關(guān)于聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能影響的幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

    [提要]本文就目前對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中阻裂效應(yīng)的意義、聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性的影響等模糊不清或尚存爭(zhēng)議的問(wèn)題談了幾點(diǎn)看法，并從作用機(jī)理上進(jìn)行了闡述。結(jié)論認(rèn)為，聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能有明顯的改善作用，但目前的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法尚不能有效展示聚丙烯纖維的效應(yīng)。

    引  言

    聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，被稱(chēng)為混凝土的“次要增強(qiáng)筋”，適用于路面橋面、襯里護(hù)壁、地坪等工程部位，近幾年在我國(guó)市政、公路和建筑工程中已有較多應(yīng)用，絕大部分工程應(yīng)用效果良好。

    由于摻入聚丙烯纖維改善了混凝土的品質(zhì)，使混凝土的綜合使用性能得到提高。美國(guó)聯(lián)邦公路戰(zhàn)略計(jì)劃(SHRP)通過(guò)大量試驗(yàn)研究和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)后認(rèn)為，可將聚丙烯纖維等有機(jī)纖維增強(qiáng)混凝土當(dāng)作路面高性能混凝土的一種。但作者通過(guò)和施工、設(shè)計(jì)人員的現(xiàn)場(chǎng)交流，發(fā)現(xiàn)一些工程技術(shù)人員對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中的效應(yīng)認(rèn)識(shí)不足，認(rèn)為聚丙烯纖維的功能僅是阻止混凝土發(fā)生塑裂，而對(duì)硬化混凝土的性能無(wú)積極作用；或者將聚丙烯纖維和鋼纖維的增強(qiáng)效果進(jìn)行對(duì)比，以摻入纖維對(duì)混凝土抗折(抗拉)強(qiáng)度的提高程度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

    經(jīng)分析后認(rèn)為，有關(guān)人員對(duì)聚丙烯纖維功能認(rèn)識(shí)上的片面性，主要源于現(xiàn)行混凝土試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的局限性和長(zhǎng)期形成的以硬化混凝土靜載強(qiáng)度為目標(biāo)的思維定勢(shì)。本文就有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行討論，并闡述作者的看法。聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)同常用的鋼纖維相比，聚丙烯纖維的特點(diǎn)是細(xì)度高(當(dāng)量直徑0.02-0.1mm)、數(shù)量多(常用的0.9kg／m3的摻量充分分散可獲得700-3000萬(wàn)根纖維單絲)、在混凝土中的纖維間距小。上述特點(diǎn)使聚丙烯纖維能有效限制早期(塑性期和硬化初期)混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，減小原生裂隙的數(shù)量和尺度。而原生裂隙通常是混凝土破壞或性能劣化的起源。從此角度理解，可認(rèn)為聚丙烯纖維的上述阻裂效應(yīng)的意義，不僅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂縫的發(fā)生和發(fā)展，其意義更在于通過(guò)提高材料介質(zhì)的連續(xù)性，能使硬化后混凝土的性能得到顯著改善。對(duì)于路面和橋面混凝土，由于所承受的彎拉荷載和反復(fù)沖擊荷載，對(duì)混凝土內(nèi)原生裂隙數(shù)量和尺度的敏感性較高，原生裂隙在數(shù)量和尺度上的減小對(duì)提高其使用性能是非常有利的。

    存在的問(wèn)題是：

    ①聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)得以發(fā)揮的必要條件，是混凝土在硬化早期同時(shí)處于變形受限和失水收縮的狀態(tài)，而這樣的條件室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)制作的小試件并不具備。這種差異實(shí)際上體現(xiàn)了用小試件評(píng)定實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土強(qiáng)度或耐久性的不足之處，對(duì)聚丙烯纖維混凝土這種傾向性更為明顯，其結(jié)果造成了對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中作用的低估。

    ②聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)尚很難通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。雖然有關(guān)人員模擬現(xiàn)場(chǎng)條件制作了各種試驗(yàn)裝置，進(jìn)行聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)的研究，但受各種偶然因素的作用，試驗(yàn)結(jié)果的再現(xiàn)性不佳。以上因素造成了對(duì)聚丙烯纖維使用效果的低估和認(rèn)識(shí)上的模糊。

