粗合成纤维

粗合成纤维混凝土的性能及应用 前言 纤维增强混凝土是以混凝土为基材，以各种纤维为增强相组成的复合材料。纤维从微观机制上改善了基体材料的性能，弥补了混凝土抗拉强度低、韧性差、极限延性率小等缺点。 在混凝土中掺入细合成纤维是解决混凝土早期开裂的简单有效方法，然而，细纤维的掺量一般较小，对于硬化混凝土韧性和后期抗裂性的改善很小。工程中常用钢纤维来提高硬化混凝土的后期开裂性能、韧性及抗冲击性能，但钢纤维存在锈蚀问题，且重量较大、造价较高，施工中常有结团现象。目前，粗合成纤维不断得到发展并引进市场，较细纤维而言，粗合成纤维可采用更高的体积掺量，为混凝土裂后提供承载力。这类纤维与钢纤维有很多类似的特点，同时又较好地克服了钢纤维的缺点，在应用中可作为钢纤维的替代品，有着较广阔的应用前景。 1.粗合成纤维的特性和在混凝土中的作用 1.1 粗合成纤维的特性 粗合成纤维主要有聚丙烯或聚乙烯所属聚烯烃、 聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺及它们的混合物。粗合成纤维的当量直径在0.1mm以上，且具有较高的初始模量。粗合成纤维的体积掺量可比细纤维大，max可达 1.35%（即12kg/m3）。此外，粗合成纤维的比钢纤维有更好的而酸碱腐蚀性，在分散性、对机械的磨损、运输及拌合等方面，粗合成纤维也较钢纤维表现出了更强的优势。 目前，市场上的粗合成纤维主要为以聚丙烯为主的聚烯烃类材料。通过添加特制改性材料，并且应用多种锚固机制开发的粗合成纤维，可提高纤维粘结性、分散性，由此增强了与混凝土的粘结力和握裹力。 1.2粗合成纤维在混凝土中的作用机理 掺粗合成纤维的混凝土在拉伸荷载或弯曲荷载的 作用下，最初是纤维与混凝土共同承担外力，使纤维混凝土复合材料呈现弹性变形，一旦混凝土达到其极限抗拉强度值时即产生裂缝（即初裂），混凝土通过它与 纤维的界面将荷载转递给纤维，复合材料的承载能力随变形的继续增加而有所下降。其承载能力的下降速率主要取决于纤维的体积率、纤维与混凝土的界面粘结强度、纤维长度以及纤维的弹性模量。与细合成纤维比，粗合成纤维体积率高、长度大、弹性模量较高，尤其是纤维与混凝土的界面粘结强度高，能减缓混凝土中裂缝的扩展，并承接混凝土所转递的荷载。在继续受荷过程中，纤维被拉伸至与混凝土的粘结削弱，最后从混凝土中被拔出而导致复合材料破坏。由于粗合成纤维能使混凝土在出现裂缝后仍然具有一定的承载与变形能力、吸收较多的能量，因而可显著提高混凝土的韧性，并相应提高混凝土的抗冲击性与延展性。 2. 粗合成纤维对混凝土性能的影响 2.1 粗合成纤维混凝土的工作性能 粗合成纤维比钢纤维具有更好的和易性和拌和性能，但粗合成纤维在掺量较高的情况下，混凝土的坍落度会有一定程度的下降，其下降程度一般不影响其工作性能，必要时可通过掺加减水剂或增塑剂来保证其坍落度。 2.2粗合成纤维混凝土的强度 粗合成纤维对混凝土的抗压强度影响不大，当掺量较低时，混凝土的强度在一定范围内有所提高，提高幅度不超过5%。当纤维掺量超过11kg/m3时，混凝土的抗压强度开始降低。 粗合成纤维对混凝土的抗折强度提高明显，当纤维掺量由5kg/m3 增加到11kg/m3 时，抗折强度增长率 由1.6%增加到13.3%。 2.3粗合成纤维混凝土的弯曲韧性 粗合成纤维混凝土的弯曲韧性试验按照RILEM 标准进行。在弯曲韧性试验中，试验梁的尺寸为 150mm×150mm×550mm，跨度500mm，下部有25mm深的开口，使用1000kN液压伺服试验机，等速位移控制，跨中位移速率为0.2mm/min，两侧用位移传感器（LVDT）测定梁的跨中挠度，梁的底部用夹式引伸仪测定裂缝口扩展宽度（CMOD），混凝土试件浇注后28d进行试验。 