合成纤维混凝土

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第二节 合成纤维混凝土

● 混凝土的合成纤维的品种

● 合成纤维混凝土的塑性阻裂机理

● 合成纤维混凝土早期抗裂性的评价体系 ● 土木工程对合成纤维的基本要求

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一.合成纤维的品种

表

1 混凝土常用合成纤维的性能

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1.聚丙烯纤维（丙纶PP ）

聚丙烯纤维由于生产原料比较丰富，生产过程比较简单，生产成本相对于其他品种纤维较低，所以受到国内外建筑业界的重视和使用。但其不具有“高强高模”的特性，从土木工程的角度来看，它不属于“高弹模纤维”，因为构成聚丙烯纤维的大分子链比较柔，玻璃化温度只有－18℃。 幻灯片4

它的主要用途是用作装饰材料和产业应用，如用于制作地毯、人造草坪、包扎用绳子以及一次性使用的“用即弃”产品等。

近几年有一定数量聚丙烯纤维用于土木工程领域，以提高混凝土及砂浆的早期抗裂性能和韧性。

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2.聚丙烯腈纤维（腈纶PAN

）

腈纶纤维的工业产品在1950

年问世，—开始该产品在服用领域有“人造羊毛”的美誉，该纤维的强度不很高(250

～400MPa)，模量较低(3～8GPa)

，极限伸长为12％～20％，吸湿率为2.0％，比重为1.17g/cm3，除了抗腐蚀性能优越外，还具有优异的抗紫外线能力。

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近几年一些国家成功地将改性腈纶纤维应用于混凝土工程，提高混凝土和砂浆的早期抗裂性能。改性腈纶纤维也是提高沥青混凝土路面的高温稳定性、低温抗裂性、弯曲疲劳性能的新型材料。另外，腈纶纤维对提高沥青混凝土路面的抗车辙性也具有独特的作用。

幻灯片7 3.碳纤维

它是取人造加工的有机纤维，如聚丙烯腈纤维、黏胶纤维、沥青基纤维等为原丝，通过在高温下的预氧化、碳化以及石墨化等加工工序而制得的。常用的高强高模碳纤维的性能为：强度为1750～2900MPa ，模量为275～500GPa ，极限伸长为0.1％～0.2％，吸湿率为0％，比重为1.7～2.0g/cm3。

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二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理 目前，在结构工程中存在的一个相当普遍且严重的问题是结构物的开裂，并且近几年日趋严重和增多，严重影响到混凝土的耐久性，困扰着广大技术人员，已经成为必须解决的技术难题。 幻灯片9

● 混凝土开裂的原因，有以下几方面：

● 结构设计及施工要求的变化。大跨度桥梁等大跨结构、高层及超高层结构的不断增多；

混凝土等级的不断提高，混凝土中水泥用量的增多；水泥强度等级的提高，

施工期的缩短。

● 片面提高水泥的早期强度，导致水泥水化热急剧升高，对混凝土的抗裂产生不良影响。

● 外加剂与水泥的不相容性增多。

混凝土施工所处的环境恶化，高强混凝土的发展，钢筋更密，对混凝土的约束力更大。混凝土振捣更加困难，混凝土的均匀性、整体性更差。 幻灯片10

从混凝土产生裂缝的机理看，产生裂缝的原因主要有两类：一类是静、动荷载引起的裂缝，另一类是变形引起的裂缝。

当混凝土中的应力超过其抗拉强度时，混凝土可能产生裂缝。

变形裂缝包括由于温度应力、收缩、不均匀沉降等引起的变形裂缝。变形裂缝与时间有关，当变形累计到一定量时，混凝土开裂。即当混凝土的应变超过其极限应变时，混凝土发生开裂。产生变形裂缝的主要原因是混凝土体积变形引起的，约占全部裂缝的80%。 幻灯片11

混凝土中的收缩变形主要发生在浇注后1～24h ，通常说的塑性变形裂缝。早期混凝土体积变化最剧烈，弹性模量由零迅速增加到几十GPa ，水化热大多数集中在早期释放，混凝土的抗拉强度及极限拉应变相对较低，混凝土在约束状态下较易发生裂续。 幻灯片12

塑性龟裂是由于混凝土中水分的散失，如路面、桥面面积大，在风吹和太阳照射下结构表面的水分迅速散失，产生明显的收缩变形，在混凝土中产生众多乱向分布的裂缝。一般在浇注后的24h 以内发生塑性裂缝。这是由于混凝土中空隙率较低，其传热速率远高于传湿速率。 幻灯片13