    在混凝土中摻入纖維材料最初的目的，就是針對(duì)因混凝土抗拉強(qiáng)度不足造成的易裂問(wèn)題，纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)實(shí)際上正是提高了混凝土抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)。但不同品種纖維因彈性模量、抗拉強(qiáng)度、長(zhǎng)徑比、摻量等不同，在混凝土中阻裂效應(yīng)的作用機(jī)理和效果也不相同。鋼纖維的阻裂效應(yīng)體現(xiàn)在阻止硬化混凝土破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展上，是通過(guò)使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，阻裂效應(yīng)作用的結(jié)果是提高了硬化混凝土的變形能力，使混凝土基材在破壞后仍保持一定的延性(假延性)，因此，鋼纖維的阻裂能力和纖維彈性模量、界面粘結(jié)強(qiáng)度和自身的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。而聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)主要體現(xiàn)在消除或減輕了早期混凝土中原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，簡(jiǎn)單的理解可認(rèn)為，是通過(guò)聚丙烯纖維提高了早期混凝土的抗拉強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)一步分析結(jié)果是，聚丙烯纖維鈍化了原生裂隙尖端的應(yīng)力集中，使介質(zhì)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)更加連續(xù)和均勻所至。由于早期混凝土自身的抗拉強(qiáng)度很低，因此，聚丙烯纖維的阻裂能力和纖維的抗拉強(qiáng)度、彈性模量等指標(biāo)并不明顯相關(guān)，而隨纖維細(xì)度的增大、混凝土中纖維間距的減小而增強(qiáng)。 

    通過(guò)以上分析可見(jiàn)，聚丙烯纖維和鋼纖維的阻裂效應(yīng)不可相互替代，因分別改善了不同時(shí)期混凝土的性能。對(duì)于路面橋面混凝土，鋼纖維在混凝土裂后方能發(fā)揮的阻裂效應(yīng)并無(wú)實(shí)際的意義，而混凝土在早期易發(fā)生塑性開(kāi)裂的性能缺陷，卻可通過(guò)摻入聚丙烯纖維加以解決或改善。

    聚丙烯纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

    聚丙烯纖維的彈性模量低(約為混凝土的1／10)、具有一定的增稠作用和弱界面效應(yīng)，都是對(duì)混凝土強(qiáng)度不利的因素，但由于聚丙烯纖維在混凝土中常用的體積摻量很低，以上不利因素對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響并不顯著。許多試件的測(cè)試結(jié)果也表明，摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土的強(qiáng)度無(wú)顯著影響或使混凝土的強(qiáng)度稍有降低。一些習(xí)慣于以試件的抗壓或抗折強(qiáng)度判定材料性能水平的工程技術(shù)人員由此得出的結(jié)論是：聚丙烯纖維雖能阻止早期混凝土發(fā)生塑性開(kāi)裂，但對(duì)硬化混凝土無(wú)增強(qiáng)作用。

    以上認(rèn)識(shí)是廣泛存在的，其片面性在于：

    ①小試件強(qiáng)度并不能代表實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土的強(qiáng)度，當(dāng)混凝土中摻入聚丙烯纖維后這種傾向性可能更加顯著，因?yàn)樾≡嚰y(cè)試結(jié)果不能展示聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)帶來(lái)的好處。

    ②路面橋面混凝土主要承受車(chē)輛反復(fù)沖擊造成的疲勞作用，因此，抗動(dòng)荷載能力的強(qiáng)弱更接近真實(shí)的材料使用性能水平，而小試件抗壓或抗折強(qiáng)度則是在試驗(yàn)機(jī)加載速率下測(cè)得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度。有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明：雖然摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度無(wú)顯著影響，卻能使混凝土的抗沖擊
纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響程度和纖維在混凝土中的體積率有關(guān)，由于價(jià)格和工藝等原因，常用的纖維摻量一般較低(體積率一般不大于2％)，且纖維處于三維亂向分布的狀態(tài)，增強(qiáng)的效率很低，因此，正常情況下纖維均不能使混凝土裂前的抗拉強(qiáng)度有明顯提高。基體開(kāi)裂后，可通過(guò)纖維繼續(xù)承擔(dān)荷載。當(dāng)鋼纖維摻量達(dá)到一定水平時(shí)，纖維能在混凝土裂后承擔(dān)超過(guò)混凝土裂前的荷載水平，表現(xiàn)為提高了混凝土的極限抗拉強(qiáng)度。而在進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，由于混凝土在裂后通過(guò)纖維保持了一定的抗拉能力，使受試小梁的中性軸得以提高，混凝土的抗折強(qiáng)度由此得以較大幅度的增長(zhǎng)。通常測(cè)試的結(jié)果是，鋼纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的提高幅度高于抗拉強(qiáng)度。聚丙烯纖維常用的體積摻量比鋼纖維要低得多(0.9kg／m3的摻量相當(dāng)于體積率0.1%)，這樣的摻量對(duì)混凝土裂前、裂后的強(qiáng)度和破壞形態(tài)幾乎無(wú)影響，且由于聚丙烯纖維自身的彈性模量較低，即使通過(guò)提高纖維摻量使混凝土裂后保持一定的抗拉強(qiáng)度，但過(guò)大的變形也使其實(shí)用的意義很小，因此，通常不采用高摻量聚丙烯纖維來(lái)提高混凝土抗拉(抗折)強(qiáng)度的作法。由于路面橋面混凝土的剛度要求，事實(shí)上無(wú)論何種纖維對(duì)混凝土裂后強(qiáng)度的提高作用對(duì)此類(lèi)工程均無(wú)實(shí)際的意義。

