粗合成纖維混凝土的性能及應(yīng)用

焦紅娟，史小興，劉麗君 （北京中紡纖建科技有限公司，100025）

前言

纖維增強混凝土是以混凝土為基材，以各種纖維為增強相組成的復(fù)合材料。纖維從微觀機制上改善了基體材料的性能，彌補了混凝土抗拉強度低、韌性差、極限延性率小等缺點。

在混凝土中摻入細合成纖維是解決混凝土早期開裂的簡單有效方法，然而，細纖維的摻量一般較小，對于硬化混凝土韌性和后期抗裂性的改善很小。工程中常用鋼纖維來提高硬化混凝土的后期開裂性能、韌性及抗沖擊性能，但鋼纖維存在銹蝕問題，且重量較大、造價較高，施工中常有結(jié)團現(xiàn)象。目前，粗合成纖維不斷得到發(fā)展并引進市場，較細纖維而言，粗合成纖維可采用更高的體積摻量，為混凝土裂后提供承載力。這類纖維與鋼纖維有很多類似的特點，同時又較好地克服了鋼纖維的缺點，在應(yīng)用中可作為鋼纖維的替代品，有著較廣闊的應(yīng)用前景。

1.粗合成纖維的特性和在混凝土中的作用

1.1 粗合成纖維的特性 粗合成纖維主要有聚丙烯或聚乙烯所屬聚烯烴、 聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺及它們的混合物。粗合成纖維的當量直徑在0.1mm以上，且具有較高的初始模量。粗合成纖維的體積摻量可比細纖維大，最大可達 1.35%（即12kg/m3）。此外，粗合成纖維的比鋼纖維有更好的而酸堿腐蝕性，在分散性、對機械的磨損、運輸及拌合等方面，粗合成纖維也較鋼纖維表現(xiàn)出了更強的優(yōu)勢。 目前，市場上的粗合成纖維主要為以聚丙烯為主的聚烯烴類材料。通過添加特制改性材料，并且應(yīng)用多種錨固機制開發(fā)的粗合成纖維，可提高纖維粘結(jié)性、分散性，由此增強了與混凝土的粘結(jié)力和握裹力。

1.2粗合成纖維在混凝土中的作用機理 摻粗合成纖維的混凝土在拉伸荷載或彎曲荷載的 作用下，最初是纖維與混凝土共同承擔外力，使纖維混凝土復(fù)合材料呈現(xiàn)彈性變形，一旦混凝土達到其極限抗拉強度值時即產(chǎn)生裂縫（即初裂），混凝土通過它與 纖維的界面將荷載轉(zhuǎn)遞給纖維，復(fù)合材料的承載能力隨變形的繼續(xù)增加而有所下降。其承載能力的下降速率主要取決于纖維的體積率、纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度、纖維長度以及纖維的彈性模量。與細合成纖維比，粗合成纖維體積率高、長度大、彈性模量較高，尤其是纖維與混凝土的界面粘結(jié)強度高，能減緩混凝土中裂縫的擴展，并承接混凝土所轉(zhuǎn)遞的荷載。在繼續(xù)受荷過程中，纖維被拉伸至與混凝土的粘結(jié)削弱，最后從混凝土中被拔出而導(dǎo)致復(fù)合材料破壞。由于粗合成纖維能使混凝土在出現(xiàn)裂縫后仍然具有一定的承載與變形能力、吸收較多的能量，因而可顯著提高混凝土的韌性，并相應(yīng)提高混凝土的抗沖擊性與延展性。

2. 粗合成纖維對混凝土性能的影響

2.1 粗合成纖維混凝土的工作性能 粗合成纖維比鋼纖維具有更好的和易性和拌和性能，但粗合成纖維在摻量較高的情況下，混凝土的坍落度會有一定程度的下降，其下降程度一般不影響其工作性能，必要時可通過摻加減水劑或增塑劑來保證其坍落度。

2.2粗合成纖維混凝土的強度 粗合成纖維對混凝土的抗壓強度影響不大，當摻量較低時，混凝土的強度在一定范圍內(nèi)有所提高，提高幅度不超過5%。當纖維摻量超過11kg/m3時，混凝土的抗壓強度開始降低。 粗合成纖維對混凝土的抗折強度提高明顯，當纖維摻量由5kg/m3 增加到11kg/m3 時，抗折強度增長率 由1.6%增加到13.3%。

2.3粗合成纖維混凝土的彎曲韌性 粗合成纖維混凝土的彎曲韌性試驗按照RILEM 標準進行。在彎曲韌性試驗中，試驗梁的尺寸為 150mm×150mm×550mm，跨度500mm，下部有25mm深的開口，使用1000kN液壓伺服試驗機，等速位移控制，跨中位移速率為0.2mm/min，兩側(cè)用位移傳感器（LVDT）測定梁的跨中撓度，梁的底部用夾式引伸儀測定裂縫口擴展寬度（CMOD），混凝土試件澆注后28d進行試驗。 圖2為粗合成纖維與鋼纖維混凝土梁的荷載-撓度曲線。

