聚丙烯纖維對混凝土性能的影響分析

摘要：聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要加強筋”，適用于路面、橋面等工程，摻入纖維后對水泥混凝土性能的主要改善在于增強混凝土的韌性。本文分析了纖維增強理論，并在此基礎上探討了聚丙烯纖維對混凝土性能的影響。

關鍵詞：聚丙烯纖維 混凝土性能 增強機理 影響

1、纖維增強理論概述

纖維對混凝土增強作用的理論目前主要有纖維阻裂理論和復合材料理論。纖維阻裂理論又稱“纖維間距理論”，由Romualdi /Batson 和 Mandel提出。這種理論根據線彈性力學來說明纖維對裂縫發生和發展的約束作用。纖維間距理論認為在混凝土內部存在固有缺陷，如要提高強度，必須盡可能減小缺陷程度，提高韌性，降低混凝土體內裂縫端部的應力集中系數。

纖維阻裂理論首先假設纖維混凝土塊體中有許多細鋼絲沿著拉應力作用方向按棋盤狀均勻分布，細鋼絲的平均中心間距為某一定值s。由于拉應力作用，水泥基體中凹透鏡形狀的裂縫端部產生應力集中系數k0，當裂縫擴展到基體界面時，在界面上會產生對裂縫起約束作用的剪應力并使裂縫趨于閉合。此時在裂縫頂端即會有與k0相反的另一應力集中系數－kp，于是總的應力集中系數就下降為k0－kp。

關于纖維間距理論或者纖維阻裂理論的通俗解說是：當纖維均勻分布在混凝土中時可以起到阻擋塊體中微裂縫發展的作用。假定混凝土塊體內部存在有發生微裂縫的傾向，當任何一條微裂縫發生，并且可能向任何方向發展時，這條裂縫在最遠不超過纖維混凝土塊體內纖維平均中心距離s的路程之內就會遇到橫在它面前的一條纖維。由于這些纖維的存在，使裂縫發展受阻，只能在混凝土塊體內部形成類似于無害孔洞的封閉的空腔或者非常細小的孔。

復合材料理論則是將多種單一材料結合或混合之后所構成的材料整體看作一個多相系統，其性能乃是各個相的性能的加和值。混凝土從本質上說就是一種復合材料。我國混凝土科學技術的先驅和奠基人、工程院院士吳中偉教授在水泥基復合材料的科學研究方面提出了具有創建性的思路。早在1959年，吳中偉教授發表“中心質效應假說”，把水泥基復合材料的不同層次結合在一起。吳中偉教授認為，中心質效應是可以疊加的。這種思路的內核，正是復合材料理論的精髓。復合材料之所以需要復合，目的是為了改善材料的力學性能。而材料復合的前提是那些基礎材料分別具有不同的性能特點，同時它們在相互結合的時候沒有或者基本上沒有不良的后果。

在纖維混凝土中，纖維材料與水泥基體之間應該形成不存在負效應的良好復合體。其中最重要的前提有兩個：一是纖維材料具有嚴格穩定的化學性質，即使在水泥水化時產生的強烈堿性物質也能安之若素，不發生任何變化；第二是纖維具有良好的自分散性，能夠在正常混凝土制備所要求的攪拌時間之內完成在混凝土整體內無所不在的均勻性分散過程。

2、聚丙烯纖維對混凝土性能的影響分析

聚丙烯纖維加入水泥基體中，理論上會對混凝土產生以下幾種性能影響：（1）增稠作用，（2）影響基體的強度，（3）阻止基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并延緩新裂縫的出現，（4）影響基體的耐久性。

2.1聚丙烯纖維的增稠效應

加入聚丙烯纖維后，混凝土的工作性方法改變，坍落度降低、離析和泌水減少。在新拌混凝土中，均勻散布的聚丙烯纖維在混凝土中呈現三維網狀結構，起到了支撐集料的作用，其作用效果為阻止了粗、細集料的相繼沉降，即粗集料首先下沉，然后是細集料。由于聚丙烯纖維的存在，同時也可以減少混凝土表面的析水。在混凝土中，水、料分開的現象稱為“離析”，其不僅影響混凝土的勻質性，同時因混凝土表面層存在較多的水泥凈漿或含有較細集料的水泥砂漿，使得表層失水迅速而發生較大的收縮，從而導致混凝土表面出現比較多的裂縫，這種裂縫通常被稱為“沉降裂縫”。輔特維纖維長度較普通纖維長為54mm，單位質量的纖維根數較少，因此體現出來的增稠作用相當明顯。本研究證明：當摻加0.9kg/m3輔特維纖維的混凝土，不摻加減水劑時，坍落度非常小。

