关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识

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1、引　言
    聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维，被称为混凝土的“次要增强筋”，适用于路面桥面、衬里护壁、地坪等工程部位，近几年在我国市政、公路和建筑工程中已有较多应用。从1997 年至今，仅在天津市道路和桥面工程中，聚丙烯纤维混凝土的用量已达到10 多万m2，聚丙烯纤维的总用量近20 吨，绝大部分工程应用效果良好。
    由于掺入聚丙烯纤维改善了混凝土的品质，使混凝土的综合使用性能得到提高。美国联邦公路战略计划(SHRP) 通过大量试验研究和工程经验总结后认为，可将聚丙烯纤维等有机纤维增强混凝土当作路面高性能混凝土的一种〔1〕。但作者通过和施工、设计人员的现场交流，发现一些工程技术人员对聚丙烯纤维在混凝土中的效应认识不足，认为聚丙烯纤维的功能仅是阻止混凝土发生塑裂,而对硬化混凝土的性能无积极作用；或者将聚丙烯纤维和钢纤维的增强效果进行对比，以掺入纤维对混凝土抗折(抗拉) 强度的提高程度作为评价标准。经分析后认为，有关人员对聚丙烯纤维功能认识上的片面性，主要源于现行混凝土试验评价方法的局限性和长期形成的以硬化混凝土静载强度为目标的思维定势。本文就有关问题进行讨论，并阐述作者的看法。
    2、聚丙烯纤维的阻裂效应
    同常用的钢纤维相比,聚丙烯纤维的特点是细度高(当量直径0.02～0.1mm) 、数量多(常用的0.9kg/ m3 的掺量充分分散可获得700 ～3000 万根纤维单丝) 、在混凝土中的纤维间距小。上述特点使聚丙烯纤维能有效限制早期(塑性期和硬化初期) 混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展，减小原生裂隙的数量和尺度。而原生裂隙通常是混凝土破坏或性能劣化的起源。从此角度理解,可认为聚丙烯纤维的上述阻裂效应的意义，不仅在于有效地阻止了早期混凝土塑性裂缝的发生和发展，其意义更在于通过提高材料介质的连续性，,能使硬化后混凝土的性能得到显著改善。对于路面和桥面混凝土，由于所承受的弯拉荷载和反复冲击荷载，对混凝土内原生裂隙数量和尺度的敏感性较高，原生裂隙在数量和尺度上的减小对提高其使用性能是非常有利的。
    存在的问题是: ①聚丙烯纤维的阻裂效应得以发挥的必要条件，是混凝土在硬化早期同时处于变形受限和失水收缩的状态，而这样的条件室内或现场制作的小试件并不具备。这种差异实际上体现了用小试件评定实际结构物中混凝土强度或耐久性的不足之处，对聚丙烯纤维混凝土这种倾向性更为明显，其结果造成了对聚丙烯纤维在混凝土中作用的低估。②聚丙烯纤维的阻裂效应尚很难通过试验进行定量的评价。虽然有关人员模拟现场条件制作了各种试验装置，进行聚丙烯纤维阻裂效应的研究，但受各种偶然因素的作用，试验结果的再现性不佳。以上因素造成了对聚丙烯纤维使用效果的低估和认识上的模糊。