圖2中，SF50PPA6代表鋼纖維摻量50kg/m3+粗合成纖維摻量 6kg/m3；SF30PPA4代表鋼纖維摻量30kg/m3+粗合成纖維摻量4kg/m3；SF50代表鋼纖維摻量50kg/m3；SF30代表鋼纖維摻量為30kg/m3。

圖3中，PPA2代表粗合成纖維摻量2kg/m3 ；PPA4代表粗合成纖維 摻量4kg/m3；PPA6代表粗合成纖維摻量6kg/m3。

由圖2可以看出，與素混凝土梁相比，粗合成纖維混凝土梁的抗彎強度有較大程度的提高（20%~ 30%），且隨著摻量的增加，混凝土梁裂后承載力有較大的提高。纖維摻量越高，曲線下降越平緩，說明纖維摻量的增加提高了混凝土試件的韌性。 圖3為粗合成纖維、鋼纖維及二種纖維混雜混凝土梁的荷載撓度曲線。由圖3可以看出，SF30PPA4與 SF30相比，混凝土的韌性顯著提高，當跨中撓度為（δ0+0.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度提高了55%，當跨中撓度為（δ0+2.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度提高了117％。SF50PP6與SF50相比，混凝土的韌性亦有不小的提高，當跨中撓度為（δ0+0.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度提高了23%，當跨中撓度為（δ0+2.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度提高了75％。SF30PP4與SF50增韌效果基本相當，當跨中撓度為（δ0+0.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度僅低10%，而當跨中撓度為（δ0+2.65）時，對應(yīng)的能量吸收值和等效抗彎強度提高18％，表明隨著跨中撓度與裂縫口擴展寬度的增加，SF30PP4在梁開裂后的承載力更為穩(wěn)定。

2.4 粗合成纖維混凝土的抗沖擊性 用落錘法對比了素混凝土與粗合成纖維與啞鈴型鋼纖維的抗沖擊性。試驗方法：錘重2.5kg，沖擊高度為 400mm，梁兩端為簡支，凈跨340mm，試驗結(jié)果見表2。表2中沖擊次數(shù)為10個試件的平均值。由表2可見，鋼纖維對混凝土初裂沖擊性能的提高優(yōu)于粗合成纖維，而粗合成纖維對混凝土破壞沖擊性能的提高優(yōu)于鋼纖維。

2.5 粗合成纖維混凝土的耐久性 下面是國外某機構(gòu)對粗合成纖維混凝土及鋼纖維 混凝土的耐久性試驗研究，試件成型后，標準養(yǎng)護 28d，在實驗機上對混凝土梁加載預(yù)制裂縫，裂縫的寬度約1mm。測得28d時板的能量吸收值。將已開裂的鋼纖維混凝土、粗合成纖維混凝土試件均放置在露天環(huán)境1年，然后再二次加載承載力試驗，測定荷載-撓度全曲線，求得剩余能量吸收值，結(jié)果見表3。 由表3中數(shù)據(jù)可以看出，1年后粗合成纖維混凝土能量吸收值幾乎未減，而鋼纖維的能量吸收值明顯下降，即承載力及變形能力損失嚴重。從試件的破壞面上，從混凝土拔出的粗合成纖維完好無損，無腐蝕現(xiàn)象，而從混凝土中拔出的鋼纖維嚴重銹蝕，大部分被拔斷。由此可見，粗合成纖維比鋼纖維具有更好的抗腐蝕性能，比鋼纖維更合適在潮濕環(huán)境下使用。

3粗合成纖維的應(yīng)用

3.1 噴射混凝土（隧道與礦井） 纖維增強噴射混凝土在作為地下坑道支護等使用 時具有容納可能發(fā)生的大變形的能力。使用粗合成纖維的另一優(yōu)點是可以消除在噴射混凝土中因纖維外露而引起安全隱患。 澳大利亞Ridgeway礦的傾斜式傳送帶入口處襯砌使用了粗合成纖維，摻量約為7kg/m³。 日本的很多公路與鐵路隧道中將粗合成纖維用于初期襯砌，摻量約為9kg/m³。Hokuriku新干線（子彈頭火車）上，22km長的Liyama鐵路隧道的襯砌就使用了約52000m³的粗合成纖維增強混凝土。由東京至名古屋的高速公路和名古屋至神戶的高速公路上的公路隧道中也使用了粗合成纖維。 英國肯特郡的Strood和Higham鐵路隧道重新設(shè)置襯砌時使用了摻加粗合成纖維的強度等級為40MPa的自密實混凝土，用摻量為8kg/m³的粗合成纖維代替控制裂縫的鋼筋網(wǎng)，不但節(jié)約工程的工時與造價，且襯砌的表面質(zhì)量很好，只看到非常少的纖維，而無使用鋼筋網(wǎng)的腐蝕現(xiàn)象及表面斑點。 在國內(nèi)，福建省某空軍工程中的通道邊墻噴護采用了粗合成纖維，摻量6kg/m³，澆筑完工后，邊墻表面光滑，無刺毛、無裂縫，整體效果很好。

