粗合成纖維混凝土的性能及應(yīng)用

前言

纖維增強(qiáng)混凝土是以混凝土為基材，以各種纖維為增強(qiáng)相組成的復(fù)合材料。纖維從微觀機(jī)制上改善了基體材料的性能，彌補(bǔ)了混凝土抗拉強(qiáng)度低、韌性差、極限延性率小等缺點(diǎn)。

在混凝土中摻入細(xì)合成纖維是解決混凝土早期開裂的簡(jiǎn)單有效方法，然而，細(xì)纖維的摻量一般較小，對(duì)于硬化混凝土韌性和后期抗裂性的改善很小。工程中常用鋼纖維來(lái)提高硬化混凝土的后期開裂性能、韌性及抗沖擊性能，但鋼纖維存在銹蝕問題，且重量較大、造價(jià)較高，施工中常有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。目前，粗合成纖維不斷得到發(fā)展并引進(jìn)市場(chǎng)，較細(xì)纖維而言，粗合成纖維可采用更高的體積摻量，為混凝土裂后提供承載力。這類纖維與鋼纖維有很多類似的特點(diǎn)，同時(shí)又較好地克服了鋼纖維的缺點(diǎn)，在應(yīng)用中可作為鋼纖維的替代品，有著較廣闊的應(yīng)用前景。

1.粗合成纖維的特性和在混凝土中的作用

1.1 粗合成纖維的特性 粗合成纖維主要有聚丙烯或聚乙烯所屬聚烯烴、 聚乙烯醇、聚丙烯腈、聚酰胺及它們的混合物。粗合成纖維的當(dāng)量直徑在0.1mm以上，且具有較高的初始模量。粗合成纖維的體積摻量可比細(xì)纖維大，最大可達(dá) 1.35%（即12kg/m3）。此外，粗合成纖維的比鋼纖維有更好的而酸堿腐蝕性，在分散性、對(duì)機(jī)械的磨損、運(yùn)輸及拌合等方面，粗合成纖維也較鋼纖維表現(xiàn)出了更強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。 目前，市場(chǎng)上的粗合成纖維主要為以聚丙烯為主的聚烯烴類材料。通過(guò)添加特制改性材料，并且應(yīng)用多種錨固機(jī)制開發(fā)的粗合成纖維，可提高纖維粘結(jié)性、分散性，由此增強(qiáng)了與混凝土的粘結(jié)力和握裹力。

1.2粗合成纖維在混凝土中的作用機(jī)理 摻粗合成纖維的混凝土在拉伸荷載或彎曲荷載的 作用下，最初是纖維與混凝土共同承擔(dān)外力，使纖維混凝土復(fù)合材料呈現(xiàn)彈性變形，一旦混凝土達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度值時(shí)即產(chǎn)生裂縫（即初裂），混凝土通過(guò)它與 纖維的界面將荷載轉(zhuǎn)遞給纖維，復(fù)合材料的承載能力隨變形的繼續(xù)增加而有所下降。其承載能力的下降速率主要取決于纖維的體積率、纖維與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度、纖維長(zhǎng)度以及纖維的彈性模量。與細(xì)合成纖維比，粗合成纖維體積率高、長(zhǎng)度大、彈性模量較高，尤其是纖維與混凝土的界面粘結(jié)強(qiáng)度高，能減緩混凝土中裂縫的擴(kuò)展，并承接混凝土所轉(zhuǎn)遞的荷載。在繼續(xù)受荷過(guò)程中，纖維被拉伸至與混凝土的粘結(jié)削弱，最后從混凝土中被拔出而導(dǎo)致復(fù)合材料破壞。由于粗合成纖維能使混凝土在出現(xiàn)裂縫后仍然具有一定的承載與變形能力、吸收較多的能量，因而可顯著提高混凝土的韌性，并相應(yīng)提高混凝土的抗沖擊性與延展性。

2. 粗合成纖維對(duì)混凝土性能的影響

2.1 粗合成纖維混凝土的工作性能 粗合成纖維比鋼纖維具有更好的和易性和拌和性能，但粗合成纖維在摻量較高的情況下，混凝土的坍落度會(huì)有一定程度的下降，其下降程度一般不影響其工作性能，必要時(shí)可通過(guò)摻加減水劑或增塑劑來(lái)保證其坍落度。

2.2粗合成纖維混凝土的強(qiáng)度 粗合成纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，當(dāng)摻量較低時(shí)，混凝土的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有所提高，提高幅度不超過(guò)5%。當(dāng)纖維摻量超過(guò)11kg/m3時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度開始降低。 粗合成纖維對(duì)混凝土的抗折強(qiáng)度提高明顯，當(dāng)纖維摻量由5kg/m3 增加到11kg/m3 時(shí)，抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率 由1.6%增加到13.3%。

2.3粗合成纖維混凝土的彎曲韌性 粗合成纖維混凝土的彎曲韌性試驗(yàn)按照RILEM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在彎曲韌性試驗(yàn)中，試驗(yàn)梁的尺寸為 150mm×150mm×550mm，跨度500mm，下部有25mm深的開口，使用1000kN液壓伺服試驗(yàn)機(jī)，等速位移控制，跨中位移速率為0.2mm/min，兩側(cè)用位移傳感器（LVDT）測(cè)定梁的跨中撓度，梁的底部用夾式引伸儀測(cè)定裂縫口擴(kuò)展寬度（CMOD），混凝土試件澆注后28d進(jìn)行試驗(yàn)。 圖2為粗合成纖維與鋼纖維混凝土梁的荷載-撓度曲線。

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