聚丙烯纖維混凝土機理研究及在橋面鋪裝中的應(yīng)用

黃秋鋒

(東莞理工學(xué)院城市學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)系)

1 前 言

近年來，對于纖維增強混凝土的相關(guān)研究有增無減，在混凝土中摻入較低摻量的聚丙烯纖維，可減少在混凝土澆筑后早期硬化階段的收縮裂紋都會使聚丙烯纖維混凝土良好的抗裂性、耐磨性和抗?jié)B性，達到可持續(xù)發(fā)展的耐久性要求;特殊的力學(xué)性能提高結(jié)構(gòu)承載力，降低投資成本。

聚丙烯纖維混凝土的使用可以追溯到1965年，最初用于美國軍事工程提高混凝土安定性;英國在1970年聚丙烯纖維混凝土開始用于樁與樁帽，防止樁帽損壞。這種新型水泥混凝土增強材料，適用于道路，橋涵，隧道，水工結(jié)構(gòu)混凝土工程，已被廣泛應(yīng)用于世界60 多個國家。聚丙烯纖維混凝土提高了混凝土的質(zhì)量和性能，越來越受到人們的重視，發(fā)揮了良好的工程效益和經(jīng)濟效益。

2 聚丙烯纖維的物理、化學(xué)性能

3 聚丙烯纖維混凝土試驗、作用機理分析

3.1 混凝土設(shè)計指標

強度等級C40，抗?jié)B標號S10，坍落度30 ～50 mm

3.2 原材料

聚丙烯纖維:一種采用非再生聚丙烯材料以纖維束的方式生產(chǎn)的混凝土加強材料(陜西泛美施公司生產(chǎn));泥:P·O 42.5R;

碎石:粒徑5 ～31.5 mm;

砂:細度模數(shù)2.66;

外加劑:FUN－5 高效減水劑。

3.3 配合比

根據(jù)美國《纖維網(wǎng)加強的混凝土和噴射混凝土》規(guī)范、《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》、《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和其他地方應(yīng)用的成功經(jīng)驗，首先試配、確定基準配合比，然后在基準配合比中分別摻入0.90 kg/m3、1.35 kg/m3的聚丙烯纖維，確定合適摻量。聚丙烯纖維以19 mm 為宜。由于纖維的摻入使混凝土拌合物坍落度降低，為使方案經(jīng)濟上有可比性，以相同的混凝土材料用量和相同工作度進行試配，結(jié)果見表1。

其中基準配合比A 抗?jié)B標號達不到設(shè)計規(guī)范S12 要求，從經(jīng)濟及合理性原則應(yīng)選用配合比B 進行施工。為比較摻纖維混凝土與普通混凝土相關(guān)性能，按配合比A 和B 制作混凝土試件，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至所需齡期后試驗。試驗結(jié)果匯總見表2。

本文首先將建立輪轉(zhuǎn)印刷機刀式折頁機構(gòu)運動副間隙的非線性動力學(xué)模型，之后針對印刷機械非線性動態(tài)系統(tǒng)提出一種直接積分方法，得出動力學(xué)模型的解析解[2～7].該方法可以用于印刷機構(gòu)的非線性動力學(xué)分析與設(shè)計.

表1 不同纖維摻量的配合比試驗結(jié)果

表2 配合比A、B 力學(xué)性能試驗結(jié)果

3.3 聚丙烯纖維混凝土物理力學(xué)性能、耐久性能作用機理淺析

(1)摻纖維混凝土拌和物坍落度試驗時，棍度、粘聚性及保水性均比普通混凝土要好。

由于纖維攪拌過程被撕裂成一根根單獨纖維，每方約有710 萬根以三維交錯方式分布在混凝土中，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減小拌合物的析水與集料離析和沉降，產(chǎn)生“承托”效果，和易性好。

(2)摻纖維混凝土28 d 立方體抗壓強度提高了5.2%，28 d 抗折強度提高了10.7%。結(jié)構(gòu)力學(xué)上強度的提高，能減少構(gòu)件截面的尺寸和減輕自重，降低工程造價。

聚丙烯纖維增強作用有兩方面因素:一是纖維混凝土基體界面的膠結(jié)強度，纖維網(wǎng)狀組織在基體諸界面層的三維空間產(chǎn)生疊加強化效應(yīng)，增強內(nèi)摩擦力、握裹錨固力及拉結(jié)能力;二是纖維能有效減小混凝土早期水泥水化產(chǎn)生的塑性收縮和溫差引起的收縮(也稱熱收縮)，阻裂效應(yīng)使基體致密度高，強度高。整體上改善混凝土的力學(xué)性能。

(3)抗壓彈性模量及抗折彈性模量分別提高了10.0%、12.1%，增強結(jié)構(gòu)抵抗變形破壞。

聚丙烯纖維個體尺寸特性和群體組合效應(yīng)。聚丙烯纖維設(shè)計生產(chǎn)時，單獨纖維受彎直徑下限設(shè)計小至防止其直線分布，上限大至防止其卷曲成團;纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當混凝土次要加強筋的作用，在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，因而可提高結(jié)構(gòu)的韌性和抗沖擊碰撞能力。

