（岩土工程专业论文）聚丙烯纤维混凝土力学性能试验研究及其在锚喷支护中的应用.pdf

摘要 摘要 喷射混凝土已广泛应用于煤矿巷道锚喷支护工程，但在高地应力、松散、破 碎围岩以及受采动影响的巷道中，这种支护形式受到限制。锚喷加固机理研究表 明，普通混凝土喷层极限变形量与巷道围岩变形量不匹配，喷层施工后不久就出 现裂缝，逐渐丧失对围岩的封闭和支护作用，这是造成锚喷支护失效的主要原因。 聚丙烯纤维混凝土作为巷道喷层能有效解决混凝土开裂问题。其原理主要在 于，混凝土中水泥作为胶凝材料来握裹纤维，纤维起微细配筋作用，同时消耗混 凝土变形开裂能量、提高韧性、撑托骨料和减少混凝土离析泌水，从而控制水泥 基体内部微细裂缝的产生和发展，提高了混凝土的抗裂性能。论文在阐述纤维增 强机理的基础上，通过4 因子3 水平正交试验，对影响喷射纤维混凝土的抗压强 度、劈拉强度和抗折强度的因子( 纤维长度、水泥用量、砂率、水灰比) 做了分 析，得到了优化后的喷射混凝土配比及纤维长度；利用所得配比进行了不同纤维 掺量条件下的混泥土强度及抗渗性能试验，总结出纤维掺量的改变能够使抗压强 度，劈拉强度、抗折强度及抗渗性能受到不同程度的影响，通过试验分析确定出 纤维的最佳掺量；用f l a c 3 d 软件对所得配比下的纤维混凝土喷层进行了数值模 拟计算，计算结果表明：纤维混凝土有较强的抵抗变形的能力，有利于围岩压力 的释放，充分发挥出了锚喷支护体系的力学性能。 论文依托于淮北矿业集团桃园煤矿北翼运输大巷支护工程，进行了工业性试 验，并对纤维混凝土喷层支护状态下的回弹量、围岩压力、衬砌受力及收敛量进 行了现场监测。监测结果表明：与普通混凝土相比，纤维混凝土粘性较大，回弹 量降低，一次喷射厚度增加，具有更好的抗变形能力，让压效果明显，围岩应力 分布均匀，及衬砌受力较小，不易出现应力集中现象。论文研究成果对改进锚喷 支护结构，促进锚喷支护技术的发展具有重要意义。 图【6 2 表【3 4 】参【5 5 】 关键词：聚丙烯纤维，混凝土，正交试验，软岩巷道，喷层，数值模拟，工程应 用 安徽理工大学硕士学位论文 a b s 仃a c t s h o t c r e t eh a sb e e nw i d e l yu s e di nc o a lm i n er o a d w a yb o l t i n ga n ds h o t c r e t i n gs u p p o ap r o j e c t ， b u tt h eb o l t i n gf o r mi sr e s t r i c t e di nh i g hg e o s t r e s sa n dl o o s er o c kr o a d w a y t h es h o t c r e t i n g r e i n f o r c e m e n tm e c h a n i s ms h o w s ，t h ed e f o r m a t i o no f o r d i n a r yc o n c r e t es p r a yl a y e ri sl i m i t e d ，a n d i td o e sn o tm a t c hw i t ht h ed e f o r m a t i o no f t h ew a l l r o c k ，s o o na f t e rt h es p r a yl a y e ri sc o n s t r u c t e d ， c r a c k sa p p e a r e d ，t h e ng r a d u a l l yl o s i n gt h es e a l i n gp r o c e s sa n ds u p p o r t i n go fs u r r o u n d i n gr o c k i t s t h em a i nr e a s o nt oc a u s eb o l t i n ga n ds h o t c r e t i n gs u p p o r t sf a i l u r e p o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t ea st h er o a d w a ys p r a yl a y e rc a l le f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo f c o n c r e t ec r a c k i t sp r i n c i p l ei sm a i n l yt h a tt h ec e m e n ta sc e m e n t i t i o u sm a t e r i a lt og r i pt h ef i b e ri n c o n c r e t e ，t h e s ef i b e r sc a nu s ea ss u b t l er e i n f o r c e m e n t ，c o n s u m et h ee