PAN 纖維在鐵路橋混凝土結構中的應用研究

陳艷明

(中國建筑土木建設有限公司， 北京 100070)

PAN 纖維在鐵路橋混凝土結構中的應用研究

陳艷明

(中國建筑土木建設有限公司， 北京 100070)

鐵路橋混凝土的高性能作用于鐵路橋的質量安全密切相關，研究PAN纖維對混凝土結構的高性能作用，能夠為其質量提升提供參考。文章通過對PAN纖維在混凝土中應用的優勢、對混凝土高性能作用等方面進行探析，以期為廣大研究者提供借鑒。

PAN纖維；鐵路橋；混凝土結構；高性能作用

0 引言

在鐵路橋中應用混凝土材料，由于混凝土本身具有脆性的特點，可能會引發鐵路橋在實際應用過程中的一些不良問題。而在混凝土中加入PAN纖維后，能夠有效杜絕這些問題的產生，從而使PAN纖維混凝土具備抗裂、抗凍、抗沖擊、抗疲勞等特點。以下就是對PAN纖維混凝土的相關分析。

1 鐵路橋混凝土結構中PAN纖維的優勢

在高性能混凝土的發展過程中，PAN纖維技術的出現，豐富了混凝土相關技術。它具有高抗拉強度和彈性模量、耐腐性與親水性強的特點。同時，在PAN纖維的單位體積里面，纖維根數眾多，每立方米的纖維在1.65億根至11億根之間。在這種情形下，纖維的質量一樣時，它的表面積同根數成正比例關系。這使得在塑性開裂應力方面，纖維能夠承受更多，進而使得纖維混凝土結構的高性能作用就更能得到有效體現。[1]有鑒于此，在 PAN纖維與合成纖維混凝土的高性能作用比較中，PAN纖維混凝土具有更加明顯的優勢。因為它僅僅是原料復合基礎上加入另外一種材料，使得混凝土本身的脆性特點得到改良，從而達到混凝土性能表現更好的目的。

2 PAN纖維對鐵路橋混凝土高性能作用的具體分析

對于PAN纖維而言，它對鐵路橋混凝土的高性能作用主要表現為：將PAN纖維摻入到混凝土中，不僅能夠改善混凝土本身的脆性特性，還能夠使其塑性裂縫減少，并且在這個過程中能使裂縫鈍化，從而增強混凝土的抗滲透性、抗裂性能以及抗凍融破壞能力的提升。此外，在鐵路橋的混凝土里面，現為分布呈亂向三維分布，組成了三維支持的一種網絡體系，極大地增強了混凝土抗沖刷、抗疲勞、抗沖擊的能力，也使它的彎曲韌性大大提高。

2.1 加強抗疲勞的性能

在鐵路橋混凝土中，摻入PAN纖維，如果摻入量在每立方米1千克至2千克之間，它的靜力彈性模量將會比一般的混凝土還要低。但是從疲勞變形模量方面來看，PAN纖維的摻量增多，疲勞變形模量就會增大。由此可見，PAN纖維要在動力荷載作用下的結構中才能夠發揮出更為良好的效果。通過相關的試驗可以表明，使用了PAN纖維技術的混凝土，其彎曲疲勞性能比一般的混凝土更好。特別是在高應力比的情況下，其疲勞壽命尤為突出，可以成倍數延長。

2.2 PAN纖維帶來的防滲和抗裂效果分析

2.2.1 抗裂性

在鐵路橋混凝土相關構件當中，一旦產生裂縫，可能引起不良影響，甚至使得鐵路橋的運行受阻。如果把PAN纖維添加到鐵路橋混凝土里面，有助于塑性的時候，混凝土收縮減少，以及不產生或少產生初期階段裂縫，進而在混凝土硬化后期，也能夠使干縮裂縫的規模在控制范圍內。如此一來，不僅能夠保證混凝土的必要強度，使它不受裂縫影響，還會在裂縫鈍化的情況下，使抗滲性進一步得到提升，保證鐵路橋的質量。

