关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识

对聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识时间：2013年4月10日来源：未知点击：2次我想评论(0字体：大，中，小)文摘本文讨论了聚丙烯纤维在混凝土中抗裂作用的意义以及聚丙烯纤维对混凝土强度和耐久性的影响等一些模糊或有争议的问题，并阐述了其作用机理。结论是聚丙烯纤维能明显改善混凝土的性能，但目前的试验评价方法不能有效地显示聚丙烯纤维的效果。介绍聚丙烯纤维是一种新型的钢筋混凝土纤维，被称为混凝土的“二次钢筋”。适用于铺装桥面、衬砌防护墙、楼板等工程部位。近年来，它在我国市政、公路和建筑工程中得到了广泛应用，大多数工程应用效果良好。聚丙烯纤维的加入提高了混凝土的质量，提高了混凝土的综合使用性能。美国联邦公路战略计划(SHRP)经过大量的试验研究和工程经验总结，认为聚丙烯纤维等有机纤维增强混凝土可以作为一种路面高性能混凝土。然而，通过与施工和设计人员的现场沟通，笔者发现一些工程技术人员并没有充分了解聚丙烯纤维在混凝土中的作用，认为聚丙烯纤维的作用只是防止混凝土塑性开裂，而对硬化混凝土的性能没有积极的影响。或者比较聚丙烯纤维和钢纤维的增强效果，以掺纤维混凝土的抗折强度(抗拉强度)的提高程度作为评价标准。经过分析，认为相关人员对聚丙烯纤维功能认识的片面性主要是由于现行混凝土试验评价方法的局限性和针对硬化混凝土静荷载强度的既定思维定势。本文就相关问题进行了探讨，并阐述了作者的观点。与普通钢纤维相比，聚丙烯纤维具有细度高(当量直径0.02-0.1毫米)、数量大(普通0.9公斤/立方米掺量充分分散可获得700-3000万根纤维单丝)、在混凝土中纤维间距小的特点。上述特性使聚丙烯纤维能够有效限制早期(混凝土塑性阶段和早期硬化阶段)由离析、泌水、收缩等因素形成的初始裂缝的发生和发展，减少初始裂缝的数量和规模。然而，初始裂缝通常是混凝土失效或性能退化的根源。从这一点来看，可以认为聚丙烯纤维的上述抗裂效果的意义不仅在于有效防止早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，而且在于通过改善材料介质的连续性来显著改善硬化混凝土的性能。对于路面和桥面混凝土，由于弯曲和拉伸荷载以及反复冲击荷载的作用，对混凝土中初始裂缝的数量和规模高度敏感，减少初始裂缝的数量和规模对提高其使用性能非常有利。问题是：(1)发挥聚丙烯纤维抗裂效果的必要条件是混凝土在硬化早期处于变形限制和脱水收缩状态，这是室内或现场制作的小试件所不具备的。这种差异实际上反映了在实际结构中使用小试件来评估混凝土强度或耐久性的不足。这种趋势在聚丙烯纤维混凝土中更为明显，这导致人们低估了聚丙烯纤维在混凝土中的作用。(2)通过实验仍难以定量评价聚丙烯纤维的抗裂效果。虽然相关人员制作了各种试验装置来模拟现场条件，研究聚丙烯纤维的抗裂效果，但由于各种偶然因素，试验结果的重现性较差。上述因素导致了对聚丙烯纤维使用效果的低估和理解的模糊。在混凝土中添加纤维材料的初衷是为了解决混凝土抗拉强度不足而容易开裂的问题。纤维在混凝土中的抗裂作用实际上改善了混凝土的抗拉强度性能。然而，由于不同品种纤维的弹性模量、抗拉强度、长径比和掺量不同，混凝土抗裂效果的机理和效果也不同。钢纤维的抗裂作用体现在硬化混凝土破坏时防止裂缝扩大。这是通过在开裂后保持硬化混凝土的一定抗拉强度来实现的。抗裂效果的结果是提高硬化混凝土的变形能力，并在损坏后保持混凝土基底的一定延展性(伪延展性)。因此，钢纤维的抗裂能力与纤维弹性模量、界面粘结强度及其抗拉强度有关。然而，聚丙烯纤维的抗裂作用主要体现在消除或减少混凝土早期初始裂缝的产生和发展。一个简单的理解可以认为是通过聚丙烯纤维提高早期混凝土的抗拉强度来实现的。进一步的分析结果表明，聚丙烯纤维钝化了主裂纹尖端的应力集中，使介质中的应力场更加连续和均匀。由于早期混凝土本身抗拉强度较低，聚丙烯纤维的抗裂性与纤维的抗拉强度和弹性模量没有明显关系，但随着纤维细度的增加和混凝土中纤维间距的减小而增加。从以上分析可以看出，聚丙烯纤维和钢纤维的抗裂效果不能相互替代，因为不同时期混凝土的性能都有所提高。对于路面和桥面混凝土，钢纤维在混凝土开裂后发挥的抗裂作用没有实际意义，而混凝土早期易塑性开裂的性能缺陷可以通过添加聚丙烯纤维来解决或改善。聚丙烯纤维对混凝土强度的影响聚丙烯纤维的低弹性模量(约为混凝土的1/10，具有一定的增稠效应和弱界面效应)都是不利于混凝土强度的因素。