n e r g yo fc r a c k ， i m p r o v e t o u g h n e s s ，r e d u c es e g r e g a t i o na n ds e c r e t ew a t e r t h u sc o n t r o l l e dt h ee m e r g e n c ea n dd e v e l o p m e n t o ft h ec r a c ki nt h ec e m e n t ， i m p r o v et h ec r a c k - r e s i s t a n c eo fc o n c r e t e t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e m e c h a n i s mo ff i b e re n h a n c e m e n t t h r o u g ht h e4f a c t o r s3l e v e l so n h o g o n a lt e s t ， a n a l y z e dt h e i n f l u e n c ef a c t o r so fc o n c r e t ec o m p r e s s i v es t r e n g t h ， s p l i t t i n gt e n s i l es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t h s u c ha sf i b e rl e n g t h ， q u a n t i t yo f c e m e n t ， s a n dp e r c e n t a g ea n dc e m e n tw a t e rr a t i o ，t h e ng o tt h e o p t i m a ls p r a yc o n c r e t er a t i oa n dt r i a ll e n g t ho ff i b e r ；u s i n gt h er a t i ot om a k et h ee x p e r i m e n to n s t r e n g t ha n di m p e r m e a b i l i t yo fd i f f e r e n tf i b e rq u a n t i t ya n dt h es u i t a b l e f i b e rq u a n t i t yw a s d e t e r m i n e d u s et h ef l a c 3 ds o f t w a r et oa n a l y z et h ep o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t el i n e rw i t ht h e r a t i o ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i b e rc o n c r e t eh a ss t r o n g n o n - d e f o r m a b i l i t y ， i sp r o p i t i o u st or e l e a s et h ew a l l - r o c kp r e s s u r em a k ef u l lu s eo ft h e b o l t - s h o t c r e t es u p p o r ts y s t e m t h ec o m m e r c i a lt e g t sw e r em a d eb a s e do nt h er e s u l t si nt a oy u a nc o a lm i n e ， m o n i t o r e dt h e r e b o u n dq u a n t i t y ， w a l l r o c kp r e s s u r e ，s t r e s so ft h el i n e ra n dr o a d w a yc o n v e r g e n c eu n d e rt h e c o n d i t i o no ff i b e rc o n c r e t es u p p o r t m o n i t o r i n gr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t ho r d i n a r yc o n c r e t e ， t h ef i b e rc o n c r e t eh a ss t r o n gs t i c k i n e s s ，r e d u c e st h er e b o u n dq u a n t i t y ， i n c r e a s e st h i c k n e s so f s p r a y e dc o n c r