基于高性能水工混凝土中聚丙烯纖維的應用研究

宋麗萍

(北票市哈爾腦鄉(xiāng)水利服務站，遼寧 朝陽 122100)

水利工程是關乎社會穩(wěn)定和經濟發(fā)展的重要工程，一旦失事勢必會給下游防洪安全帶來嚴重威脅，所以高性能化水工混凝土非常重要[1-2]。水工混凝土具有抗沖擊性能差、易開裂、脆性大等特點，加之長期與水接觸具有更高的抗沖磨、抗凍、抗?jié)B等性能要求，并且大體積水工混凝土面臨著突出的溫度裂縫和水化熱溫升問題[3]。因此，必須綜合考慮以上要求配制性能優(yōu)良的混凝土。摻入適量的聚丙烯纖維可以有效改善混凝土的脆性破壞特征和抗沖磨性、韌性、抗凍、抗?jié)B等性能，抑制脆性破壞和收縮裂縫，為水利工程的長效安全穩(wěn)定運行提供可靠保障。

1 高性能水工混凝土特點

HPC高性能混凝土應具有惡劣環(huán)境下使用壽命長、體積穩(wěn)定性好、早期韌性與強度高、能長期保持高超的力學性能、易于振實澆筑而不離析等性能要求，換而言之就是要有優(yōu)異的耐久性、高的流動性和強度[4]。目前，中國學者普遍認為高性能混凝土必須符合使用壽命≥100a、工作性良好、強度≥C30等要求，即高耐久性、高工作性和高強度。因此，耐久性要求是高性能混凝土的重要指標，通過科學搭配以及合理選用原材料，綜合考慮施工工藝、拌合物流動性等要求配制高強、密實而又質量均勻的混凝土，有效改善其耐久性。

高性能水工混凝土應重點考慮其耐久性要求，結合水工結構特點研究開發(fā)高強、耐久的混凝土。一般地，將高性能水工混凝土按照耐久性要求、使用條件以及所處部位劃分成三類：大體積內部混凝土(D區(qū)和E區(qū))、大體積外部混凝土(A區(qū)、B區(qū)和C區(qū))、抗沖耐磨混凝土(F區(qū))。壩體分區(qū)，見圖1。

圖1 壩體分區(qū)

大體積內部混凝土的特點是要求具有較大適應變形的能力、易于振搗密實、和易性好、徐變量大、水化溫升低，為減少溫度裂縫和收縮裂縫應盡量降低溫度應力。大體積外部混凝土的特點是要求較高的抗凍性、抗?jié)B性和高強低熱性能。抗沖磨混凝土大多用于排沙洞、導流隧洞、輸水隧洞、溢流面等襯砌結構，因長期受到泥沙磨蝕和高速水流沖磨作用，對抗沖耐磨性能要求較高；此外，由于工程質量要求高、施工條件差、澆筑體積大，應高度重視混凝土的黏聚性、流動性以及水化熱溫升等要求。綜上分析，高性能化水工混凝土必須考慮其抗沖耐磨性、抗凍性、抗?jié)B性和抗裂性等。

2 聚丙烯纖維改善混凝土性能機理

2.1 聚丙烯纖維的特性

聚丙烯纖維的彈性模量3500MPa，密度0.90g/cm3，長度18-50mm，熔點與燃點165℃、590℃。工程用聚丙烯纖維主要有兩種規(guī)格，即網形和單絲形，具有酸堿鹽阻抗高、導熱性低、不吸水、無毒等特性，經特殊處理混凝土與纖維表面的黏結力可明顯增強。聚丙烯纖維相對于常見鋼纖維，具有混凝土中纖維間距小(充分分散后按0.9kg/m3摻量可獲取纖維單絲達700-3000萬)、數量多、比表面積大、細度高(直徑當量0.02-0.1mm)等典型特征，均勻攪拌后可以形成亂向均勻的支撐體系。

2.2 對收縮裂縫的控制

2.2.1 減少塑性收縮與收縮裂縫

一般地，在完成澆筑的2-10h混凝土會發(fā)生塑性收縮，收縮體積不超過絕對體積的1%：①該過程中出現(xiàn)泌水，混凝土水分快速蒸發(fā)產生失水收縮；②拌合物內顆粒的不均勻沉降和泌水使得膠結材料與骨料、鋼筋與混凝土間出現(xiàn)沉縮變形。硬化前失水收縮導致混凝土表面產生拉應力，由于鋼筋和骨料的約束內部表面也會引起拉應力，若收縮產生的應力超過混凝土的早期抗拉強度就會產生不可恢復的塑性收縮裂縫[5]。