二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理

但在混凝土表面，温度、湿度随着环境的变化而发生剧烈的变化，混凝土容易产生表面开裂，特别在刚拆除模具的时期或受到大风、寒潮和强日照辐射等恶劣环境的影响，混凝土很容易开裂。混凝土早期表面水分的迁移，容易造成干燥收缩裂缝。混凝土结构失效风险率最高的阶段集中在混凝土的施工期和老化期。尤其是施工期的混凝土，其受损伤的程度直接影响混凝土的耐久性。因此研究如何阻止混凝土的早期开裂意义重大。

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二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理

图1 混凝土桥梁塑性裂缝

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二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理

此桥梁浇注当天的最高气温为32.2℃，平均气温为28.8℃，为当月的最高值；相对湿度

为59%，平均相对湿度为68%，仅次于该月的最低值；最高风速为9.9m/s，接近当月的最高值11m/s，日平均风速为5.8m/s，属于当月最高值。在浇注后的第2天早晨发现混凝土全面开裂，裂缝宽度大于1mm，深度可以看见钢筋。此例说明混凝土塑性裂缝与浇注日的气温、风速及空气的相对湿度密切相关。随着混凝土中水分的快速蒸发引起干燥收缩．加上早期混凝土的强度低、当混凝土中的拉应力超过混凝土的抗裂强度时，混凝土形成微裂缝，这些裂缝大量存在于粗骨料与水泥石的界面及水泥石中，并且在各种作用下不断发展，造成混凝土出现宏观裂缝，严重影响结构的使用寿命及安全性。

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尽管人们采取各种方法，但由于混凝土塑性收缩引起的裂缝仍然到处可见，特别是大的基础板、新修或维修的混凝土路面及隧道喷射混凝土等。

混凝土的早期开裂是混凝土裂缝产生与发展的非常关键的时期，而且早期裂缝对混凝土耐久性影响深远，一旦混凝土发生早期开裂，随后钢筋的锈蚀难以避免。这些可见或看不见的早期裂缝严重影响混凝土耐久性和结构的可靠性。为了提高混凝土耐久性，必须应用高抗裂的高性能混凝土。

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●膨胀剂

●钢丝网

●合成纤维

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●纤维混凝土的耐久性能的提高与纤维改善了混凝土的自身品质密切相关。合成纤维

的主要作用有：

●减少混凝土的原始缺陷，降低各种缺陷的尺度。

●使混凝土中粗集料分布更加均匀，提高混凝土内在品质，改善混凝土抗渗透性等。

●纤维明显降低了混凝土表面水分的蒸发速率。

●纤维降低了混凝土内外部湿度、温度的差值。

●提高了混凝土的早期抗裂性能。

提高了混凝土的变形能力，增加混凝土的韧性和抗冲击、抗疲劳性能。

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低掺量低弹性模量合成纤维的主要作用是减少混凝土的收缩变形量，提高混凝土的早期抗裂性，增强混凝土抵抗温度应力的能力。另外由于结构内外层存在温差，导致混凝土产生温度应力，一定数量纤维的掺入提高了混凝土抵抗温差变形的能力。

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●减少泌水，提高混凝土的工作性。合成纤维混凝土的工作性良好，纤维掺入后显著降低

了混凝土的泌水性，一般纤维混凝土构件的表面不会有明显的泌水现象。

●由于众多乱向分布的纤维，在混凝土中形成三维支撑体系，阻止骨料的下沉，提高混凝

土的均质性等内在品质。减少水分散失防止早期塑性开裂。

●减少混凝土体积收缩变形量。

●减少原始微缺陷，改善混凝土的抗裂性能。

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●纤维使混凝土早期弹性模量降低，因此降低混凝土中拉应力；混凝土的变形能力增强，

减少早期塑性开裂的概率。

●阻止微裂缝的萌生。

●减少混凝土表面与内部应力梯度，应力松弛增大，残余拉应力减小。

● 阻止混凝土裂缝的扩展，提高混凝土极限拉伸应变和断裂能。

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目前各国学者研究混凝土早期抗裂性的试验方法不完全相同，还没有大家完全认同的标准试验方法。各类方法均是定性试验，通过实验比较掺与不掺纤维对混凝土、

砂浆早期抗裂性能的影响，分析不同种类、不同几何特征纤维的阻裂效应，确定纤维合理掺量。 幻灯片23

● 一般试验研究包括：实验室标准条件、实验室模拟试验和实际工况下的小规模试验。

即：

● 模拟纤维混凝土所处环境，评价其抗裂性。

●

在不偏离实际情况很多的情况下，在标准实验室进行试验。

● 采用比纤维混凝土所处实际环境更加严酷的环境，进行加速试验。 严格模拟实际工况，测定纤维混凝土的抗裂性。 幻灯片24

最后的第4条试验条件是比较理想的情况。希望通过严格模拟实际工况的试验获得纤维混凝土的抗裂性能和相关指标，为纤维混凝土设计和施工服务。但纤维混凝土所处的实际环境各不相同，这样如何为实验室定义一个标准实验环境成为重要的难题。 研究表明，试验环境、试件形状及大小不同，对试验结果均有影响。 幻灯片25