e t e ，h a ss t r o n gn o n d e f o r m a b i l i t y ，a n dt h ew a l l r o c ks t r e s sw e l l - d i s t r i b u t e di nt h e f i b e rc o n c r e t es u p p o r t r e s e a r c hr e s u l ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c eo nt h ei m p r o v e ds t r u c t u r e p r o m o t e r o c k b o l ta n ds h o t c r e t es u p p o r tt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t f i g u r e 【6 2 1t a b l e 3 4 1r e f e r e n c e 【5 5 】 k e y w o r d s ：p o l y p r o p y l e n ef i b e r ；c o n c r e t e ；t h eo a h o g o n a le x p e r i m e n t ；s o f tr o c kt u n n e l ：s p r a y l a y e r ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；i n d u s t r i a lt e s t - i i - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 睦：蒸 日期：2 0 0 9 年月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀理王太堂有保留、使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于j 邀 堡三太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学 位论文的全部或部分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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名：俅j 、嘉签字日期： 2 0 0 9 年6 月1 3 日 导师鲐礴签字吼2 0 0 9 年6 刚 1 绪论 1绪论 1 1问题的提出【1 】 混凝土是土木建筑工程中最重要的材料。自1 8 2 4 年出现波特兰水泥后，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中。尤其是1 9 世纪中叶以后，钢铁生产的 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，各取所长，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，其结构的抗裂性能、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新的经济和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。 但是混凝土又是一种多孔性的脆性材料，有其固有的弱点，如抗拉强度远远 低于抗压强度、抗变形能力差、耐磨性差、抗渗性差、抗高温性能差、易开裂等 等。由于这些不足的存在，又限制了混凝土领域的扩展。多年来学者竹丁从原材料、 配合比、# b j j n 剂、制造工艺、浇捣方法和养护工艺等方面加以研究和改进，取得 了很大的进展，但是这些方法都不能从根本上改变混凝土的性能弱点。 2 0 世纪7 0 年代以来，出现了纤维增强水泥基复合材料，钢纤维、玻璃纤维、 合成纤维等纤维材料广泛应用于混凝土中，从多方面来改善混凝土的性能。聚丙 烯纤维由于具有掺加工艺简单、价格低廉、性能优异等特点，近年来更是被广泛 采用。 聚丙烯纤维加入混凝土中，主要有以下几种作用： 1 )提高混凝土的抗拉强度； 2 )阻止混凝土中原有缺陷( 微裂缝) 的扩展并延缓新裂缝的出现； 3 )提高混凝土的变形能力并从而改善其韧性、抗冲击性和耐久性； 4 )改善混凝土的抗高温爆裂性能。 聚丙烯纤维混凝土具有如此的优越性能，但作为喷层应用于煤矿巷道支护， 在国内尚处于起步阶段。随着煤炭开采向深部发展，将会越来越多地遇到松软岩 层。这类岩体中的工程，地压显现十分明显，围岩变形量大，巷道破坏严重，对 安徽理工大学硕士学位论文 安全生产和经济效益有很大的消极影响。锚喷支护在软岩巷道的支护中已成为主 要支护类型，但是，在松软、破碎和膨胀围岩中，以及在地应力大和受采动影响 的巷道中，这种支护应用的范围还很有限。