    由以上分析得出的結(jié)論是：對(duì)路面橋面混凝土，通常情況下，纖維對(duì)混凝土靜載或準(zhǔn)靜載強(qiáng)度的影響作用，不會(huì)對(duì)實(shí)際的使用性能造成明顯影響。而大量工程實(shí)踐證實(shí)的纖維混凝土優(yōu)良的使用效果，實(shí)際上是纖維提高了混凝土的抗沖擊、抗疲勞能力所致，這是通過(guò)摻入纖維使混凝土板的整體性、連續(xù)性得到改善的結(jié)果。在這點(diǎn)上聚丙烯纖維和鋼纖維雖有相同的功效，但作用機(jī)理卻不盡相同。聚丙烯纖維的作用機(jī)理是通過(guò)消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，使材料介質(zhì)的連續(xù)性得以提高，以及有機(jī)材料對(duì)沖擊能的吸收能力，使混凝土的抗沖擊、抗疲勞性能得以改善的。聚丙烯纖維自身較低的彈性模量，使其對(duì)荷載的傳遞能力和約束硬化混凝土裂縫擴(kuò)展的能力相對(duì)較弱。同聚丙烯纖維相比，鋼纖維由于在混凝土中的數(shù)量相對(duì)較少，不能有效消除或減小原生裂隙的數(shù)量和尺度，但較高的彈性模量使其具有很強(qiáng)的傳遞荷載的能力和約束裂縫擴(kuò)展的能力。鋼纖維的以上功能使路面混凝土板承受車(chē)輛的沖擊作用能在更大的板體范圍內(nèi)擴(kuò)散，局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象得以減輕，路面橋面混凝土的抗沖擊和抗疲勞能力由此得到提高。

    纖維混凝土的以上使用功能是無(wú)法通過(guò)小試件進(jìn)行評(píng)定和衡量的，大量的工程實(shí)踐已對(duì)此給予了證實(shí)。在美國(guó)的一些公路和機(jī)場(chǎng)道面中，采用聚丙烯纖維混凝土制作超薄白色罩面，對(duì)舊路進(jìn)行改造，正是利用了聚丙烯纖維混凝土優(yōu)良的抗沖擊、抗疲勞性能。

    聚丙烯纖維對(duì)混凝土耐久性的影響

    也有一些工程技術(shù)人員認(rèn)為，聚丙烯纖維主要是一種改善混凝土耐久性的材料，如果將抗疲勞性能看成是一項(xiàng)路面橋面混凝土的耐久性指標(biāo)，上述理解當(dāng)然是正確的。除此之外，聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能的改善作用還包括：通過(guò)減少混凝土的泌水，使表面混凝土的質(zhì)量得以改善，從而使混凝土的耐磨性能得以提高，以及阻裂效應(yīng)能顯著改善混凝土的抗?jié)B漏性能等。聚丙烯纖維對(duì)混凝土的其他耐久性指標(biāo)諸如抗?jié)B透性、抗凍和抗鹽凍性、抗化學(xué)侵蝕性等也并無(wú)不利的影響，但改善程度尚待進(jìn)一步研究。

    結(jié) 語(yǔ)

    通過(guò)以上分析得出的結(jié)論是：

    ①聚丙烯纖維能消除或減少混凝土中原生裂隙的數(shù)量和尺度，這種效應(yīng)不僅能有效阻止混凝土發(fā)生塑性開(kāi)裂，對(duì)硬化混凝土的性能也非常有益。

    ②聚丙烯纖維雖然不能使硬化混凝土的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度有明顯提高，但通過(guò)提高混凝土的抗沖擊能力和抗疲勞性能，使路面橋面混凝土的使用性能得以改善。

    ③由于在纖維細(xì)度、彈性模量等性能上的差異，聚丙烯纖維和鋼纖維對(duì)混凝土性能的影響效果和機(jī)理不盡相同，兩者各有所長(zhǎng)。

    ④由于試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的原因，室內(nèi)小試件不能充分展示聚丙烯纖維在實(shí)際工程中的使用效果，造成了對(duì)聚丙烯纖維實(shí)際使用效果的低估。

    今后的研究方向應(yīng)是，聚丙烯纖維和鋼纖維的復(fù)合效應(yīng)、聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)高性能混凝 土性能的影響、聚丙烯纖維和硅灰或粉煤灰等活性混合材的復(fù)合效應(yīng)、以及對(duì)纖維使用效果 的評(píng)價(jià)方法等。對(duì)纖維混凝土的研究方法，也應(yīng)更注重觀察實(shí)際工程的應(yīng)用效果，而非單純通過(guò)室內(nèi)小試件進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

    由于聚丙烯纖維是通過(guò)消除或減少原生裂隙的數(shù)量和尺度來(lái)改善混凝土的品質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)混凝土使用性能的改善，因此，可將摻入聚丙烯纖維作為實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的一個(gè)重要途徑進(jìn)行深入研究。