聚丙烯纤维混凝土性能研究及其在隧道工程中的应用

西南交通大学研究生硕士学位论文聚丙烯纤维混凝土性能研究及其在隧道工程中的应用年级二〇〇二级姓名李华明申请学位级别工学硕士专业桥梁与隧道工程指导教师潘绍伟副教授二〇〇五年三月 ClassifiedIndex:TU528.41U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisSTUDYONTHEPROPERTIESOFPOLYPROPYLENEFIBERCONCRETEANDITSAPPLICATIONINTUNNELENGINEERINGGrade:2002Author:liHuamingAcademicDegreeAppliedfor:EngineeringMasterSpecialty:Bridge&TunnelEngineeringSupervisor:AssociateProf.PanShaoweiMar2005 西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要近年来，混凝土的裂缝问题在工程实践中越来越突出，尤其是在隧道工程中更是如此，对结构的安全性、耐久性提出了考验。隧道混凝土衬砌开裂是发生几率较多的隧道病害之一，如何从根本上解决该问题是广大隧道工程技术人员非常关心的项目。采用聚丙烯纤维混凝土作为隧道混凝土衬砌来解决混凝土开裂的问题是近年来广泛研究和应用的一种新的途径。其原理主要在于，混凝土中水泥作为胶凝材料来握裹纤维，这些纤维起到微细配筋作用，消耗混凝土变形开裂能量、提高韧性、撑托骨料和减少混凝土离析泌水，从而控制水泥基体内部微细裂缝的生成和扩展，提高混凝土的抗裂性能。本文介绍了纤维混凝土增强机理的两种理论，即复合材料理论和纤维间距理论，推导出了复合材料的抗拉初裂强度公式和极限强度公式。同时，通过对纤维混凝土和普通混凝土在工作性能、抗压、抗拉、弹性模量、干缩、抗裂、耐久性、韧性及抗高温性能等方面的对比试验研究，对纤维混凝土的性能进行了综合分析，得出了纤维混凝土在物理力学性能上的优势。另外，本文还结合实际工程项目，进行了现场喷射纤维混凝土试验，也证明了纤维混凝土能有效提高喷射混凝土的强度稳定性，降低回弹率，明显改善施工条件，提高工程质量，延长结构使用寿命。关键词：聚丙烯纤维混凝土；力学性能；弯曲韧性；混凝土抗裂；隧道工程 西南交通大学硕士研究生学位论文第II页ABSTRACTInrecentyears,thecrackproblemoftheconcreteismoreandmoreoutstandinginengineeringpracticeandalsosuchinthetunnelengineeringparticularly,itputsforwardthetesttothesafetyanddurabilityofthestructure.Thetunnelconcreteliningcrackingisoneofseveraltunneldiseasestotakeplacewithmorerate,howtoresolvethatproblembytherootisthespecialregardfulitemforthelargenumberoftechnicalpersonnelofthetunnelengineering.Thatadoptingthepolypropylenefiberconcretetobethetunnelconcreteliningandresolvingtheproblemoftheconcreteappearingcrackisakindofnewextensivelystudiesandapplicationspathinrecentyears.Itsprinciplemainlyliesin:thecementintheconcreteisthegelatinizationmaterialtobonetothefibers,Thesefibersaresimilartoverysmalldistributedreinforcingsteelbarinfunction,consumingtheenergyoftheconcretecracking,raisingtheconcretetoughness,bracketingaggregatesandreducingtheconcretesegregationandbleeding,thustheycontrolthegenerationandexpansionoftheinternalmicroscopicchecksofthecement,andraisetheconcretecrackresitance.Thisthesisintroducestwokindsofthefiber-reinforcedconcretemechanism,namelythecompositematerialtheoriesandthefiber-spacingintervaltheories,anddeducestheformulaofthefirst-crackstrengthofextensionandtheultimatestrengthofextensionofthecompositematerical.Atthesametime,throughthesecheckexperimentsbetweenthefiberconcreteandthecommonconcrete,suchasworkingperformance,compressionstrength,strengthofextension,elasticradio,dryshrink-age,crackresistance,durability,toughnessandhightemperateendurance,thepaperanalyzessyntheticallytheperformanceofthefiberconcrete,andgetstheknowledgesofthepredominanceofthefiberconcreteonthephysicalandmechanicalproperties.Moreover,accordingtotheactualengineeringitem,westillmaketheexperimentsofthesprayedfiberconcreteonthespot,alsoprovethatthefiberconcretecanraisethestrengthstabilityofsprayedconcrete,reduceitsreboundelasticity,improveobviouslytheconstructionconditions,raisetheconstructionquantity,prolongtheservicelifeofstructure. 