多尺度聚丙烯纤维混凝土试验研究

第1章绪论 1.1概述 随着以三峡大坝、杭州湾跨海大桥、南水北调、西气东输等为代表的大型工程的实施，我国基础设施建设已经迈入新一轮的快速发展阶段。在土木工程中广泛应用的材料是混凝土，混凝土是一种多孔的脆性材料，抗压强度好，抗拉强度差，对冲击、开裂、疲劳的抵抗能力差。如何克服混凝土的弱点，一直是工程界研究的重要课题。受古代建筑土墙中掺入稻草的启发，人们发现掺入纤维可提高混凝土的抗拉强度、抗冲击性能和刚度。然而，由于一直忙于追求提高混凝土的各种力学性能，人们忽略了混凝土的耐久性问题，从而导致许多工程未达到设计使用年限，便出现重大安全隐患，造成巨大的经济损失。采用纤维增强混凝土是目前国际上公认的提高混凝土韧性和耐久性的有效方法之一。纤维增强混凝土（fiber　reinforced　concrete，FRC），简称纤维混凝土，是以混凝土为基体、各种纤维为增强相的一种新型复合建筑材料。 工程常用的混凝土增强纤维有钢纤维和非钢纤维两大类，钢纤维增强效果相对明显，工程中应用多，但价格高；非钢纤维分为高弹纤维（如玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维等）和低弹纤维（如聚丙烯、尼龙等合成纤维）。其中，玻璃纤维在混凝土中不易搅拌均匀，对混凝土强度有负面作用；碳纤维的强度和刚度性能较优，胜过钢纤维，但其价格昂贵；石棉纤维对人体健康有负面作用。*近几十年内合成纤维发展较快，主要是聚丙烯（polypropylene，PP）纤维，它相对其他合成纤维如尼龙、芳纶等具有强度大、耐腐蚀、价格低等优点，在工程界得到广泛应用，被视为近代混凝土技术发展的新方向。 20世纪70年代以来，钢纤维由于其较为显著的抗裂效果，在工程界得到广泛应用。但是钢纤维增强混凝土也有缺陷，尤其在某些特殊环境中。例如，在潮湿与腐蚀性环境中钢纤维容易生锈；钢纤维在路面应用中若处理不当会损伤车辆轮胎；喷射混凝土中掺加钢纤维对喷射装置磨损大等，而且钢纤维密度相对较大且回弹率较高。因此，工程界试图用能克服钢纤维缺陷的其他纤维代替钢纤维。未改性的聚丙烯细纤维弹性模量低，与混凝土的黏结性不好，当掺量过高时，会影响其在混凝土中的分布。经过改性的聚丙烯细纤维也主要用于减少混凝土的塑性早期裂缝。20世纪90年代中期，聚丙烯粗纤维被人们开发出来，与聚丙烯细纤维相比，粗纤维的主要特点是尺度（直径、长度）大，弹性模量高，与混凝土的黏结性能好。试验证明，将体积分数大于0.3%的聚丙烯粗纤维加入混凝土中，可显著提高混凝土的抗变形能力，减少混凝土硬化后期裂缝，增大混凝土的韧性、抗疲劳性、抗冲击性、抗冻性与抗渗性。在特殊环境中，聚丙烯粗纤维可以代替混凝土中的钢纤维，此方法已在实际工程中得到推广。借鉴国外经验，近年来我国自主开发的聚丙烯粗纤维已可批量生产。 解决混凝土早期塑性开裂问题*简单有效的方法就是在混凝土中掺入细合成纤维。聚丙烯细纤维对阻止混凝土的早期塑性开裂十分有效，但对混凝土硬化后期韧性和抗裂性的改善效果不理想。工程界通常采用钢纤维提高硬化混凝土的抗裂性和韧性，但钢纤维存在易锈蚀、质量大、易结团、易损伤搅拌机器、有磁性干扰、价格高等问题，混凝土搅拌站一般都不愿提供钢纤维混凝土。而聚丙烯粗纤维是一种新型增强增韧材料，具有耐腐蚀性能好、质量轻、易分散、对搅拌机器无损伤、无磁性干扰、价格低等优点，较好地克服了钢纤维的缺点。由此，将聚丙烯粗、细纤维混杂使用，是否既可以改善混凝土早期开裂问题，也可以提高硬化混凝土后期开裂性能？根据以往的工程经验，聚丙烯细纤维的掺量一般采用0.9kg/m3，聚丙烯粗纤维的掺量一般采用4.0～8.0kg/m3；钢纤维的掺量一般采用40～60kg/m3。2018年聚丙烯细纤维的价格一般为7～15元/kg，聚丙烯粗纤维价格在20元/kg左右，钢纤维的价格为4～6元/kg。