图2为粗合成纤维与钢纤维混凝土梁的荷载-挠度曲线。 图2中，SF50PPA6代表钢纤维掺量50kg/m3+粗合成纤维掺量 6kg/m3；SF30PPA4代表钢纤维掺量30kg/m3+粗合成纤维掺量4kg/m3；SF50代表钢纤维掺量50kg/m3；SF30代表钢纤维掺量为30kg/m3。 图3中，PPA2代表粗合成纤维掺量2kg/m3 ；PPA4代表粗合成纤维 掺量4kg/m3；PPA6代表粗合成纤维掺量6kg/m3。 由图2可以看出，与素混凝土梁相比，粗合成纤维混凝土梁的抗弯强度有较大程度的提高（20%~ 30%），且随着掺量的增加，混凝土梁裂后承载力有较大的提高。纤维掺量越高，曲线下降越平缓，说明纤维掺量的增加提高了混凝土试件的韧性。 图3为粗合成纤维、钢纤维及二种纤维混杂混凝土梁的荷载挠度曲线。由图3可以看出，SF30PPA4与 SF30相比，混凝土的韧性显著提高，当跨中挠度为（δ0+0.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了55%，当跨中挠度为（δ0+2.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了117％。SF50PP6与SF50相比，混凝土的韧性亦有不小的提高，当跨中挠度为（δ0+0.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了23%，当跨中挠度为（δ0+2.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高了75％。SF30PP4与SF50增韧效果基本相当，当跨中挠度为（δ0+0.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度仅低10%，而当跨中挠度为（δ0+2.65）时，对应的能量吸收值和等效抗弯强度提高18％，表明随着跨中挠度与裂缝口扩展宽度的增加，SF30PP4在梁开裂后的承载力更为稳定。 2.4 粗合成纤维混凝土的抗冲击性 用落锤法对比了素混凝土与粗合成纤维与哑铃型钢纤维的抗冲击性。试验方法：锤重2.5kg，冲击高度为 400mm，梁两端为简支，净跨340mm，试验结果见表2。表2中冲击次数为10个试件的平均值。由表2可见，钢纤维对混凝土初裂冲击性能的提高优于粗合成纤维，而粗合成纤维对混凝土破坏冲击性能的提高优于钢纤维。 2.5 粗合成纤维混凝土的耐久性 下面是国外某机构对粗合成纤维混凝土及钢纤维 混凝土的耐久性试验研究，试件成型后，标准养护 28d，在实验机上对混凝土梁加载预制裂缝，裂缝的宽度约1mm。测得28d时板的能量吸收值。将已开裂的钢纤维混凝土、粗合成纤维混凝土试件均放置在露天环境1年，然后再二次加载承载力试验，测定荷载-挠度全曲线，求得剩余能量吸收值，结果见表3。 由表3中数据可以看出，1年后粗合成纤维混凝土能量吸收值几乎未减，而钢纤维的能量吸收值明显下降，即承载力及变形能力损失严重。从试件的破坏面上，从混凝土拔出的粗合成纤维完好无损，无腐蚀现象，而从混凝土中拔出的钢纤维严重锈蚀，大部分被拔断。由此可见，粗合成纤维比钢纤维具有更好的抗腐蚀性能，比钢纤维更合适在潮湿环境下使用。 3粗合成纤维的应用 3.1 喷射混凝土（隧道与矿井） 纤维增强喷射混凝土在作为地下坑道支护等使用 时具有容纳可能发生的大变形的能力。使用粗合成纤维的另一优点是可以remove在喷射混凝土中因纤维外露而引起安全隐患。 澳大利亚Ridgeway矿的倾斜式传送带入口处衬砌使用了粗合成纤维，掺量约为7kg/m3。 