考察早期受约束纤维混凝土的抗裂性，不仅要考虑收缩量的增加，还要考虑应力的发展。对于应力来说，弹性模量的增加、应力松弛的发展及纤维混凝土抗拉强度的提高也十分重要。实际工程中纤维混凝土均处于受约束状态，因此研究受约束状态下纤维混凝土的抗裂性具有实际意义。 幻灯片26

● 约束抗裂试验与开裂时间密切相关。目前有三种试验方法测定纤维混凝土的抗裂性

——平板式、单轴型及环型。

● 平板型约束试验——试件为平板，试件受到底部或两端的约束作用。 ● 单轴型——试件为棱柱体，约束力由两端提供。

环型约束试验——试件为圆环状。约束力通过与混凝土环相邻的钢环提供。 幻灯片27

● 1、平板式约束收缩试验 ● 加拿大叠合板约束法

● ICBO 大板比较法 ●

美国ACI －544大板法 德国角方法 幻灯片

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2、单轴约束收缩试验方法 20世纪60年代，德国慕尼黑技术大学Springenschmid 等根据道路及水利工程的需要，开发了混凝土开裂试验架，可以实现测定温度应力。 幻灯片29

3、环形约束收缩试验方法

这种试验方法已经用了约60年，混凝土浇注在钢环的周围，混凝土产生的收缩受到金属环的约束。圆环试件的形状不会存在应力集中，它允许试件产生体积变化和应力发展，包括徐变和松弛。

砂浆圆环尺寸：外直径为66.7mm ，内直径为41.3mm ，高度为25.4mm 。 幻灯片30

1、纤维物化性能及几何特性

纤维物化性能与纤维在混凝土中的抗腐蚀等耐久性密切相关。混凝土中使用的纤维必须有高抗碱、抗酸、抗生物侵蚀等性能。纤维的抗腐蚀耐久性取决于纤维原料的纯度。l00%

纯的聚丙烯、聚丙烯腈高分子材料的抗腐蚀性能良好。但是，用再生材料生产的纤维的抗腐蚀性差，不能用于混凝土结构中。混凝土中所用纤维必须用l00%纯的聚丙烯、聚丙烯腈等合成材料进行生产。

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纤维的表面

纤维的表面几何特征对纤维与混凝土基体的界面粘结性影响很大。光面的纤维与混凝土基体粘结性较差。但是，各种变形纤维与混凝土之间的粘结性能提高。

为了提高纤维与混凝土的粘结性能，开发和采用比表面积大的纤维，有助于提高纤维混凝土的抗裂性能。

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亲水性：纤维表面与水泥是否能够充分粘结，还要看纤维是否有一定的亲水性。当纤维表面为憎水性时，纤维表面包裹的水泥浆体较少，纤维受力后容易在混凝土中发生滑移。

强度：合成纤维应该有合适的强度，强度过低，纤维在混凝土中不能充分发挥阻裂作用。应杜绝强度很低、再生材料制成的纤维进入土木工程领域。

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弹性模量：将较高弹性模量的合成纤维用于混凝土中，可以提高混凝土的抗裂性，对增加混凝土的韧性也有意义。掺一定量的具有较高弹性模量的合成纤维可以提高混凝土的抗拉强度和韧性。

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2、纤维分散性的检测方法

分散性：

合成纤维混凝土的所有力学性能都与纤维在混凝土中的分散性密切相关。如果纤维不能均匀分散在混凝土中，混凝土的最终强度下降许多，纤维在混凝土中不能真正起到抗裂性的作用，相反，混凝土的抗裂性、抗渗透性、抗冻性、抗冲击性降低。因此合成纤维一个重要问题是分散性问题。必须通过各种有效方法确保纤维能够均匀地分散在混凝土中。

