体