西南交通大学硕士研究生学位论文第III页Keywords:Polypropylenefiberconcrete;Mechanicalproperty;Flexuraltoughness;Concretecrackresistance;Tunnelengineering 西南交通大学硕士研究生学位论文第IV页目录第1章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.1课题研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11.2聚丙烯纤维混凝土在国内外应用与研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31.2.1聚丙烯纤维混凝土的发展简史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31.2.2聚丙烯纤维混凝土在工程中应用情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41.2.3聚丙烯纤维混凝土的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61.3本文的技术路线和研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯101.3.1技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯101.3.2研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10第2章纤维混凝土增强机理的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112.1复合材料混合定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112.1.1单向连续长纤维混凝土混合定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯122.1.2不连续短纤维混凝土混合定律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132.1.3纤维极限抗拉强度和临界体积率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯182.2纤维间距理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯202.3纤维混凝土微观结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22第3章纤维混凝土配合比设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.1原材料的要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.1.1水泥⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.1.2集料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243.1.3聚丙烯纤维⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯283.2配合比设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯29第4章纤维混凝土工作性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334.1流动性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯334.2保水性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34第5章纤维混凝土抗压、抗拉性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯365.1纤维混凝土立方体抗压强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯365.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯365.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯375.2纤维混凝土劈拉强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯395.2.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39 西南交通大学硕士研究生学位论文第V页5.2.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯405.3纤维混凝土抗折强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯415.3.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯415.2.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯42第6章纤维混凝土的弹性模量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯446.1纤维混凝土弹性模量试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯446.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯446.