    在混凝土中掺入纤维材料最初的目的,就是针对因混凝土抗拉强度不足造成的易裂问题，纤维在混凝土中的阻裂效应实际上正是提高了混凝土抗拉强度的表现。但不同品种纤维因弹性模量、抗拉强度、长径比、掺量等不同，在混凝土中阻裂效应的作用机理和效果也不相同。钢纤维的阻裂效应体现在阻止硬化混凝土破坏时的裂缝扩展上，是通过使硬化混凝土在裂后仍能保持一定的抗拉强度实现的,阻裂效应作用的结果是提高了硬化混凝土的变形能力，使混凝土基材在破坏后仍保持一定的延性(假延性),因此,钢纤维的阻裂能力和纤维弹性模量、界面粘结强度和自身的抗拉强度有关。而聚丙烯纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，简单的理解可认为，是通过聚丙烯纤维提高了早期混凝土的抗拉强度实现的，进一步分析结果是，聚丙烯纤维钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力场更加连续和均匀所至。由于早期混凝土自身的抗拉强度很低，因此，聚丙烯纤维的阻裂能力和纤维的抗拉强度、弹性模量等指标并不明显相关，而随纤维细度的增大、混凝土中纤维间距的减小而增强。
    通过以上分析可见，聚丙烯纤维和钢纤维的阻裂效应不可相互替代，因分别改善了不同时期混凝土的性能。对于路面桥面混凝土，钢纤维在混凝土裂后方能发挥的阻裂效应并无实际的意义，而混凝土在早期易发生塑性开裂的性能缺陷，却可通过掺入聚丙烯纤维加以解决或改善。
   3、聚丙烯纤维对混凝土强度的影响
    聚丙烯纤维的弹性模量低(约为混凝土的1/ 10) 、具有一定的增稠作用和弱界面效应，都是对混凝土强度不利的因素，但由于聚丙烯纤维在混凝土中常用的体积掺量很低，以上不利因素对混凝土强度的影响并不显著。许多试件的测试结果也表明，掺入聚丙烯纤维对混凝土的强度无显著影响或使混凝土的强度稍有降低。一些习惯于以试件的抗压或抗折强度判定材料性能水平的工程技术人员由此得出的结论是：聚丙烯纤维虽能阻止早期混凝土发生塑性开裂，但对硬化混凝土无增强作用。
    以上认识是广泛存在的,其片面性在于：①小试件强度并不能代表实际结构物中混凝土的强度，当混凝土中掺入聚丙烯纤维后这种倾向性可能更加显著，因为小试件测试结果不能展示聚丙烯纤维阻裂效应带来的好处。②路面桥面混凝土主要承受车辆反复冲击造成的疲劳作用，因此，抗动荷载能力的强弱更接近真实的材料使用性能水平，而小试件抗压或抗折强度则是在试验机加载速率下测得的准静载强度。有关试验结果表明〔2〕虽然掺入聚丙烯纤维对混凝土的准静载强度无显著影响，却能使混凝土的抗冲击能力和抗疲劳能力显著提高。
    纤维对混凝土强度的影响程度和纤维在混凝土中的体积率有关，由于价格和工艺等原因，常用的纤维掺量一般较低(体积率一般不大于2%) ，且纤维处于三维乱向分布的状态，增强的效率很低，因此,正常情况下纤维均不能使混凝土裂前的抗拉强度有明显提高。混凝土基体裂后，可通过纤维继续承担荷载。当钢纤维掺量达到一定水平时,纤维能在混凝土裂后承担超过混凝土裂前的荷载水平，表现为提高了混凝土的极限抗拉强度。而在进行抗折强度测试时，由于混凝土在裂后通过纤维保持了一定的抗拉能力，使受试小梁的中性轴得以提高，混凝土的抗折强度由此得以较大幅度的增长。通常测试的结果是，钢纤维对混凝土抗折强度的提高幅度高于抗拉强度。聚丙烯纤维常用的体积掺量比钢纤维要低得多(9kg/ m3 的掺量相当于体积率011%) ，这样的掺量对混凝土裂前、裂后的强度和破坏形态几乎无影响,且由于聚丙烯纤维自身的弹性模量较低,即使通过提高纤维掺量使混凝土裂后保持一定的抗拉强度，但过大的变形也使其实用的意义很小，因此,通常不采用高掺量聚丙烯纤维来提高混凝土抗拉(抗折) 强度的作法。由于路面桥面混凝土的刚度要求，事实上无论何种纤维对混凝土裂后强度的提高