2.2.2 抗凍性

當把纖維添加到鐵路橋混凝土里面的時候，空氣會隨之而進入到混凝土里面。這將使得混凝土在抗凍性方面得到一定程度的提升，使它在面臨低溫時，具備更好的抗凍融破壞的性能。[2]其主要表現為，首先，當溫度降低時，PAN纖維彈性模量會增加，這使得在溫度較低的環境里面，含PAN纖維的混凝土能夠更好地抵抗因凍脹帶來的損傷和破壞；其次，由于單位體積里PAN纖維的根數非常多，而且直徑很小，彼此之間的間距也很小，使得鐵路橋混凝土的具有更好的抗裂性能。進而更多地消耗了凍融過程中混凝土的能量，達到控制凍脹開裂的目的。

2.3 混凝土抗沖擊性和穩定性的提升

2.3.1 抗沖擊性

當混凝土收到沖擊的時候，內部結構中的纖維就會組成一個系統。這個系統較為均勻，分布時呈三維亂向。它能夠使混凝土更好地吸收沖擊帶來的動能，從而減弱沖擊。纖維對于混凝土內部結構來說，屬于相當重要的組成部分。它不僅能夠使裂縫尖端的應力變得沒那么集中，防止裂縫在內部擴散，還能夠使材料內部連續性變得更好，緩減局部的應力集中程度。另外，因為將沖擊荷載形成的動能吸收，也使得混凝土在抗沖擊方面變得更好了。

圖1 纖維抗裂、抗滲透性圖

2.3.2 穩定性

就混凝土的性能來說，在PAN纖維摻入以后，其穩定性方面將在很大程度上得到提升。通過60℃的輪碾車轍試驗能夠得出，在同等情形下，普通混凝土比纖維混凝土的穩定性更差，在氣溫較高地區的重載交通中，采用纖維瀝青混凝土顯然是更好的選擇。[3]同時，對于添加了 PAN纖維的混凝土來說，它與汽油、煤油等都不會發生溶解等反應，具有較好的耐磨、耐候、抗滲、低破損等性能。

2.4 混凝土彎曲韌性的提升

當強度比較高的時候，可能會使得混凝土更脆。假如說在里面添加PAN纖維，其韌性和延性都會提升。從而使得混凝土自身的變形能力也得到很大程度地改善。如此一來，混凝土即便發生開裂的現象，依舊保存有一些承載能力，使鐵路橋在使用過程中的安全系數得到提升。

圖2 荷載-撓度曲線

而從圖中的實驗數據來看可以得知，如果在每立方米混凝土里面添加 1千克到 2千克的 PAN纖維，混凝土在韌度指數方面，I5、 I10、 I20的提升倍數分別是4.25-4.65、6.45-7.63、9.2-11.73。從這組數據中可以看出，對于荷載能量來說，含有PAN纖維的混凝土可以很好地吸收，緩解動荷載帶來的抗力。從這一方面來看，含有PAN纖維的混凝土能夠有效地改善一般混凝土的脆性，使它在受到沖擊時能夠表現出較強的韌性。而鐵路橋在使用過程中，由于長期受到動荷載的影響，所以，加強混凝土中添加PAN纖維的研究，對于鐵路橋有非常重要的實踐意義。

3 結束語

總而言之，對于混凝土來說，如果把PAN纖維加入到里面，將在很大程度上改善混凝土的性能。這種混凝土材料在鐵路橋中的應用，使得施工更加簡便。同時，在抗沖擊、抗疲勞、抗裂等方面的性能也得到大大提升，有效預防了混凝土因脆性帶來的不良影響，使得鐵路橋的安全性和穩定性也在很大程度上得到提升。

[1]楊學貴,何唯平. 淺析PAN纖維在水工混凝土中的高性能化作用[A]. 中國土木工程學會混凝土質量專業委員會.特種混凝土與瀝青混凝土新技術及工程應用[C].中國土木工程學會混凝土質量專業委員會:,2012:3.

[2]楊百紅,初建祥. PAN纖維在冷卻塔結構設計中的應用[J]. 山西建筑,2017,01:49-50.

[3]李斌,蔡漢超,纏宏宇. PAN纖維對混凝土強度及耐磨性的影響[J]. 混凝土與水泥制品,2015,04:49-53.

TU37

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1007-6344（2017）10-0035-01