基于聚丙稀纖維混凝土力學性能的分析研究

摘要：介紹了建筑用聚丙烯短纖維的性能以及將其摻入混凝土后對混凝土性能的改善作用，并結合材料力學原理對其作用機理進行簡要分析。

關鍵詞：聚丙烯短纖維 混凝土 性能 應力

1 聚丙烯纖維的發(fā)展概況

混凝土在土建工程中的應用已有百年歷史，是目前使用最廣泛的人造建筑材料。人們對混凝土性能的改善和提高隨著工程實踐的增多和科學的發(fā)展而不斷完善。遺憾的是，由于傳統(tǒng)混凝土組成材料的天然特性以及組成形式的制約，混凝土存在著固有弱點——抗拉強度低、韌性差等。隨著混凝土強度的大幅度提高，其脆性特征也進一步突出出來?；炷脸霈F裂縫成為建筑業(yè)的常見性問題，在混凝土產生的各種病害中裂縫病害約占70％，幾乎所有的混凝土工程都由于材料性質、施工工藝等原因存在有不同程度的裂縫。裂縫的擴展，局部形成應力集中，使得混凝土強度降低，承載力下降，直接影響建筑得使用壽命，嚴重的還將對人民生命財產構成威脅。

纖維作為混凝土次要加強筋，摻入以水泥加顆粒集料為基體的混合料中，可以用來增強活改善普通混凝土的一些特性。隨著化工產業(yè)的發(fā)展，大批的合成纖維材料大量出現，它們既能起到增強混凝土韌性和抗疲勞性的作用，又有經濟、施工簡單、耐腐蝕的特點。20世紀70年代纖維混凝土技術傳入中國。20世紀90年代初，在美國本土生產、能夠應用于纖維混凝土的有機纖維透過商業(yè)渠道流入中國，成為纖維混凝土在中國大量應用的契機。到2001年10月，在中國境內采用聚丙烯纖維混凝土的工程實例已經數以千計，工程類型幾乎覆蓋了工業(yè)及民用建筑工程當中所有用到的混凝土的場合。

本文介紹的聚丙烯纖維就是一種可以有效改善混凝土性能的纖維材料。

聚丙烯纖維是一種典型的聚烯烴類高分子聚合物，分為單絲和網狀，它的物理性質、化學性質基本相同，與傳統(tǒng)的鋼纖維相比較，它耐腐蝕無磁性，施工簡便且價格便宜。與碳纖維、玻璃纖維、石棉纖維相比，后三者屬于高碳纖維，其中碳纖維價格昂貴，玻璃纖維極脆，易斷，且玻璃纖維和石棉纖維都對環(huán)境有一定的污染。建筑用聚丙烯能夠有效的改善混凝土性能和其自身特有的物理、化學性質是緊密相關的，它具備了以下幾方面的性能：①穩(wěn)定的化學性能，能耐酸堿，抵御混凝土中堿性集料和水泥堿性水化物的腐蝕，保證纖維在混凝土構件中發(fā)揮穩(wěn)定的物理性能。②良好的自分散性，不結團、彼此不相互粘結。③較高的抗拉強度。④較高的變形能力。⑤良好的粘結強度，保證纖維與水泥基體有效的連接，共同工作，使纖維體充分發(fā)揮作用。

在表1中的數字指標直觀的體現了聚丙烯纖維的物化性能。

表1 聚丙烯纖維的物化性能

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2 聚丙烯纖維對混凝土強度的增強機理

均勻而任意分布的聚丙烯纖維在混凝土中對混凝土的增強機理：在普通混凝土在荷載作用下，如圖1表示均勻受拉情況，由于圓孔或裂紋處的材料將荷載卸給了孔邊材料，孔邊便產生了應力集中，則沿界面均勻分布的拉應力將發(fā)生重分布。對于形如橢圓的狹長細紋，如圖2所示，拉伸荷載方向與橢圓長軸方向垂直，在拉應力作用下，長軸端點的應力常常遠超過了混凝土材料的抗拉強度，使得材料在外應力還遠小于材料抗拉強度時，就發(fā)生突然斷裂，促使裂縫急劇擴展而突然破壞。這就是普通混凝土構件中常發(fā)生得脆性破壞。根據材料力學有關理論，對圖2所示情形，有如下理論應力集中系數的經驗公式：

n=［2+（1-■）3］×｛1+■［1-（■）1.6］×［■-1］｝

式中：ρ=a2/b，橢圓長軸端點處的曲率半徑；a為橢圓的短軸長度；b為橢圓長軸長度；B為半倍板寬。

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對于土木建筑工程而言，混凝土結構的脆性破壞是必須要盡量杜絕的，因為事發(fā)之前，不能給人們提供多少預警，往往是突然發(fā)生，對人們的生命財產構成巨大的威脅，尤其是城市人口集中的地方，事故一旦發(fā)生，往往是災難性的。因此，從根本上改變普通混凝土的固有缺陷，就顯得非常必要。如前所述，聚丙烯纖維對混凝土的增強效果非常明顯，尤其是使混凝土的抗拉強度與任性大為改善，其增強機理如圖3所示。圖中混凝土板，普通混凝土在拉伸荷載的作用下，橢圓形裂紋處將產生圖3所示的應力集中，在混凝土中摻入亂向分布的聚丙烯纖維，受力時，跨越裂縫面的纖維就起聯(lián)結作用，將荷載傳遞給裂縫的上下或左右表面，使裂紋區(qū)仍能繼續(xù)承擔荷載。這樣，由于裂紋的出現而傳遞為紋邊的荷載就減少了，紋邊應力集中也就因此而減緩，如圖3所示，纖維對裂紋面的聯(lián)結作用，使裂紋的進一步擴展受到抑制。通常情況下，在受到外力作用初期，混凝土和纖維共同承受外力，前者是外力的主要承受者；混凝土開裂后，聯(lián)結裂縫的纖維材料就轉變?yōu)橥饬Φ闹饕惺苷摺．斃w維的摻入量超過一定的百分比，整個混凝土結構可以承受較高的荷載，并能承受較大的變形，直至纖維拉斷或從混凝土中被拔出。因此，聚丙烯纖維的摻入使得本質上呈脆性的混凝土很大程度上表現出塑性特征，這種特征隨纖維的摻入量的增加而愈加明顯。

由于聚丙烯纖維組織結構為纖化網狀，與混凝土基體的粘結強度較高，當應力自基體傳遞給聚丙烯纖維時，纖維因變形而消耗能量，混凝土構件達到初裂時的荷載及宏觀變形增大。其次，因聚丙烯纖維具有良好的延伸性，極限變形值很大，混凝土一經開裂，聚丙烯纖維跨接在裂紋的表面，阻止裂紋的迅速擴展。因此，纖維混凝土的抗彎強度明顯提高。

3 結束語

由于聚丙烯纖維混凝土的卓越性能，使其得以在也來也多的實際工程中的得到廣泛應用。上個世紀80年代末，日本、美國、英國、前蘇聯(lián)、德國和瑞典等國對聚丙烯纖維增強混凝土的強度進行了理論研究和工程實踐，在各種工程建筑以及混凝土或鋼筋混凝土的裂縫修復與強化中，廣泛應用聚丙烯纖維，并使這種聚丙烯纖維增強纖維實現了產業(yè)化生產。近些年，我國聚丙烯纖維增強混凝土的研究成果，也已經初步得到應用，但相較于國外的研究開發(fā)與應用，還是有一定差距的。

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作者簡介：吳亞彬，男，（1981-），河北省秦皇島人，助工。