然而，由于混凝土中常用聚丙烯纤维的体积含量较低，上述不利因素对混凝土强度没有明显影响。许多试件的试验结果也表明，聚丙烯纤维的加入对混凝土的强度没有显著影响，或略有降低。一些习惯于通过试件的抗压强度或抗折强度来判断材料性能水平的工程师和技术人员得出结论，虽然聚丙烯纤维能防止早期混凝土塑性开裂，但对硬化混凝土没有增强作用。上述认识是普遍的，其片面性在于：(1)在实际结构中，小试件的强度并不代表混凝土的强度，当聚丙烯纤维掺入混凝土中时，这种趋势可能更加明显，因为小试件的试验结果不能显示聚丙烯纤维抗裂效果带来的好处。(2)路面和桥面混凝土主要受车辆反复冲击造成的疲劳。因此，抗动载强度更接近实际材料性能水平，而小试件的抗压或抗折强度是在试验机加载速率下测得的准静态载荷强度。相关试验结果表明，虽然添加聚丙烯纤维对混凝土的准静态荷载强度没有显著影响，但可以使混凝土抵抗冲击。纤维对混凝土强度的影响程度与混凝土中纤维的体积比有关。由于价格和技术等原因，常用纤维含量普遍较低(体积比一般不超过2%)，纤维呈三维随机分布状态，增强效率很低。因此，在正常情况下，纤维不能显著提高混凝土开裂前的抗拉强度。基体开裂后，纤维可以继续承受载荷。当钢纤维含量达到一定水平时，混凝土开裂后的纤维比混凝土开裂前能承受更多的荷载水平，表明混凝土的极限抗拉强度有所提高。但是，在抗弯强度试验中，混凝土开裂后通过纤维保持一定的抗拉强度，提高了被测小梁的中性轴，从而可以大大提高混凝土的抗弯强度。一般来说，试验结果表明，钢纤维对混凝土抗弯强度的提高大于抗拉强度。聚丙烯纤维的体积含量远低于钢纤维(0.9千克/立方米的体积含量相当于体积比的0.1%)。这种含量对混凝土开裂前后的强度和破坏模式影响不大。此外，由于聚丙烯纤维本身弹性模量低，即使混凝土在开裂后通过增加纤维含量保持一定的抗拉强度，过度变形也没有什么实际意义。因此，高含量的聚丙烯纤维通常不用于提高混凝土的抗拉强度(抗弯强度)。由于路面和桥面混凝土的刚度要求，实际上，无论哪种纤维能提高混凝土开裂后的强度，对这类工程都没有实际意义。从以上分析中得出的结论是，对于路面桥面混凝土，在正常情况下，纤维对混凝土的静态或准静态荷载强度的影响不会显著影响实际性能。然而，大量的工程实践证明，纤维混凝土优异的使用效果实际上是由于纤维提高了混凝土的抗冲击性和抗疲劳性，这是通过添加纤维改善混凝土板的整体性和连续性的结果。在这方面，虽然聚丙烯纤维和钢纤维具有相同的效果，但作用机理不同。聚丙烯纤维的作用机理是通过消除或减少原生裂缝的数量和规模，提高材料介质的连续性和有机材料对冲击能量的吸收能力，从而提高混凝土的抗冲击性能和抗疲劳性能。聚丙烯纤维具有相对较低的弹性模量，这使得其传递载荷和抑制硬化混凝土裂纹扩展的能力相对较弱。与聚丙烯纤维相比，钢纤维由于其在混凝土中的含量相对较少，不能有效地消除或减少初始裂缝的数量和规模，但其较高的弹性模量使其具有很强的传递荷载和抑制裂缝扩展的能力。钢纤维的上述功能使路面混凝土板能够吸收车辆的冲击，并在板体的较大范围内扩散，从而降低局部应力集中，提高路面桥面混凝土的抗冲击性能和抗疲劳性能。纤维混凝土的上述使用功能不能用小试件来评价和测量，这已被大量工程实践所证实。在美国的一些道路和机场，聚丙烯纤维混凝土被用来制作超薄的白色路面，旧的道路也进行了改造。正是利用了聚丙烯纤维混凝土优异的抗冲击性能和抗疲劳性能。聚丙烯纤维对混凝土耐久性的影响一些工程师和技术人员还认为聚丙烯纤维主要是一种提高混凝土耐久性的材料。如果把抗疲劳性能作为路面和桥面混凝土的耐久性指标，上述认识当然是正确的。此外，聚丙烯纤维还可以通过减少混凝土泌水、提高混凝土表面质量来改善混凝土性能，从而提高混凝土的耐磨性，抗裂效果可以显著提高混凝土的抗渗性。聚丙烯纤维对混凝土的其他耐久性指标如抗渗性、抗冻性、抗盐冻性、化学侵蚀性等没有不利影响(1)聚丙烯纤维可以消除或减少混凝土中的初级裂缝的数量和规模。这种效果不仅能有效防止混凝土塑性开裂，而且对硬化混凝土的性能非常有利。(2)虽然聚丙烯纤维不能显著提高硬化混凝土的准静态荷载强度，但通过提高混凝土的抗冲击性能和抗疲劳性能，可以改善路面和桥面混凝土的使用性能。(3)由于纤维细度、弹性模量等性能的差异，聚丙烯纤维和钢纤维对混凝土性能的影响和机理不同，各有优势。(4)由于试验评价方法的原因，室内小试件无法充分展示聚丙烯纤维在实际工程中的应用效果，导致低估了聚丙烯纤维的实际应用效果。未来的研究方向应该是聚丙烯纤维与钢纤维的复合效应、聚丙烯纤维对高强高性能混凝土性能的影响、聚丙烯