從混凝土結(jié)構(gòu)主要的三個相——骨料、水泥石和過渡區(qū)談起。普通混凝土在其初凝之前，骨料顆粒受重力作用沉降，含有大量水分的水泥漿由于密度小向上滑移，相對運動使骨料顆粒周壁形成一層稀漿膜，混凝土硬化后，則形成厚度約10 ～50 μm 薄殼，即過渡區(qū)。過渡區(qū)微觀結(jié)構(gòu)特點:①氫氧化鈣和鈣礬石晶粒大且集中;②孔隙率大、孔隙直徑大(主要為＞50 nm 的孔隙);③存在大量原生微裂紋，混凝土未承載之前相體運動產(chǎn)生的裂紋。由此可知過渡區(qū)最薄弱，雖然水泥石和骨料兩相的剛性很大，但傳遞應(yīng)力作用的過渡區(qū)使得混凝土的剛性和彈性模量減小。而聚丙烯纖維的“承托”骨料作用，減小了過渡區(qū)的厚度，使抵抗撓曲變形能力增加，具有良好的韌性、抗裂性和抗沖擊性。

(4)耐磨性試驗采用《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》T0527－94 的磨耗試驗方法，?纖維混凝土磨耗量比普通混凝土減小了0.51 kg/m2。

這是由于纖維混凝土致密性高，且纖維網(wǎng)自身高性能抗磨減小了混凝土的磨耗量，使用壽命延長。

(5)聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B標號比基準混凝土增加了0.2 MPa 以上，可以替代防水劑來達到抗?jié)B目的。

混凝土早期塑性收縮和溫差引起的收縮產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力，而聚丙烯纖維的三維交錯方式分布形式具有約束和對應(yīng)力的分散作用，阻止了收縮引起的裂紋，增強了混凝土的致密性;同時，混凝土內(nèi)部剛發(fā)生微裂紋趨勢時，即被均布于各方向的纖維抑制和拉結(jié)，避免外界水分和侵蝕性離子進入對混凝土及鋼筋產(chǎn)生侵蝕作用。

普通混凝土水泥石和骨料兩相存在彈性模量、線脹系數(shù)等參數(shù)上的差異，在反復(fù)的荷載、冷熱循環(huán)與干濕循環(huán)作用下，過渡區(qū)作為薄弱環(huán)節(jié)，在較低的拉應(yīng)力作用下其原始裂縫會逐漸擴展，而聚丙烯纖維對骨料的“承托”作用，避免沉降裂紋的形成，同時減小過渡區(qū)厚度，使混凝土中直徑＞50 nm 的孔隙大大減少，小于50 nm 的孔隙增多。一般100 nm 以上的孔隙易碰撞后相通，對抗?jié)B性影響大，而小于50 nm 的孔隙多則是凝膠數(shù)量充足，水化產(chǎn)物多，和易性好，密性高，利于防水。

4 聚丙烯纖維混凝土在夷陵長江大橋橋面鋪裝中的應(yīng)用

混凝土拌制:選用強制式攪和機，嚴格按各種材料的配合比進行計量，纖維網(wǎng)與砂、石、水泥一起加入攪拌機和水攪拌，時間不少于4 min。

澆筑攤鋪過程如有發(fā)現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象及時清除;摻纖維混凝土流動性較差，在邊角處容易產(chǎn)生蜂窩，因此，邊角部分可先用搗棒搗實;板角采用插入式振動器振搗。工人拉動振動梁速度應(yīng)稍慢一些，混凝土振動時間延長20 s 左右(與振動普通混凝土相比)，有利于纖維的三維向分布。由于纖維混凝土表面泌水極少，較難抹光，操作時間稍長。進行壓紋時，會由于纖維網(wǎng)彈性作用和相互拉結(jié)使混凝土表面不如普通混凝土平整，需細心施工。

養(yǎng)護:纖維混凝土養(yǎng)護與普通混凝土養(yǎng)護方法一樣，以保持混凝土表面濕潤為原則。

夷陵長江大橋橋面使用至今，未出現(xiàn)混凝土常見的通病質(zhì)量問題，此項新材料應(yīng)用成功，它具有以下優(yōu)點。

(1)聚丙烯纖維材料呈惰性，不與混凝土材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，施工方便，無需專用的施工機械及設(shè)備，切縫施工中及伸縮縫位置不易出現(xiàn)掉角、損壞現(xiàn)象。

(2)聚丙烯纖維混凝土的和易性在同樣條件下比普通混凝土好，但流動性稍差;其和易性和流動性均比鋼纖維混凝土好的多，且鋼纖維混凝土用碎石粒徑過大，會削弱增強作用，鋼纖維易集中于大粒徑骨料周圍結(jié)團，聚丙烯纖維混凝土所用骨料不受此影響。

(3)聚丙烯纖維混凝土良好的抗裂性、耐磨性和抗?jié)B性，達到可持續(xù)發(fā)展的耐久性要求;特殊的力學(xué)性能提高結(jié)構(gòu)承載力，降低投資成本。

(4)聚丙烯纖維混凝土一次性投資較普通混凝土高，但從其維修費用、使用年限、車速及車流量提高的社會效益、資金時間效益綜合考慮，每年支出的費用要低25%以上(按年成本法計算等值年金);纖維混凝土比鋼纖維混凝土施工成本要低得多，按每立方米混凝土正常摻量計算的成本比較:聚丙烯纖維增加148 元/m3，而鋼纖維混凝土增加450 元/m3。

5 結(jié)束語

聚丙烯纖維混凝土結(jié)構(gòu)耐久性好，維護成本低，適用性廣泛，社會經(jīng)濟效益顯著，在工程界已受到越來越多的關(guān)注和了解，是值得推廣應(yīng)用的新型復(fù)合高性能混凝土。

［1］美國《纖維網(wǎng)加強的混凝土和噴射混凝土》規(guī)范(ASTMC－39、ASTM－496、ATSMC－1018)［S］.

［2］混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范(GBJ119－88)［S］.

［3］公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ041－2000)［S］.

［4］普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程(JTJ55－2000)［S］.

［5］公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程(JTJ053－94)［S］.