1)將聚丙烯纖維摻入水泥混凝土中，由于纖維的存在使得表層材料的失水范圍縮小，從而增大了水分的遷移難度，在一定程度上降低了毛細管失水收縮張力。

2)聚丙烯纖維有利于減少塑性收縮，彈性模量相對較低而抗拉強度較高的纖維單絲能夠分散收縮的能量，從而明顯改善混凝土韌性，對于控制微裂縫的形成與擴展發(fā)揮著重要作用。

3)由數千萬條纖維構成的支撐體系，為混凝土泌水均勻以及抑制沉降裂縫的形成提供了保證。

4)此外，與塑性漿體相比聚丙烯纖維的彈性模量較高，依據水泥漿與纖維間的機械齒合力、吸附黏聚力等可增強塑性抗拉強度，從而使材料塑性抗拉強度高于失水收縮引起的應力，減輕或消除材料開裂情況。研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的開裂和收縮變形減小幅度隨著纖維摻量的增大而減小，混凝土塑性收縮變化趨勢，見圖2。

圖2 混凝土塑性收縮變化趨勢

2.2.2 抑制裂縫的形成與擴展

養(yǎng)護結束后，混凝土還會因碳化出現(xiàn)碳化收縮、溫度降低出現(xiàn)冷縮和干燥失水出現(xiàn)干燥收縮等變形，若未能有效控制這些變形，使其>混凝土極限變形必將產生開裂。此外，承受荷載時混凝土內部也會形成許多裂縫，對于以上裂縫的形成與擴展聚丙烯纖維發(fā)揮著有效的抑制作用。

混凝土內部均勻分布的聚丙烯纖維，其單位體積內的數量較多，在收縮變形過程中纖維必然會消耗部分能量，從而阻礙裂縫的形成及其進一步擴展。纖維的存在會限制裂縫尖端的發(fā)展，即裂縫若要發(fā)展必須拉斷或者繞過纖維，要消除纖維對裂縫發(fā)展的限制作用就需要消耗巨大的能量[6]。因此，聚丙烯纖維相當于促使原生裂隙尖端的應力集中發(fā)生鈍化，從而提高抗拉強度，纖維約束裂縫擴展的作用機理，見圖3。若纖維的間距小于微裂縫的長度，纖維將發(fā)揮橋梁作用傳遞荷載，使得內部應力場更加均勻和連續(xù)，通過鈍化應力集中有效約束裂縫的進一步擴展，如圖3(a)；若纖維間距>微裂縫長度，裂縫接近纖維時將跨越纖維生成更細的裂縫場或其延伸方向發(fā)生改變，微裂縫擴展所需消耗的能量顯著增大，如圖3(b)。

(a)

(b)

2.3 對強度和變形性能的影響

2.3.1 對強度的影響

聚丙烯纖維混凝土相對于普通混凝土，其抗壓強度沒有提高反而有所下降，但下降幅度不超過10%。這是由于混凝土的彈性模量明顯高于聚丙烯纖維，在較高的應力條件下纖維尚未產生約束應力混凝土就已開始破裂，因此聚丙烯纖維無法提高抗壓強度。然而，聚丙烯纖維可以提高抗折和抗拉強度，在一定程度上降低混凝土脆性系數，有研究表明摻入0.2%的聚丙烯纖維能夠提高混凝土10%的抗折可劈裂強度。

聚丙烯纖維的阻裂效應是降低混凝土脆性的關鍵，從無缺陷理想狀態(tài)的角度上混凝土抗折、抗壓強度應保持相同的增長幅度，而聚丙烯纖維提高抗折強度的作用高于抗壓強度主要與混凝土內部各尺度微裂縫的存在有關，抗壓強度受微裂縫的影響遠小于抗折強度。混凝土硬化過程中纖維抑制了裂縫的形成，使裂縫尺度變小以及裂縫源數量減少，從而降低了裂縫尖端的應力集中程度和應力強度因子，受力過程中又阻止了裂縫的擴展。因此，纖維的摻入無法提高抗壓強度，但能夠明顯增強抗折強度[7]。

2.3.2 對變形的影響

摻入適量的纖維能夠明顯提高混凝土的韌性與延性，彎曲荷載作用下的P-δ曲線和高強混凝土(C100)軸壓應力-應變曲線，混凝土變形性能曲線，見圖4。結果顯示，摻入聚丙烯纖維后高強混凝土的抗壓強度略微下降，但極限壓應變和斷裂能明顯增大，顯著提高了構件的韌性與延性。

(a)P-δ曲線

(b)軸壓應力-應變

聚丙烯纖維混凝土的極限拉伸變形明顯提高，其斷裂伸長率較普通混凝土有所增大，而這些特征顯著提高了混凝土的變形性能，對于提高混凝土裂后承載力以及約束混凝土裂縫的擴展發(fā)揮著重要作用。