日本的很多公路与铁路隧道中将粗合成纤维用于初期衬砌，掺量约为9kg/m3。Hokuriku新干线上，22km长的Liyama铁路隧道的衬砌就使用了约52000m3的粗合成纤维增强混凝土。由东京至名古屋的高速公路和名古屋至神户的高速公路上的公路隧道中也使用了粗合成纤维。 英国肯特郡的Strood和Higham铁路隧道重新设置衬砌时使用了掺加粗合成纤维的强度等级为40MPa的自密实混凝土，用掺量为8kg/m3的粗合成纤维代替控制裂缝的钢筋网，不但节约工程的工时与造价，且衬砌的表面质量很好，只看到非常少的纤维，而无使用钢筋网的腐蚀现象及表面斑点。 在国内，福建省某空军 工程中的通道边墙喷护采用了粗合成纤维，掺量6kg/m3，浇筑完工后，边墙表面光滑，无刺毛、无裂缝，整体效果很好。 3.2地基承载板（公路、道路面层与硬表面停车场）粗合成纤维可代替钢纤维或传统的钢筋网用于混 凝土地基承载板。其纤维掺量取决于地板厚度、接缝中心间距以及荷载特性等因素。当地板厚度在150~ 250mm范围内时，粗合成纤维的掺量为2~7kg/m3。若所设计的地板不需要有裂后承载能力，而只要提高耐磨性，则可用较低的掺量。 英国Tyne港的RiversideQuay道路面层修补时，在混凝土中同时使用了粗合成纤维和聚丙烯细纤维。该港口是用来出口废金属的，因此，路面板要经受载重装备（包括履带式车辆）以及上千吨的废金属的高度磨损。 美国盐湖城一主要零售商品中心的停车与装货区使用了掺粗合成纤维的地基承载板，总共铺装约 16000m2，停车区的板厚为150mm，货车装运重载的船坞区的板厚为200~250mm，粗合成纤维掺量约为2.6 kg/m3。 英国剑桥郡A428国道改造工程中，用粗合成纤维与细纤维，铺装了约12km长，混凝土厚度为 180mm，粗合成纤维掺量4kg/m3。 美国芝加哥西大街的公共汽车停车场重新整修时，使用了粗合成纤维增强的混凝土罩面层来替代普通混凝土板。此罩面层的厚度为100mm，而混凝土板的厚度至少是250mm，因而工程造价大大降低。 在国内，河北廊涿高速公路施工中，为了提高路面的动荷载承载能力和耐久性能，在混凝土中掺入 4.5kg/m3的粗合成纤维和54kg/m3的钢纤维，混凝土拌和性能和施工性能较好，混凝土各项指标均满足设计要求。 新疆某机场跑道，为了解决大面积路面裂缝问题，提高混凝土的抗磨性能和舒适性，在混凝土中掺入了 7kg/m3的粗合成纤维和0.9kg/m3细纤维，效果良好。 3.3 铁道与非磁性应用 在英国，由伦敦凯宁镇至城市机场Docklands的轻轨铁路4.4Km延伸线上使用了粗合成纤维增强的轨道板。选用纤维而不用传统钢筋是考虑到钢材对板顶表面的感应线圈有影响。线圈控制操纵台上的电脑，而电脑又控制车速和信号。试验表明，纤维混凝土可提供合适的拔出阻力，因此使压住螺栓的轨道板钻孔后可固定在纤维增强混凝土板中。板中没有普通钢筋使此操作得以简化，可在轨道板的任何处钻孔而不会损伤钢材。 粗合成纤维也可用于要求无磁场或无感应电流的雷达站及其他领域。 3.4其他应用 粗合成纤维混凝土还可应用在排水管道、电缆槽 和桥面的forever性模板等处。在爱尔兰所进行的比较试验表明，粗合成纤维增强水泥forever性模板的功能优于已使用的玻璃纤维增强水泥forever性模板。在美国粗合成纤维被用来制造预制的阶梯构件以替代踏板、竖板和侧壁中的钢筋网，使用纤维还可克服在薄断面中配置钢筋网的困难。 4结语 粗合成纤维用于混凝土中具有较好的抗裂、增强、 增韧性能，用于隧道支护、深井巷道、桥面铺装、装货码头、路面铺装层工程中，可以很好的解决混凝土的脆性大、耐久性差等缺点，同时具有很好的抗裂效果，是一 种集优越的力学性能、良好的耐久性能以及经济性于一体的新型工程材料