2.2關于聚丙烯纖維在混凝土中對強度的貢獻

根據目前已經收集到的資料，可以觀察到性質完全相反的兩種結論。有報告稱，摻加聚丙烯纖維的混凝土比未摻加聚丙烯纖維的混凝土無論是抗壓強度還是抗折強度都有明顯提高。但是也有觀點聲明：在混凝土中摻加一般的低彈性模量的化學纖維通常并不能提高混凝土的軸心抗壓強度，低摻率合成纖維對混凝土的抗壓、抗拉與抗彎強度以及楊氏彈性模量均無明顯的影響。并認為那些“表明低摻量的合成纖維即可適度提高混凝土的抗壓、抗拉、抗彎等強度的指標”的試驗結果“很可能是帶選擇性的”。有些研究報告結果甚至反映由于聚丙烯纖維的加入使其混凝土的抗壓強度還有所降低。

根據前面力學性能試驗研究結果可知，對于聚丙烯纖維輔特維纖維而言，摻入一定量時混凝土的抗折和抗壓強度有一定程度的提高，這并不意味著在混凝土中摻加聚丙烯纖維對于混凝土強度，就一定是增強作用。據此推斷的結論應該是：首先，聚丙烯纖維對混凝土的力學強度的改性作用與纖維本身的物理性能，如長徑比、抗拉強度，纖維摻量及纖維的形式有關。其次，由前面試驗可知，纖維混凝土的施工工藝，即拌和方式、攪拌時間、振動時間對混凝土的強度也有一定的影響；再次，混凝土強度試驗和觀測結果的離散性及纖維混凝土配比對強度的影響，可能影響聚丙烯纖維本身對改變混凝土強度的貢獻能力。雖然聚丙烯纖維混凝土的主要研究方向為耐久性及疲勞性能等方面，但是了解聚丙烯纖維對混凝土的力學性能的貢獻，有利于路面纖維混凝土的工程應用。

2.3 聚丙烯纖維在水泥混凝土中阻止基體中原有缺陷（微裂縫）的擴展并延緩新裂縫的出現

在混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維，可降低微裂縫尖端的應力集中，防止微裂縫擴展，并可防止連通裂縫的出現。當混凝土原生裂隙在擴張過程中遇到纖維時，纖維將迫使裂縫改變延伸方向或跨越纖維形成更細小的裂紋，在此過程中裂縫擴張的能量得以消耗。當混凝土中出現破壞性裂縫時，由于裂縫的前端與纖維相交，纖維起到跨裂縫傳遞荷載的橋梁作用，鈍化了裂縫尖端的應力集中，使得引起裂縫的拉應力得以消弱或消除。由于聚丙烯纖維在混凝土中呈三維亂向分布，故可使裂縫的發展得到有效的抑制，達到了抗裂的目的。

2.4聚丙烯纖維的加入，影響基體耐久性

從以往的研究可知，輔特維纖維的加入，使混凝土的疲勞性、抗沖擊能力、耐磨性能得到良好的改善。

混凝土中加入聚丙烯纖維凝固后，握裹水泥的高強纖維絲相互粘接成為致密的、亂向分布的網狀增強系統，有利于防止并控制微裂縫的產生和發展，并增強了混凝土的韌性。同時由于有效改善了泌水性，對于早期養護大有裨益。相關的干縮試驗表明，水泥水化早期，聚丙烯纖維混凝土比普通水泥混凝土可保持更多的水分，這樣水泥的水化反應更徹底，骨料離析減少，級配更加均勻，其表面強度較之普通混凝土更強。聚丙烯纖維獨特的表面處理工藝使得纖維可以和水泥基料緊密地結合在一起，極大地保持了混凝土的整體強度，混凝土在受到沖擊時聚丙烯纖維吸收了大量能量，從而有效減少了應力集中的作用，阻礙了混凝土中裂縫的迅速擴展，增強了混凝土的耐磨性能、疲勞性能、抗沖擊能力。

參考文獻

1.姚武，馬一平，淡慕華，吳科如.聚丙烯纖維水泥基復合材料物理力學性能研究（Ⅱ）－力學性能.建筑學報，2000.9

2.黃昊，聚丙烯纖維改性混凝土路用性能研究.長安大學碩士論文，2005. 6