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用边长150mm 或100mm

的立方体模具随机抽查纤维混凝土，先用插捣方法使纤维混凝土密实，倒于体积约是纤维混凝土10倍的盛有清水的容器中，纤维水洗干净并烘干水分后称重量。

重复上述过程，进行三次抽检，取纤维重量的平均值，同纤维含量的理论计算值比较，若与理论值的相对误差不超过10%～15%，视分散性为合格。 幻灯片36

若水洗法未达合格标准，则需检查添加方式或添加量是否满足要求，直到纤维分散性合格为准，方可继续进行施工。每个工作班至少抽检两次纤维分散性。

为确实掌握纤维的分散性及添加数量是否满足设计要求，施工方会同设计单位或业主，随时进行分散性试验，记录测试结果，必要时纤维供应商予以配合。

该方法在实验室可以检测纤维的分散性能，评定纤维分散性的优和劣，将易于分散的纤维推荐给土木工程使用。 幻灯片37

3 合成纤维在设计与施工中应该注意的问题 （1）纤维的主要效用

较低掺量的合成纤维在混凝土和砂浆中的主要效用是： 1)砂浆增强材料，防止砂浆龟裂。 2)地下混凝土结构，防裂、抗渗。

3)解决大体积混凝土温度裂缝、抵抗温度应力。 4)提高混凝土路面、桥面的抗裂、抗疲劳性能

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5)提高混凝土抗爆破、抗冲击性能。 6)提高混凝土的抗冻性能。 7)提高混凝土的抗冲刷性能。

8)提高混凝土品质，用于严酷环境，提高混凝土结构耐久性等。 幻灯片39

虽然上面列举了合成纤维的众多用途，但是，合成纤维不是万能的。其实当掺量较低时，弹性模量不高的合成纤维不能提高混凝土的弯拉强度，对于韧性的改善也十分有限，不能用低掺量合成纤维代替钢纤维或钢筋作次加强筋。

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（2）施工中应注意问题

合成纤维的最大问题是必须确保纤维的均匀分散性。如果纤维的分散性得不到保障，那么纤维在混凝土中就有负面的效用。这也是区分纤维性能优、劣的重要方面。

纤维的分散性包含一定的技术性，要求按照一定的程序和方法方可使纤维均匀分散在混凝土中。 幻灯片41

如果混合料是由微粒组成，纤维更容易分散在混合料中，如果混合料是由粗、细颗粒材料组成，最好先与细粒集料掺和，然后再加入粗集料。在湿混合料中分散纤维比在于混合料中更容易。

如果设计纤维混凝土桥梁面板和大梁，用单丝状的聚丙烯腈纤维或网状的聚丙烯。网状的聚丙烯分散性好，掺量可以较高。如果纤维用于解决混凝土的温度裂缝等，纤维掺量应该比用作解决塑性开裂问题时适当增加。 幻灯片42

（3）合成纤维混凝土的施工方法

将纤维、砂、石子与水先搅拌均匀，再加水泥等材料搅拌，搅拌时间比未掺纤维可延长50～60s 。

施工人员不能用加水的方法来恢复失去的坍落度，加水并不能改善和易性，反而会降低强度和增加塑性收缩和干燥收缩值。当坍落度损失较明显时，用掺外加剂的方法提高混凝土的工作性。施工过程中纤维混凝土坍落度只要能达到10～25mm 即可。 幻灯片43

影响纤维混凝土低温性能和抗冻性的主要因素有两个方面：一是温度、湿度、时间和冻

融循环次数等外因；二是纤维混凝土本身的特性，如强度、抗拉极限应变含气量、气泡性质、纤维类型和掺量等内因。 幻灯片44

● 普通混凝土由于含气量较小，相对而言，孔隙内部的饱水程度较高，

因而受温度影响也

较大。

● 普通混凝土在低温干燥的环境中的强度增长趋势明显慢于其他混凝土，并且在

28d 龄期

前出现了冻坏现象。

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● 在混凝土中加入引气剂，使混凝土内部产生无数微小且不连通的气泡，提高了混凝土

的含气量，降低了孔隙中的饱水程度，不仅有利于混凝土在低温环境下的强度持续增长，而且这些气泡在硬化后的混凝土中可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，从而提高了混凝土的抗冻融能力。

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由同济大学与深圳海川科技公司共同进行的纤维混凝土抗冻试验证明，对于C50混凝土，在不含引气剂的条件下，其抗冻标号仅为F150；掺入引气剂的混凝土的抗冻标号达到F400。当聚丙烯腈纤维体积掺量为0.2%时，混凝土抗冻融性能的提高幅度更加显著：掺入长度为6mm 纤维的混凝土的抗冻标号达到了F500，掺入长度为4mm 纤维的混凝土的抗冻标号超过了F600，且这两种纤维混凝土耐久性系数分别为0.91和1.00。 幻灯片47

● 掺入聚丙烯腈等合成纤维对混凝土低温和抗冻融性能的作用机理不同于引气剂。 ● 首先，纤维混凝土含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力。 ● 其次，数千万根微细纤维改善了混凝土内在品质，减少了内部缺陷数量，降低了原生

裂隙尺度，提高了混凝土的抗拉极限应变和断裂能等抗拉性能。

最后，由于聚丙烯腈纤维直径小，单位重量的纤维数量庞大(每克约876000根)，纤维间距小，增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗，有效地抑制了混凝土的冻胀开裂，有益于混凝土低温环境下的强度增长和抗冻融耐久性的提高。