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45第7章纤维混凝土的干缩及抗裂性能试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯487.1纤维混凝土干缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯487.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯487.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯497.2纤维混凝土抗裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯507.2.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯507.2.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯52第8章纤维混凝土的耐久性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯548.1纤维混凝土抗渗试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯548.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯548.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯558.2纤维混凝土抗冻试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯568.2.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯568.2.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯588.3纤维混凝土抗腐蚀试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯598.3.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯598.3.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61第9章纤维混凝土的韧性试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯629.1纤维混凝土弯曲韧性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯629.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯629.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64第10章纤维混凝土的抗高温性能试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6610.1纤维混凝土抗高温性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6610.1.1试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6610.1.2试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66 西南交通大学硕士研究生学位论文第VI页第11章纤维混凝土在隧道工程中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6911.1喷射纤维混凝土的施工工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6911.1.1机械设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6911.1.2施工安排⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6911.1.3喷射工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7011.2喷射纤维混凝土现场试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7111.2.1原材料及配合比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7111.2.2回弹试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7211.2.3强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯73结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯75致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯78附录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯85 西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1.1课题研究的背景19世纪20年代出现波特兰水泥后，混凝土作为一种新型建筑材料，以其骨料可以就地取材，构件易于成型，具有水硬性等突出特点，日益广泛应用于土建工程。尤其是19世纪中叶以后，钢铁生产发展，随之出现了钢筋混凝土这种新的复合建筑材料，其中钢筋承受拉力、混凝土承受压力，发挥各自的优势，初步克服了混凝土抗拉强度低、用途受限制的弱点。20世纪30年代开始出现预应力混凝土，其结构抗裂性能、刚度和承载能力，大大超过了钢筋混凝土结构，从而显著扩大了混凝土的应用范围，扩展了许多新的应用领域，使土木工程进入了钢筋混凝土和预应力混凝上占统治地位的历史时期。混凝土给建筑物带来新的经济而美观的工程结构形式，促使土木工程产生了新的结构设计计算理论和新的施工工艺技术，在土木建筑工程技术发展史上完成了一次新的飞跃。尽管钢筋混凝土和预应力混凝土取得了长足的进步，但是混凝土作为最大宗的建筑材料也存在其固有弱点。工程中常用的混凝土都存在不同程度的缺陷，从而限制了它的应用范围和效果。主要表现在以下几个方面：1.