每立方米混凝土中聚丙烯细纤维的造价为6.3～13.5元，每立方米混凝土中聚丙烯粗纤维的造价为80～160元，每立方米混凝土中钢纤维的造价为160～360元，每立方米聚丙烯粗纤维混凝土比钢纤维混凝土造价节约80～200元，每立方米聚丙烯粗、细纤维混凝土比钢纤维混凝土造价节约74～187元。从经济角度上讲，效益是可观的。那么，聚丙烯粗、细纤维混凝土的力学性能是否也能满足工程需要呢？是否也能改善混凝土的韧性呢？聚丙烯粗、细纤维混掺后其力学性能又能有什么改善呢？一系列问题就接踵而至。本书分别对聚丙烯细纤维混凝土、聚丙烯粗纤维混凝土、一种细纤维与一种粗纤维混掺的聚丙烯纤维混凝土及两种细纤维与一种粗纤维混掺的聚丙烯纤维混凝土的力学性能进行试验研究。根据工程经验和以往的试验数据分别确定了聚丙烯细纤维和聚丙烯粗纤维在混凝土中的掺量，利用抗裂性能试验、直接拉伸试验、轴压试验、弯曲试验、切口梁三点弯曲试验、冻融循环试验及抗渗性试验测定其基本力学性能、抗冻融及抗渗性能等，研究聚丙烯细纤维、聚丙烯粗纤维及多尺度聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能和基本力学性能的影响，为未来的工程设计提供试验依据和力学性能参数；通过对纤维混凝土试件抗拉、抗压应力-应变曲线的结果分析，了解纤维混凝土在单轴受力过程中的力学效应；通过轴压试验来分析多尺度聚丙烯纤维对混凝土抗压性能的影响；通过弯曲韧性试验来评价多尺度聚丙烯纤维对混凝土抗弯韧性的影响，验证多尺度聚丙烯纤维对混凝土韧性的改善；根据聚丙烯纤维混凝土断裂韧性试验，对比研究纤维掺量、粗细纤维混掺比例等因素对聚丙烯纤维混凝土断裂韧性的影响；通过建立单根纤维的拉拔模型，研究影响纤维桥接作用的因素，为聚丙烯纤维混凝土断裂机理研究、结构稳定性评价及破坏预测提供理论依据；通过动态压缩试验研究多尺度聚丙烯纤维混凝土的动力特性以及动态压缩力学特性机理；通过冻融循环试验，研究冻融循环对多尺度聚丙烯纤维混凝土质量损失、表面破坏以及动弹性模量的影响等；通过抗渗性试验，探究聚丙烯纤维是否能够提高混凝土的抗渗性能和聚丙烯纤维尺寸、掺量以及粗细纤维混掺比例对混凝土抗渗性能的影响，为此类材料在工程上的应用和推广提供试验依据和理论基础。 1.2国内外研究现状 20世纪60年代，Goldfein建议在混凝土中加入聚丙烯细纤维，用于建造军队的防爆建筑，可以说是合成纤维混凝土的首次应用。经过工程界多年探索性应用，发现聚丙烯纤维不但可以作为非结构性补强材料来减少塑性收缩裂缝，而且可以提高构件的承载能力，增强结构延性。随着合成工业的发展，聚丙烯粗纤维由美国、日本于20世纪末研制成功，2000年推向市场。目前，工程中使用较多的有日本的Barchip、美国的Forta和HPP152等聚丙烯粗纤维。宁波大成新材料股份有限公司生产的高性能异型塑钢纤维（又称聚丙烯粗纤维）是一种新型建筑材料，它对控制混凝土裂缝有较大作用，尤其对混凝土的韧性和抗冲击性能提高幅度较大，与传统的钢筋网、钢纤维相比使用更方便、更经济。 1.2.1聚丙烯细纤维混凝土 1.聚丙烯细纤维对混凝土抗裂性能的影响 目前，针对聚丙烯细纤维的种类、长径比、掺量等对混凝土塑性收缩裂缝影响的试验研究表明，聚丙烯细纤维有细化裂缝的作用，能有效延缓混凝土早期塑性收缩裂缝的产生和发展，改善混凝土内部的细观结构，减少混凝土内部原生微裂缝的扩展，使混凝土裂缝宽度减小。 Banthia和Gupta[10]通过试验研究发现聚丙烯细纤维能有效控制混凝土塑性开裂。聚丙烯纤维越细，控制塑性开裂的效果越好，纤维越粗，控制塑性开裂的效果越差。聚丙烯纤维越长，控制塑性开裂效果越好；反之，效果越差。其中，束状聚丙烯纤维对混凝土塑性开裂控制效果*好。 Banthia和Cheng[11]通过研究聚丙烯细纤维长度和掺量对混凝土塑性收缩裂缝的影响得出结论：混凝土裂缝面积和*大裂缝宽度与聚丙烯纤维的长径比成反比。 Wang等[12]在研究聚丙烯细纤维改善混凝土塑性收缩裂缝机理时，研究了不同纤维掺量水泥浆体的累计水分损失和孔隙结构。