最近几年发展起来的锚喷加固机理研 究表明，造成锚喷支护失效的原因在于锚喷支护的刚度和极限变形量与巷道围岩 变形量不匹配，由于支护刚度过大，不允许围岩充分卸压，所以围岩作用在支护 上的挤压力过大，导致锚喷支护破坏失效。虽然在锚杆方面近几年来已成功研制 了各种可伸长锚杆，但锚喷支护在巷道中的应用仍未有明显突破。主要原因：与 锚杆相比，喷层的刚度和极限变形量与围岩不匹配问题更为严重。普通喷射混凝 土的极限变形量约为2 ，对于周边位移大于2 0 0 r a m 的软岩和大变形巷道来说， 显然是远远不够的。一般在这类巷道中喷射混凝土，施工后不久就出现裂缝，并 逐渐发展到剥落和掉块，丧失了对围岩的封闭和支护作用，特别是在一批新型可 伸长锚杆相继问世以后，这一不匹配问题更加突出。 本论文依托安徽省教育厅自然科学研究重点项目( 2 0 0 6 0 0 5 a ) “聚丙烯混凝 土网壳锚喷复合衬砌新技术研究 和校企合作项目“淮北矿业集团桃园矿聚丙烯 喷层支护技术 ，研究与开发聚丙烯纤维混凝土喷层，大幅度降低喷层刚度，增加 喷层极限变形量，提高喷层残余强度，使之具有适应大变形的特性。论文研究成 果对促进巷道支护技术的发展将具有重要意义。 1 2国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代中期o o l 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【4 3 1 。 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 3 的聚丙烯纤维 时，可使混凝土的塑性收缩减少1 2 2 5 【2 4 1 。2 0 世纪7 0 年代初，美、英等国， 己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。2 0 世纪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 e dp 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 2 u n ，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开发成功可均匀分散于混凝土中的直径为 2 3 6 2 , u r n 的聚丙烯、尼龙等单丝纤维【4 5 1 ，在纤维体积率为0 0 5 o 2 时即有 明显的抗裂和增韧效果。近十几年来，美国与加拿大己在混凝土工程中广泛使用 一2 一 1 绪论 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【7 】。在美国，纤维混凝土还被大量使用于地下防水工程、一工业与民用建筑 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。预计今后随着新型纤维的问世、 水泥基体组成的改进、纤维一水泥基体界面黏结的增进以及先进制作工艺的采用， 必然会将纤维增强水泥与纤维增强混凝土的发展推向更崭新的阶段。 中国古代早就用掺有麻丝的石灰黏土作为砖墙的抹灰料，已有上干年的历史。 2 0 世纪3 0 年代中期开始生产石棉水泥小波瓦。5 0 - 6 0 年代开发了石棉水泥中波 瓦、平板、压力管等产品。5 0 年代后期至6 0 年代初期原水泥制品工业研究院吴 中伟等科研人员探索用中碱玻璃纤维增强普通硅酸盐水泥，虽未获得成功，但明 确了玻璃纤维受水泥水化物侵蚀的机理，为此后的研究奠定了基础。7 0 年代中、 后期，原山东水泥制品研究所与有关单位合作探索用玄武岩棉替代部分石棉制作 纤维水泥波瓦，并研制了用于增强短石棉水泥波瓦与水泥砂浆的被覆中碱玻璃纤 维网格布。7 0 年代后期中国建筑材料科学研究院研制成含有氧化锆与氧化钛的抗 碱玻璃纤维以及低碱度的硫铝酸盐水泥，在此基础上开发了“双保险 g r c 技术 路线，使g r c 制品的长期耐久性得以明显提高。8 0 年代中期中国建筑材料科学 研究院、苏州混凝土水泥制品研究院与有关生产企业合作，用改性维纶纤维与高 模量维纶纤维代替3 0 - 4 0 的石棉试制成少石棉纤维水泥小波瓦、中波瓦、非 加压平板等。8 0 年代后期中国建筑材料科学研究院与武汉水泥制品设计研究院等 单位研制成无石棉维纶纤维增强水泥波瓦，而后中国建筑材料科学研究院又与江 苏爱富希新型建材公司研制成大幅面无石棉维纶纤维增强水泥加压平板与轻质平 板，并用纤维素纤维、普通硅酸盐水泥与粉煤灰研制成无石棉硅酸钙平板。广州 埃特尼特公司自2 0 0 0 年起所生产的制品由石棉水泥转变为无石棉纤维水泥。9 0 年代后期青岛元鼎非金属制品公司等研制成无石棉维纶纤维增强水泥电缆管， 在若干大中城市的电网改建中得到广泛的应用。近年来全国纤维增强硅酸盖板的 产量已达到8 0 0 0 余万平方米，其中6 0 以上属无石棉板。部分产品已向国外出 口。北新建材( 集团) 公司与天津市建工新型墙材公司用高压挤制法分别开发了 无石棉纤维水泥压花板与空心墙板。上述多种无石棉纤维增强水泥制品不仅可用 以代替石棉水泥制品，还在不同程度上改进了制品的某些力学性能( 如韧性与抗 3 安徽理工大学硕士学位论文 冲击性等) ，并扩大了应用领域1 2 。 