混凝土抗变形能力差混凝土是水泥基复合材料，本质上属脆性材料，普通混凝土的抗拉强度只是抗压强度的1/10～1/l4，这使得混凝土抗变形能力差，易于开裂。由于裂缝的存在，周围介质(诸如空气、海水、污水等)中的有害物质渗透到混凝土内部，使混凝土碱性降低，破坏了钢筋表面的氧化膜而直接与钢筋发生化学反应，使钢筋逐渐锈蚀。同时钢筋锈蚀又引起周围混凝土膨胀开裂，宏观裂缝显著发展，有害物质更易侵入，如此形成恶性循环。裂缝的存在是降低混凝土耐久性的一个重要原因，而对于高强混凝土其脆性问题尤为突出。2.混凝土耐磨性差混凝土硬化过程中表面形成一层水泥浆体面层，其硬度较低。当面层受到反复磨擦、冲击时很容易破坏脱落，影响混凝土的表面质量和耐久性，从而引起结构不断破坏。通常表现为:机械磨损破坏(如路面和厂房地坪的混凝土被反复磨擦、研磨和冲击而剥落，影响车辆行驶)、冲刷磨损破坏和气蚀(空蚀)破坏(多出现在水工结构中)。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2页3.混凝土抗渗性差混凝土的拌和水除供给水泥水化，还增加了混凝土的流动性，但水泥完全水化理论上所需的水不超过水泥重量的23%，其余的水在硬化混凝土中形成孔隙，包括毛细孔和胶孔。而毛细孔是水迁移的通道，迁移水可能溶解某些水泥水化物从而破坏混凝土的内部结构，在温度为O℃以下时还能在孔中冻结，引起混凝土的冻融破坏，因此混凝土中迁移水是混凝土破坏因素的载体。可以说渗透性是除机械磨损外混凝土各种破坏的根源。提高混凝土的抗渗性可大大提高混凝土的耐久性。5.混凝土抗高温性能差混凝土在遭受火灾的情况下，其力学性能总体上呈现随温度升高逐渐劣化的趋势，主要表现为强度逐渐降低，峰值应变加大，耐久性损失严重。尤为值得注意的是，火灾工程中常常出现爆裂现象，使混凝土构件瞬间裂成大小不一的碎片而四处飞散，减小了混凝土截面尺寸，致使内部混凝土和钢筋直接暴露[1]于明火中，加剧了混凝土构件的破坏。近年来，在工程实践中，混凝土裂缝问题己成为普遍但难以解决的问题，地下室、楼(屋)面板开裂问题普遍存在，尤其是在隧道渗漏问题已经严重影响到结构的安全性和耐久性，成为社会关注的焦点。混凝土裂缝问题目前的解决方法主要有调整配合比、增加配筋、加强施工养护等手段，但效果不尽理想。长期以来许多专家学者也在不断探索改善混凝土性能(主要是提高抗拉性能，增强韧性和延性)的各种方法和途径。纤维混凝土就是近年来研究和应用最广泛的途径之一。纤维混凝土是以水泥浆、砂浆或混凝土为基材，在混凝土中加入非连续短纤维或连续长纤维作为增强材料的水泥基复合材料的总称，目前处于研究和发展阶段的有钢纤维混凝土、碳纤维混凝土与一些高弹性合成纤维混凝土。本文主要讨论改性聚丙烯纤维混凝土，它由改性聚丙烯为主要原料，加以添加剂和改性工艺制成的高强度特种纤维，作为一种新型的高分子建筑材料，具有强度高、密度小、不吸水、耐酸碱的特点。纤维加入水泥基体中，主要有以下三种作用:1.提高基体的抗拉强度混凝土的破坏实际上是原始裂缝的发生、扩展以致连通的过程，其内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素，欲提高强度，必须尽可能地降低内部裂缝端部的应力集中程度，限制缺陷的扩展。纤维混凝土中均匀而任意分布的短纤维在混凝土硬化过程中改变了混凝土的内部结构，减少了混凝土内部的缺陷，提高了 西南交通大学硕士研究生学位论文第3页混凝土材料的连续性。在混凝土受力过程中纤维与混凝土共同受力变形，纤维的牵连作用使混凝土裂而不断并能进一步承受载荷。这些都有助于提高纤维混凝土的抗拉强度。2.阻止基体中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，纤维的加入犹如在混凝土中掺入巨大数量的微细筋，起到支撑集料的作用，从而阻止粗、细骨料的沉降产生的离析。微裂缝在发展过程中必然遇到纤维的阻挡，消耗了能量，从而阻断裂缝扩展起到抗裂的作用，增强了混凝土的耐久性。3.提高基体的变形能力并从而改善其韧性及抗冲击性混凝土凝固后被水泥握裹的高强纤维丝粘联成为致密的乱向分布的网状增强系统，增强了混凝土的韧性。纤维与水泥基料紧密结合在一起，极大的保持了混凝土的整体强度。混凝土受到冲击时纤维吸收了大量的能量，从而有效的减少了集中应力的作用。纤维对水泥裂缝有搭接作用，对分离的水泥块有牵连作用，当纤维从水泥基体剥落时要消耗能量，这些影响都有助于提高混凝土的耐磨性。4.改善混凝土的抗高温爆裂性能混凝土中添加纤维，在高温的作用下熔点较低的纤维会从混凝土中挥发逸出，并在混凝土内部留下所占的孔道，使混凝土内部毛细管数量增加，留下的孔洞为混凝土内部水蒸气的逸出提供了通道，降低了混凝土内部的蒸汽压力，[1]从而有效地防止爆裂的发生。1.2聚丙烯纤维混凝土在国内外应用与研究的现状1.2.1聚丙烯纤维混凝土的发展简史聚丙烯纤维混凝土的使用可以追溯到1965年，最初用在美国的军事工程中，以增强混凝土的坚固性；英国则于1970年开始使用聚丙烯纤维混凝土，用在基桩桩帽上，以防止打桩时桩帽破坏。20世纪60年代中期Goidfein研究用合成纤维作为水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维[2]有助于提高水泥砂浆的抗冲击性能。Zollo等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1%～0.3%的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少12%～[3]25%。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页20世纪70年代初，美、英等国已开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制品与工程中，所用纤维直径与钢纤维相近(0.22～O.25mm)，纤维体积率为0.5%左右。70年代中期，美国开发成功聚丙烯膜裂纤维(fibrillatedPolypropylenefiber),是一种直径为2mm以上的束状纤维，在与混凝土拌合过程中可分裂成为若干细纤维束，且束内纤维展开成为相互牵连的网络，其中单丝直径为48～62μm，使用此种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可以使纤维体积率减少至0.1%～0.2%。80年代初，美国若干公司通过表面处理技术开发成功可均匀分散于混凝土中的直径为23～62μm聚丙烯、尼龙等单丝纤维，[4]在纤维体积率为0.05%～0.2%时即有明显的抗裂和增韧效果。