试验结果表明，掺入聚丙烯细纤维后试件的累计水分损失减小，孔隙中多了一组直径较大的孔，并且纤维掺量越大，较大毛细孔的数量越多。混凝土试件成型后，聚丙烯纤维表面形成吸附水膜，增加了渗水通道的曲折性，减小了累计水分损失并增多了较大毛细孔数量。 戴建国等参照Soroushian等的试验方法，研究了聚丙烯细纤维对混凝土和砂浆早期塑性收缩性能的影响。试验发现，聚丙烯纤维掺量较少时能有效地控制混凝土和砂浆的早期塑性收缩裂缝，聚丙烯纤维体积含量是影响混凝土和砂浆裂缝的主要因素。 马一平等对改性聚丙烯细纤维混凝土进行了塑性收缩试验，发现聚丙烯细纤维使混凝土裂缝细化、均匀且开裂宽度减小，纤维直径越小抗塑性收缩能力越好；改性后的聚丙烯纤维表面能增加纤维与水泥基体之间的界面黏结强度，提高混凝土的抗塑性收缩性能。 张佚伦等、禹凯等研究了相同水灰比和相同坍落度两种试验条件下，聚丙烯细纤维不同掺量对混凝土早期收缩和工作性能的影响。得出结论：两种试验条件下，聚丙烯纤维均能在一定范围内减少混凝土的早期收缩。纤维的减缩效果随掺量的增加而增加；减缩率与掺量不呈线性关系，当纤维掺量达到一定值时，减缩率增加不明显。由于聚丙烯纤维的掺入会明显降低新拌混凝土的坍落度，在确定聚丙烯纤维的*佳掺量时应综合考虑减缩效果和坍落度损失、经济等因素，聚丙烯纤维的掺量宜选在0.9kg/m3左右，即体积分数在0.1%左右。 刘数华和何林通过试验研究了聚丙烯细纤维对混凝土的强度、脆性、弹性模量和极限拉伸值等物理力学性能的影响。结果表明，在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维是预防混凝土开裂的有效途径，能有效地提高混凝土的抗裂性能。 李东和叶以挺以开裂时间和开裂面积为指标，采用正交设计法研究了粉煤灰掺量、施工工艺等对聚丙烯细纤维混凝土早期抗裂性能的影响，得到结论：粉煤灰掺量不同、混凝土搅拌工艺不同对聚丙烯纤维混凝土抗裂性能的改善也不同。 李红君等采用温度应力试验机研究了聚丙烯细纤维对混凝土早期开裂敏感性的影响。研究表明，聚丙烯纤维能较大幅度地提高混凝土的早期抗拉强度，抑制混凝土的早期收缩，提高混凝土的早期抗裂性能。 王可良和刘玲研究了不同聚丙烯细纤维掺量对C25混凝土拌和物性能、混凝土早期和后期的抗压强度、抗渗性能、劈裂抗拉强度及塑性开裂的影响。研究表明，聚丙烯纤维能改善混凝土的抗压强度，减少混凝土塑性裂缝。 潘超等利用聚丙烯细纤维对混凝土的影响，选用对防渗墙、路基等有利的低弹性模量混凝土配合比，并同时兼顾混凝土强度、弹性模量、抗裂防渗性能，做了本构模型和力学性能研究。结果表明，聚丙烯纤维掺入混凝土中对混凝土开裂和延性有较大改善。当水灰比为0.65、聚丙烯纤维掺量为0.9%时，低弹性模量混凝土的抗裂防渗性能达到*优。 马宏旺等在车站混凝土中掺入聚丙烯细纤维，并用于上海地铁7号线某车站的抗裂防渗现场施工段内混凝土结构中，测量现场混凝土裂缝点的温度和应变情况。现场测量得出，聚丙烯纤维对混凝土结构的抗裂防渗性能有明显提高，能够满足地铁车站抗裂防渗设计要求。 张玉新为了解决现浇混凝土楼板中长期非荷载抗裂性的难题，对聚丙烯细纤维混凝土平板进行中长期抗裂试验。试验结果表明，聚丙烯细纤维对混凝土中长期裂缝有较好的抑制作用；混凝土的抗渗性能得到改善；聚丙烯细纤维使混凝土的抗拉强度、拉伸极限应变、临界断裂时的*大裂缝宽度增加。使用聚丙烯纤维混凝土楼板具有较显著的经济效益和社会效益。 郭海洋等对长度不同的改性聚丙烯细纤维混凝土进行开裂试验。结果表明，纤维长度对混凝土抗裂性能有影响，长度为15.25mm时效果*好。 李光伟和朱缨对聚丙烯细纤维混凝土进行收缩变形试验。试验结果表明，掺入聚丙烯细纤维可以使混凝土的收缩变形明显减少。葛其荣等和徐至钧认为，掺入聚丙烯纤维与不掺聚丙烯纤维，混凝土在一个月内干缩率没什么变化，但在两、三个月之间，掺入聚丙烯纤维混凝土的干缩率比普通混凝土减少5