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 ) 、郑州( 2 0 0 2 ) 召开了历届纤维水泥与纤维混凝士学术 年会。于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。1 9 8 7 年出版的混 凝土实用手册( 第一版) 中已有“纤维混凝土”章节，其中列出增强水泥基材所用 纤维按材质的分类就包括金属纤维、无机纤维，其中人造矿物纤维主要是指抗碱 玻璃纤维，抗碱矿棉等。这说明中国工程界对纤维混凝土，包括有机纤维混凝土 早有关注【l 】o 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。1 9 9 8 年5 月1 5 日， 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。同年6 月2 6 日，建设部科技发展促进中心以( 9 8 ) 建发信便字第0 7 号文向全国各省市建设科技推广中心( 站) 印发美国杜拉纤维 技术研讨纪要，由此推开了纤维混凝土应用的崭新局面。据不完全统计，到2 0 0 9 年，在中国境内采用杜拉纤维混凝土的工程实例已经数以千计，工程类型几乎覆 盖了工业与民用建筑工程当中所有用到混凝土的场合。 关于纤维的掺入及掺量的改变对混凝土性能影响的研究，近年来一直出现不 少分歧。关于聚丙烯纤维对混凝土的抗压、劈裂抗拉强度的影响。广东工业大学 的苏健波、李士恩在对美国、日本、韩国和我国7 家实验室的数据的基础上，选 择了8 0 组力学实验数据进行尺寸换算以适应我国的混凝土结构设计规范。结 果表明当聚丙烯纤维掺量小于0 1 时，聚丙烯纤维混凝土的立方体抗压强度和弯 曲抗压强度没有明显提高，劈裂抗拉强度提高也不大，当聚丙烯纤维掺量大于 0 1 时，聚丙烯纤维混凝土的力学性能比普通混凝土还要低。同济大学混凝土材 料研究国家重点实验室作了不同弹性模量纤维对高强混凝土力学性能影响的实 验，通过在水灰比都为o 3 的混凝土中掺入体积掺量为0 4 钢、维纶、聚丙烯纤 维，研究掺入不同纤维后混凝土的抗压、劈裂抗拉、断裂能3 个力学性能指标的 变化。实验结果表明：掺o 4 低弹性模量的聚丙烯纤维使混凝土的2 8 d 抗压强度 降低1 8 2 ，但劈裂抗拉强度仅降低了5 。然而，葛洲坝水利集团付华的研究结 果表明：在水灰比都为0 4 的条件下，掺3 0 k g m 3 的聚丙烯纤维使混凝土的7 d 抗 4 1 绪论 压强度增大、2 8 d 抗压强度降低，劈裂抗拉强度有所提高；掺2 5 k g m 3 的美国聚丙 烯纤维网使混凝土的不同龄期抗压强度均提高1 0 一2 0 。对于聚丙烯纤维对混 凝土的抗折强度的影响，上海市政工程研究院的孙家瑛的研究结果表明掺入聚丙 烯纤维能够提高混凝土的抗折强度，但是同济大学建筑材料研究室的妇l i 武、马一 平的研究结果则恰恰相反，认为掺入聚丙烯纤维会使混凝土的抗折强度降低。在 聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能方面，湖北省建筑科学研究设计院的曹芳等认为聚 丙烯纤维不能提高混凝土的抗渗性能，但是国家电力公司成都勘测设计研究院的 李光伟的研究结果则证明聚丙烯纤维能够提高混凝土的抗渗性能。 由于以上各研究领域分歧的存在，很有必要对聚丙烯纤维混凝土在抗压、劈 裂抗拉、抗折、抗渗、等方面进行研究。 1 3 本文主要研究内容和创新点 1 )阐述喷射混凝土支护原理及纤维增强理论，分析聚丙烯纤维、喷射混凝 土组成的复合材料的支护力学机理，研究巷道中围岩与聚丙烯混凝土喷层间的相 互作用； 2 ) 根据影响喷射纤维混凝土强度的主要因子，列出( 4 因子3 水平) 正交 试验表，分批次完成相关室内试验； 3 ) 利用所得配比进行聚丙烯纤维混凝土性能室内试验，掌握喷射聚丙烯纤 维混凝土与普通喷射混凝土各性能之间的差异； 4 ) 对在典型巷道中的聚丙烯纤维混凝土喷层进行理论分析，从理论上验证 束状单丝聚丙烯纤维混凝土喷层的合理性、可行性及优越性； 5 )利用f l a c 3 d 软件对纤维混凝土喷层结构进行数值计算，通过数值计算， 可对喷层性能研究起到补充校核作用，完成聚丙烯纤维喷层配比及支护设计方案 的优化； 6 )将聚丙烯纤维混凝土室内研究成果应用于巷道锚喷支护中，通过工程应 用与现场监测，对比聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土喷层支护段的力学性能。 5 安徽理工大学硕士学位论文 2 聚丙烯纤维混凝土的增强机理 2 1纤维的作用及自身性能要求 2 1 1纤维的作用 纤维的作用取决于纤维自身的性质以及它在混凝土基体中散布混合的状态， 其作用主要有以下几种： 1阻裂：阻止水泥基体中原有缺陷( 微裂缝) 的扩展并有效延缓新裂缝的出 现。纤维的作用可大大减少甚至彻底消除宏观裂缝产生。 2 防渗：因减少了水泥基体中的连通裂缝，故可有效阻止外界水分侵入。 