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(qiáng)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(huì)使聚丙烯纖維混凝土良好的抗裂性、耐磨性和抗?jié)B性，達(dá)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(qiáng)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(gè)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(jì)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(yàn)、作用機(jī)理分析

3.1 混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)

強(qiáng)度等級(jí)C40，抗?jié)B標(biāo)號(hào)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(qiáng)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(xì)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(qiáng)的混凝土和噴射混凝土》規(guī)范、《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)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(yàn)，首先試配、確定基準(zhǔn)配合比，然后在基準(zhǔn)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(jì)上有可比性，以相同的混凝土材料用量和相同工作度進(jìn)行試配，結(jié)果見表1。

其中基準(zhǔn)配合比A 抗?jié)B標(biāo)號(hào)達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范S12 要求，從經(jīng)濟(jì)及合理性原則應(yīng)選用配合比B 進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至所需齡期后試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果匯總見表2。

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

表1 不同纖維摻量的配合比試驗(yàn)結(jié)果

表2 配合比A、B 力學(xué)性能試驗(yàn)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(jī)理淺析

(1)摻纖維混凝土拌和物坍落度試驗(yàn)時(shí)，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(dú)纖維，每方約有710 萬根以三維交錯(cuò)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(qiáng)度提高了5.2%，28 d 抗折強(qiáng)度提高了10.7%。結(jié)構(gòu)力學(xué)上強(qiáng)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(jià)。

聚丙烯纖維增強(qiáng)作用有兩方面因素:一是纖維混凝土基體界面的膠結(jié)強(qiáng)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(qiáng)化效應(yīng)，增強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗變形破壞。

聚丙烯纖維個(gè)體尺寸特性和群體組合效應(yīng)。聚丙烯纖維設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，單獨(dú)纖維受彎直徑下限設(shè)計(jì)小至防止其直線分布，上限大至防止其卷曲成團(tuán);纖維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)混凝土次要加強(qiáng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn):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(yùn)動(dòng)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(yàn)采用《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》T0527－94 的磨耗試驗(yàn)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(biāo)號(hào)比基準(zhǔn)混凝土增加了0.2 MPa 以上，可以替代防水劑來達(dá)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(cuò)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(qiáng)了混凝土的致密性;同時(shí)，混凝土內(nèi)部剛發(fā)生微裂紋趨勢時(shí)，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(jìn)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(huì)逐漸擴(kuò)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(shí)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(qiáng)制式攪和機(jī)，嚴(yán)格按各種材料的配合比進(jìn)行計(jì)量，纖維網(wǎng)與砂、石、水泥一起加入攪拌機(jī)和水?dāng)嚢?，時(shí)間不少于4 min。

澆筑攤鋪過程如有發(fā)現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象及時(shí)清除;摻纖維混凝土流動(dòng)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(shí);板角采用插入式振動(dòng)器振搗。工人拉動(dòng)振動(dòng)梁速度應(yīng)稍慢一些，混凝土振動(dòng)時(shí)間延長20 s 左右(與振動(dòng)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(shí)間稍長。進(jìn)行壓紋時(shí)，會(huì)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(xì)心施工。

養(yǎng)護(hù):纖維混凝土養(yǎng)護(hù)與普通混凝土養(yǎng)護(hù)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(xiàng)新材料應(yīng)用成功，它具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(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(jī)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(dòng)性稍差;其和易性和流動(dòng)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(huì)削弱增強(qiáng)作用，鋼纖維易集中于大粒徑骨料周圍結(jié)團(tuán)，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(dá)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(fèi)用、使用年限、車速及車流量提高的社會(huì)效益、資金時(shí)間效益綜合考慮，每年支出的費(fèi)用要低25%以上(按年成本法計(jì)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(jì)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(hù)成本低，適用性廣泛，社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jì)規(guī)程(JTJ55－2000)［S］.

［5］公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程(JTJ053－94)［S］.