3.2地基承載板（公路、道路面層與硬表面停車場）粗合成纖維可代替鋼纖維或傳統(tǒng)的鋼筋網(wǎng)用于混 凝土地基承載板。其纖維摻量取決于地板厚度、接縫中心間距以及荷載特性等因素。當?shù)匕搴穸仍?50~ 250mm范圍內(nèi)時，粗合成纖維的摻量為2~7kg/m³。若所設(shè)計的地板不需要有裂后承載能力，而只要提高耐磨性，則可用較低的摻量。 英國Tyne港的RiversideQuay道路面層修補時，在混凝土中同時使用了粗合成纖維和聚丙烯細纖維。該港口是用來出口廢金屬的，因此，路面板要經(jīng)受載重裝備（包括履帶式車輛）以及上千噸的廢金屬的高度磨損。 美國鹽湖城一主要零售商品中心的停車與裝貨區(qū)使用了摻粗合成纖維的地基承載板，總共鋪裝約 16000m²，停車區(qū)的板厚為150mm，貨車裝運重載的船塢區(qū)的板厚為200~250mm，粗合成纖維摻量約為2.6 kg/m³。 英國劍橋郡A428國道改造工程中，用粗合成纖維與細纖維，鋪裝了約12km長，混凝土厚度為 180mm，粗合成纖維摻量4kg/m³。 美國芝加哥西大街的公共汽車停車場重新整修時，使用了粗合成纖維增強的混凝土罩面層來替代普通混凝土板。此罩面層的厚度為100mm，而混凝土板的厚度至少是250mm，因而工程造價大大降低。 在國內(nèi)，河北廊涿高速公路施工中，為了提高路面的動荷載承載能力和耐久性能，在混凝土中摻入 4.5kg/m³的粗合成纖維和54kg/m³的鋼纖維，混凝土拌和性能和施工性能較好，混凝土各項指標均滿足設(shè)計要求。 新疆某機場跑道，為了解決大面積路面裂縫問題，提高混凝土的抗磨性能和舒適性，在混凝土中摻入了 7kg/m³的粗合成纖維和0.9kg/m³細纖維，效果良好。

3.3 鐵道與非磁性應(yīng)用 在英國，由倫敦凱寧鎮(zhèn)至城市機場Docklands的輕軌鐵路4.4Km延伸線上使用了粗合成纖維增強的軌道板。選用纖維而不用傳統(tǒng)鋼筋是考慮到鋼材對板頂表面的感應(yīng)線圈有影響。線圈控制操縱臺上的電腦，而電腦又控制車速和信號。試驗表明，纖維混凝土可提供合適的拔出阻力，因此使壓住螺栓的軌道板鉆孔后可固定在纖維增強混凝土板中。板中沒有普通鋼筋使此操作得以簡化，可在軌道板的任何處鉆孔而不會損傷鋼材。 粗合成纖維也可用于要求無磁場或無感應(yīng)電流的雷達站及其他領(lǐng)域。

3.4其他應(yīng)用 粗合成纖維混凝土還可應(yīng)用在排水管道、電纜槽 和橋面的永久性模板等處。在愛爾蘭所進行的比較試驗表明，粗合成纖維增強水泥永久性模板的功能優(yōu)于已使用的玻璃纖維增強水泥永久性模板。在美國粗合成纖維被用來制造預(yù)制的階梯構(gòu)件以替代踏板、豎板和側(cè)壁中的鋼筋網(wǎng)，使用纖維還可克服在薄斷面中配置鋼筋網(wǎng)的困難。

4結(jié)語

粗合成纖維用于混凝土中具有較好的抗裂、增強、 增韌性能，用于隧道支護、深井巷道、橋面鋪裝、裝貨碼頭、路面鋪裝層工程中，可以很好的解決混凝土的脆性大、耐久性差等缺點，同時具有很好的抗裂效果，是一 種集優(yōu)越的力學(xué)性能、良好的耐久性能以及經(jīng)濟性于一體的新型工程材料

參考文獻：

[1]史小興主編.建筑工程纖維應(yīng)用技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2008.

[2]中國工程建設(shè)標準化協(xié)會標準.《鋼纖維混凝土試驗方法》CECS13:89.

[3]沈榮熹.兩類合成纖維在混凝土中的作用及使用效果（下）.商品混凝土,2008（5）.

[4]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M].北京：科學(xué)出版社,2003.