3 耐久：改善水泥基体抗冻、抗疲劳等性能，提高耐久性。 4增韧与抗冲击：提高水泥基体耐受变形的能力，从而改善其韧性和抗冲击 性。 5 增强：在使用高弹性模量的前提下，可以起到提高基体的抗拉( 剪) 强度 作用。 6 美观：改善水泥构造物的表观质量，使其致密、细润、平整、美观。 但在混凝土中，并非所有的纤维都能起到完全相同的作用，这是由纤维本身 所具有的个性决定的。由于纤维自身物理化学性能及力学性能不同，不同的纤维 与混凝土复合构成的纤维混凝土在性能上也各有特点，但也有共性，比如所有的 纤维在混凝土中都有一定的抗裂作用 4 5 1 。 2 1 2 性能要求【8 】 1高抗拉强度与水泥基体的抗拉强度相比，至少要高两个数量级； 2 高弹性模量纤维与水泥基体的弹性模量比值愈高，则受荷载时纤维所 分担的应力也愈大； 3 高变形能力与水泥极限延伸率相比，至少要高一个数量级； 4 低泊松比一般不宜大于0 4 0 ； 5 高耐碱性不受水泥碱性水化产物的侵蚀； 6 高粘结强度纤维与水泥基体的界面粘结强度一般不应低于1 m p a ； 7 一定的长径比纤维的长度与直径的比值大于临界值时才对水泥基体有 明显的增强效果； 8 对人体无害、来源丰富和价格较低廉。 6 - 2 聚丙烯纤维混凝土的增强机理 2 2 纤维混凝土增强机理 纤维对水泥基体增强作用理论的学说目前主要有纤维间距理论( 纤维阻裂理 论) 和复合材料理论。上述两种理论从不同角度解释纤维对混凝土的增强作用， 其结果是一致的。 2 2 1 纤维间距理论 纤维阻裂理论又称“纤维间距理论”，早期由r o m u a l d i 、b a t s o n 与m a n d e l 提出。这种理论根据线弹性断裂力学来说明纤维对于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，如欲提高强度，必须尽可能减 小缺陷程度，提高材料的韧性，即抗变形能力，降低混凝土体内裂缝端部的应力 集中系数。如图1 所示： 厂a - ) 纤维混凝土块体 b ) 一r 断面 图lr o m u a l d i 模型 f i g l t h em o d e lo fr o m u a l d i 纤维阻裂理论首先假设一纤维混凝土块体当中有许多细钢丝沿着拉应力做用 方向按棋盘状均匀分布。细钢丝的平均中心距为某一定值s 。由于拉力作用，水 泥基体中凸透镜形状的裂缝端部产生应力集中系数，当裂缝扩展到基体界面 时，在界面上会产生对裂隙起约束作用的剪应力并使裂隙趋于闭合。此时在裂隙 顶端即会有与凰相反的另一应力集中系数k f ，于是总的应力集中系数就下降为 k o k f o 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 r a m 时，纤维混凝土的抗拉或抗弯初裂强度均得以明显提高。r o m u a l d i 等人还 分别提出了在纤维混凝土中纤维呈3 维乱向分布时纤维平均中心间距的计算公 式。其它研究者则根据纤维的不同取向与周边界面条件而提出另外的计算公式。 如表1 所示。 7 安徽理工大学硕士学位论文 表i纤维平均间距计算公式 t a b l e1f i b e ra v e r a g ed i s t a n c ef o r m u l a 公式提出者维数 公式 r o m u a l d i 和m a n d e l m e k e e h a y n e s p a r i m i 小林一辅和赵立采 沈荣熹 b a i l 和g r i m s w a m y 和m a n g a t 一维，1 d 二维，2 d 一维，1 d 二维，2 d 三维，3 d s = 1 3 8 d l s = 派万 s = 8 8 d 厩 s = 1 1 o d l s = 1 1 1 d 厩 s = s 而d | 厉 s = 3 1 1 厉s f s s = 3 8 9 厉s f s s 一= 4 8 8 厉s f s s = 1 5 6 再瓦 s = 1 5 。3 而f 可 一绝1 d s 一= 8 8 5 d 厉 k r e n c h e l二维2 d s 一= 11 1 d l f f f - - 垂f t ，3 d 。s = 1 2 5 d 再 _ - - - 。- l i _ _ _ - l 。- l l _ _ l _ _ _ i _ - 。_ _ _ _ _ _ i - _ _ - - _ - l - _ - _ _ - - - _ _ - - - _ _ _ 一- - - _ - _ - _ _ _ - - 。- - _ l - - - - - 8 2 聚丙烯纤维混凝土的增强机理 在这些公式中所使用的一些符号的含义如下： d 一纤维直径，1 1 1 1 1 1 ；以纤维体积率；k 单根纤维的体积，删m 3 ；r i o 纤 维取向系数；s f s 一单位体积纤维混凝土中纤维的表面积，删n 2 ；b 矩形界面 纤维的宽度，n 1 t i l ；办矩形界面纤维的高度，1 1 1 1 1 1 ；z 一纤维长度，m m ：，一纤 维长度的半数值；7 7 一常数，取决于纤维的几何形状；k 粘结长度系数；仃。