綜上分析，混凝土中摻入聚丙烯纖維能夠有效解決變形能力差、韌性低、脆性大等問題。

3 聚丙烯纖維的高性能化作用

優(yōu)異的耐久性是高性能水工混凝土的典型特征，對水工混凝土而言最為重要的是其抗疲勞、抗沖磨、抗凍、抗?jié)B、抗裂耐久性[8]。

3.1 改善抗裂性能與脆性

亂向分布的聚丙烯纖維絲能夠分散混凝土的收縮能量，從而有效控制初凝時收縮造成的裂縫和裂紋，增強整體韌性[9]；此外，由無數纖維絲構成的亂向撐拓體系有利于維持早期均勻泌水性，有助于限制骨料離析以及沉降裂紋的形成。研究表明，按0.05%體積摻入纖維可以提高70%的抗裂性能。

聚丙烯纖維可以提高混凝土抗折強度，但抗壓強度則有所下降，摻入聚丙烯纖維相當于降低了其脆性系數，并且混凝土脆性的下降幅度隨纖維體積率的增加而增大。因此，摻聚丙烯纖維能夠有效解決混凝土脆性大的問題，對增強混凝土韌性具有正向作用[10]。

3.2 增強抗凍性與抗?jié)B性

將聚丙烯纖維加入混凝土中，亂向支撐而均勻細密的纖維絲能夠有效緩解凍融變化造成的應力作用，有利于抑制溫度裂縫和收縮裂縫的形成，從而提高混凝土的抗凍性能[11]；此外，纖維能夠減少離析裂紋和干縮裂縫的形成與擴展，從而防止收縮裂縫和貫通裂縫的出現(xiàn)；混凝土內部均勻分布的聚丙烯纖維彼此相黏連，從而發(fā)揮“承托”作用，有利于減少混凝土的離析和析水，大大降低直徑>100mm和50-100mm的有害孔隙含量。因此，摻入聚丙烯纖維可增強抗?jié)B性，試驗發(fā)現(xiàn)摻0.05%體積的纖維可以提升60-70%的抗?jié)B性能。

3.3 提高抗沖擊性與抗疲勞性

混凝土內部聚丙烯纖維構成的亂向支撐體系有利于吸收沖擊動能，纖維發(fā)揮相應的阻裂作用[12]。受沖擊荷載作用時內部的纖維能夠分散沖擊動能，增強材料內部的連續(xù)性及其抗沖擊性能，對于阻礙混凝土中裂縫的快速擴展和減少沖擊波產生的局部應力集中程度發(fā)揮重要作用。對不同纖維摻量和素混凝土的抗沖擊進行試驗，抗沖擊試驗結果，見表1。結果表明較不摻纖維的混凝土摻聚丙烯纖維試件的破壞沖擊次數和初裂沖擊次數成倍增大，并且摻量越高增加幅度越大。

表1 抗沖擊試驗結果

按0.05%≤Vr≤0.1%摻入聚丙烯纖維，隨摻率的增加其疲勞變形模量逐漸增大，但靜力彈性模量下降，這表明聚丙烯纖維對動力荷載作用下的結構具有更明顯的效果。試驗表明，聚丙烯纖維混凝土較普通混凝土的疲勞壽命可成倍增長，特別是高應力比條件下的彎曲疲勞性能優(yōu)良。

3.4 提高水工混凝土的耐磨性

將聚丙烯纖維摻入高性能混凝土中能夠明顯提升其耐磨性能，因為每方數千萬根的聚丙烯纖維可構成相互牽連、彼此搭接的亂向支撐體系，對磨損或沖擊引起的裂縫擴展起到阻礙作用，并且纖維抑制了基體中碎塊的剝落，從基體中碎塊剝落所需消耗的能量更多，混凝土耐磨性能明顯提高。試驗表明，按0.5-1.2kg/m3的摻量摻入纖維能夠提高25-50%的耐磨性能。

4 結 語

將適量聚丙烯纖維摻入水工混凝土中，可以提高其耐磨性、抗凍、抗?jié)B、抗裂、抗沖擊和抗疲勞等性能。實際工程中，聚丙烯纖維具有使用效果顯著、適用性廣泛、施工簡單、經濟性好、摻量低(體積摻率0.1%)等優(yōu)點。目前，堤防護砌、大壩補強、渠道防滲、碾壓混凝土面板等水利工程領域聚丙烯纖維混凝土已得到廣泛。隨著纖維性能的改進優(yōu)化、水利事業(yè)的快速發(fā)展及高性能混凝土的研究使用，聚丙烯纖維在水利工程中的應用前景將更加廣闊。