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人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。最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[1]。

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03%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[2]。

解决混凝土早期塑性开裂问题最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。

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