一 纤维的拉应力，1 v l p a ；玩一对照纤维的直径，l l l l l l f 一纤维与水泥基体之间的粘 结强度。 关于纤维间距理论或者纤维阻裂理论，是指当纤维均匀分布在混凝土块体之 中时可以起到阻挡块体内微裂缝发展的作用。假定混凝土块体内部存在发生微裂 缝的倾向，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亘在它前方 的一条纤维。由于这根纤维的存在，使微裂缝的发展受阻，只能在混凝土块体内 形成类似于无害孔洞的封闭空腔或者内径非常小的孔。 传统看法认为混凝土中的所有孔隙都是有害的，而真正有害的只是那些孔径 很大、并且互相贯通的孔洞和裂隙。当孔径小到一定程度( 或者更严格地说应该 是混凝土块体当中的微小气泡) ，即孔径或气泡直径小于5 0 n t o 都属于少害或无害 的孔。如果孔径小于2 0 h m ，那么这些孔对于提高混凝土的内在质量就只有正向 的作用，对于减轻混凝土的自重是有好处的。 按照纤维间距理论的解释，当直径相同、长度相同、但相对密度不同的合成 纤维在水泥基体中的掺量( 以每1 肌3 水泥基体所掺入的纤维重量堙计) 相同时， 纤维对水泥基体的阻裂效果主要取决于两个因子：( 1 ) 纤维的平均间距s ，要求 s o ；( 2 ) 每1 聊3 水泥基体中纤维的根数n 。在纤维充分均匀分散的前提下，纤维 的平均间距s 值与阻裂效果成反比，s 值愈小，效果愈好；纤维根数n 值则与纤 维材料的相对密度成反比，与阻裂效果成正比。n 值愈大，阻裂效果愈好。 另一方面，因为纤维间距理论的假设前提就是纤维均匀分散，如果纤维不能 均匀分散，假设条件不成立，则纤维间距理论可能失效或部分失效。显而易见， 纤维在混凝土中的分散性是保证纤维混凝土抗裂效果的关键。如果纤维在混凝土 块体内部不能均匀分散，则可能影响纤维混凝土的抗裂效果，确切地说，即便满 足纤维中心距离不大于7 6 r a m 的理论条件，也会因为相邻区域存在纤维密布的“纤 维块”，而在相对薄弱的“纤维块 之间形成“空隙 般的开裂l l 引。 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 2 2复合材料力学理论嘲 该理论将复合材料视为一多相系统，其性能乃是各个性能的相加。当该理论 应用于混凝土时，有如下几个假设前提； 1 )纤维与水泥基体均成弹性变形； 2 )纤维沿应力作用方向均匀排列，并且是连续的； 3 )纤维、基体与纤维混凝土发生相同的应变值； 4 )纤维与水泥基体的连接良好，二者间无相对滑移。 纤维混凝土弹性模量的公式为： e 庙= e 。圪+ er ( 2 1 ) 式中：e 尼、e 。、e f 分别为纤维混凝土、水泥基材与纤维的弹性模量； 、巧分别为水泥基材与纤维的体积率。 设e r 乓= 力，e 。= 1 一巧，则得： = 瓦口+ ( 以一1 ) v f j ( 2 - 2 ) 若对横向变形忽略不计，可得： o f c = o - t l - t - 0 1 ) 巧j ( 2 - 3 ) 式中：仃缸、盯埘分别为纤维混凝土与水泥基材得拉应力。 根据上式，又可得出计算纤维混凝土得抗拉初裂强度的公式： r 舅= r 】：【l + ( r o ，z 一1 ) v j ( 2 - 4 ) 式中：r ：纤维混凝土得抗拉初裂强度； r 】：水泥基材得抗拉极限强度； 纤维在纤维混凝土中得取向系数。 当使用连续得长纤维时，纤维混凝土得抗拉极限强度可按下式计算： r 羔= r ；巧 ( 2 5 ) 式中：r ：纤维混凝土得抗拉极限强度； r ：纤维的抗拉极限强度； 矿，纤维的体积率。 当使用短纤维时，可用下式计算纤维混凝土的抗拉极限强度： 7 尺羔= 2 r l r o 杉 ( 2 6 ) “ 式中：编纤维有效长度系数； 1 0 2 聚丙烯纤维混凝土的增强机理 之纤维的长度与直径的比值( 简称长径比) ； d f 纤维与水泥基材的平均粘结强度； 纤维在纤维混凝土中的取向系数； 纤维混凝土中纤维的取向系数的物理含义为：在拉应力作用方向上纤维投影 长度的总和与纤维实际长度的总和的比值。在不同取向时，纤维的取向系数( ) 可按表2 确定。 纤维的长度有效系数( 7 ，) 表示纤维在水泥基体中的有效锚固长度的相对值， 可通过纤维实际长度( z ) 与纤维临界长度( 乇) ，按表3 确定( ，7 ，) 值。 表2 纤维取向系数 仉出l e2 f i b e ro r i e n t a t i o nc o e f f i c i e n t 表3 纤维长度有效系数 t a b l e3f i b e rl e n g t he f f e c t i v ec o o 伍c i e n t _ _ _ - _ _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ - i i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ - - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 纤维长度 1 0 l o 长度有效系数刁1 计算值 勉1 一 根据在1 9 5 9 年，吴中伟教授提出的“中心介质效应假说”，把水泥基复合材 料的不同层次联系在一起。他认为，中心质效应是可以叠加的。这种创建性思想 的内核，正是复合材料理论的精萌。复合材料之所以需要复合，首先是因为参与 构成的复合材料的那些基础材料分别具有各自不同的性能特点，这些特点相互补 充，共同在复合材料中发挥作用。但是，由于材料科学和技术发展水平的限制， 现实生活中的复合材料往往并不完善。通常，混凝土材料结构总是非均质的。因 此，混凝土构件在承受拉力作用时，其截面中各点受力是不均匀的，存在大量不 规则的应力集中点。这些应力集中点的应力首先达到抗拉强度极限，引起了局部 塑性变形。此时如果没有配筋约束，便在应力集中部位出现裂缝。如果适当地配 以既细且密的抗拉力筋，则可约束混凝土的塑性变形，从而分担混凝土的内应力， 推迟或避免混凝土裂缝的出现，亦即提高了混凝土拉伸极限。事实上，我们可以 把纤维看作是混凝土内部细微的“次增强筋”，与混凝土内的配筋一道形成“筋级 配”。这样形成的纤维混凝土可以获得比普通混凝土更好的性能。 以复合材料理论考虑，纤维在其中若不能均匀分散，则形成非均匀的复合体。 安徽理工大学硕士学位论文 所谓非均匀的复合体，事实上就意味着复合体内不同位置的物理或者化学状态存 在差异，形成不均衡的多相系统。这样的复合体所表现的外部特性必然也是不一 致的。纤维不能均匀散布，会导致在混凝土基体内没有纤维或者纤维较少的区域 形成新的薄弱地带。这是因为由于纤维的介入将会导致混凝土块体内应力的重新 分布和传递。如果这种应力的分布配置不能达到真正的均衡状态，则可能形成新 的应力集中，导致混凝土在相对缺少纤维的地带开裂。在工程实践中已经发现， 有些应用纤维混凝土的场合由于所用纤维分散性欠佳或其他原因，在施工完成后 发现仍有裂缝生成。因此，不论采用何种理论解释，都要求纤维在混凝土块体内 部均匀分散。对于应用在建筑工程当中的特种纤维来说，拌合的分散性和纤维的 化学稳定性一样至关重要。 1 2 3 聚丙烯纤维混凝土室内试验 3 1 正交试验 3 聚丙烯纤维混凝土室内试验 凡是要做试验，就存在着如何安排试验和如何分析试验结果的问题，这就是 做试验的方法问题。一项科学安排试验的方法应能做到以下两点：( 1 )在试验安 排上尽可能地减少试验次数；( 2 ) 在进行较少的试验基础上，能够利用所得到的 试验数据，分析出指导实践的正确结论，并得到较好的结果。 “正交试验法”就是处理多因子试验的一种科学方法。它能帮助我们在某个 工艺过程中，为了试制新产品、新配方、新流程，就会遇到所谓的“3 多 现象， 即多因子、多水平、多指标的问题，若沿用旧的方法“孤立变量法”( 固定其他因 子单独让一个因子变化) 做试验，就会出现试验次数特别多、周期长、误差大和 消耗大量人力、物力，往往会造成“少、慢、差、费 ；若应用新方法“综合变量 法”、“正交实验法”，在试验前就借用于事先制好的正交表，科学的有计划、有目 的地安排试验方案，试验后，再通过简单的表格运算，正确的分析试验结果，这 样通过较少的试验次数就能分清各因子在试验中的主次作用以及各因子对指标所 起作用的大小，从而找出较好的生产条件，达到多、快、好、省的目的【1 4 】。 把试验需要的结果l 做指标。如本次试验中混凝土的抗压强度、劈裂强度和 抗折强度均可作为衡量试验效果的指标。试验中要考察的对实验指标可能有影响 的因子称为因子，结合工程实际本实验取四个因子：纤维长度、水泥用量、砂率 和水灰比。把每个在试验中要比较的具体的条件称为水平，用大些字母a 、b 、c 、 d 等来代表因子，水平用阿拉伯数字1 、2 、3 、4 等来表示。 3 1 1 正交表的选定与试验安排 1 试验方案的确定 1 )挑因子、选水平，确定因子水平表 因子越多势必造成试验次数增加，这就要求我们在试验前，根据平时的经 和需要，在多种因子中挑出较主要的因子，科学的安排试验。 2 )选择合适的正交表 ( 1 )根据试验的目的，确定试验要考察的因子； ( 2 ) 确定每个因子的水平； ( 3 ) 选择正交表。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 3 )制定试验方案【1 4 】。 按以上步骤，确定因子，选定水平数后就可以列出因子水平表，见表4 。 表4 因子一水平表 t a b l e4f a c t o r s - e v e lt a b l e 由于本实验确定考察四个因子的3 个不同水平对指标的影响规律，我们就可 以按照这个要求去寻找一张合适的正交表来安排试验。凭以往经验，四个因子之 间的交互作用可以忽略，选用三，( 3 4 ) 正交表。见表5 。 表5 4 ( 3 4 ) 正交表 t a b l e5 o r t h o g o n a lt a b l eo fl 9 ( 3 4 ) 试验号 列号 1234 2 正交表设计 9 ( 3 4 ) 是我们所采用的正交表的简记，“l ”表示正交表，括号中的“