近十几年来，美国与加拿大已在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维(聚丙烯单丝、聚丙烯膜裂纤维与尼龙纤维等)的预拌混凝土。目前美国所用混凝土总量中合成纤维[5]混凝土约占7%，而钢纤维混凝土只占3%左右。在美国，纤维混凝土还被大量使用于地下防水工程、工业与民用建筑的屋面、墙体、地面、水池、道路以及桥梁隧道工程中。以杜拉纤维为例，从这种产品诞生至今只有20多年，却在美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、墨西哥以及东南亚等地区的混凝土工程中得到了相当广泛的应用，其销量的稳定增[14]长充分说明了高科技建筑材料无法低估的商业价值。纤维混凝土在中国大规模应用是从玻璃纤维和钢纤维混凝土起步的。20世纪70年代纤维混凝土技术传入中国。中国土木建筑工程学会纤维水泥与纤维混凝土委员会于1986年在大连召开了第一届全国纤维混凝土学术会议。此后，又分别在哈尔滨(1988)、武汉(1990)、南京(1992)、南海(1994)、重庆(1996)、井冈山(1998)、济南(2000)、郑州(2002)召开了历届纤维水泥与纤维混凝土学术年会，1997年11月在广州召开了国际纤维混凝土学术会议。这说明中国工[7]程界对纤维混凝土早有关注。20世纪90年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝土的有机纤维[14]通过商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国应用的契机。1.2.2聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用情况聚丙烯纤维用于混凝土工程始于20世纪70年代后期，美国、加拿大最先采用，并迅速推广到澳大利亚、日本及东南亚若干国家和地区。我国于20世纪90年代初在广州至佛山的混凝土路面高速公路的部分地段试用了聚丙烯纤维，使用效果较好，20世纪90年代中后期便在大量土木和建筑工程中使用。据不 西南交通大学硕士研究生学位论文第5页完全统计，到2001年底，在中国境内采用聚丙烯纤维混凝土的工程实例己经数以万计，工程类型几乎覆盖了工业及民用建筑工程当中所有用到混凝土的场合。1.混凝土路面工程美国将聚丙烯纤维大量应用于道路建设及改造、维护中，采用聚丙烯纤维混凝土铺设的路面，在国外称为超薄白色路面，简称为UTW。这项技术的主要要点是将50～70mm厚的高强混凝土覆盖于压路机平整过的沥青旧路基上，工艺的关键在于加入大量聚丙烯纤维以增强路面的耐久性。1991年，美国肯塔基州路易斯维尔市最早采用UTW工艺修建了一段公路，解决了沥青路面无休止翻新[8]的问题。聚丙烯纤维应用于中国混凝土路面的工程己有很多。例如，我国广州市环城高速公路第一期工程采用普通混凝土路面，不久便出现严重龟裂。第二期工程加入了钢纤维，龟裂减轻但锈蚀严重，并对汽车车胎造成了较为严重的破坏。第三期在占全线总里程2/3路段加入了聚丙烯纤维，使用情况良好。另外，郑州市一新建的混凝土路面出现严重断裂，用聚丙烯纤维混凝土修复7天后通车。河南、四川等省也已将聚丙烯纤维成功地用于高等级公路收费站、隧道混凝土面层，以保证这些部位混凝土的最长使用年限。2.桥梁工程聚丙烯纤维用于桥面或桥面铺装层，可有效的控制和减少裂缝，提高桥面的防水性能。山东济青高速公路一桥面混凝土出现严重破碎，后开始试用聚丙烯纤维混凝土修复，10天后开放交通，使用效果良好。由交通部第二公路局承建的西安市环城大型立交桥，由于使用了聚丙烯纤维，解决了桥面混凝土易产生裂纹的难题。3.水工建筑物及构筑物水处理过程中的水槽、水池等构筑物及水利工程的混凝土水工构筑物、港湾构筑物，均对抗裂抗渗有较高要求，采用聚丙烯纤维能抑制混凝土的塑性收缩龟裂，又能提高抗渗性能。2000年12月，宁波白溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土浇筑面板坝获得成功，总共浇筑面板33块，混凝土浇筑方量将近[9]10000立方米。广东湛江港码头作业区混凝土面层厚度为200mm，铺面层中加入聚丙烯纤维，以提高抗冲击和耐磨能力。4.工业和民用建筑我国在20世纪90年代中期后就已经在大量民用与建筑工程中使用聚丙烯纤维混凝土。广州50层高的中心广场大厦，在平均厚度800mm的四层地下室的地板、侧墙、楼板等构筑物中大量采用C40聚丙烯纤维混凝土，以解决刚体本体 西南交通大学硕士研究生学位论文第6页的防水、抗裂，并且地下室完工后极少发现明显裂缝及渗漏，取得了良好的效[10]2果。广州文德广场7000m屋面板、西安市南大街地下商业街、重庆朝天门广22场17000m观景平台和深圳市民中心30000m大型地下室等工程中，聚丙烯纤维混凝土的使用都取得了成功。从目前发展的趋势来看，聚丙烯纤维在制备纤维混凝土方面具有一定的优势。从聚丙烯纤维混凝土在工程中的应用实践看，聚丙烯纤维主要是作为抗裂手段得以大面积推广应用在工业与建筑工程中。而聚丙烯纤维的作用不仅仅限于此，它对混凝土的韧性、耐久性、抗冲击等力学性能的改善作用也是很好的，聚丙烯纤维多用于路面、桥面结构中，其作用并不能局限于抑制混凝土塑性开裂，并可能用于抗震设计中。1.2.3聚丙烯纤维混凝土的研究现状20世纪60年代中期Goldfein研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。而Zoflo等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1%～0.3%的聚丙烯纤维时，[3]可使混凝土的塑性收缩减少12%～25%。随着纤维混凝土在中国的应用推广，建筑材料理论界也在国外学术界研究成果的基础上开始关注并研究相关的理论问题。例如:中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了低掺率合成纤维在混凝土中的作用机制，归纳总结了合成纤维作为混凝土增强材料的特点，明确指出低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用[5]和增韧作用。大连理工大学的戴建国、黄承逵、赵国藩研究了低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度问题，给出了可用于计算低弹性模量纤维混凝土构件抗弯承载能力的指标和计算方法，同时说明聚丙烯纤维在工程中不但可以用作非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且可以作为结构性补强材料用于增[12]强构件的抗弯承载力，改善结构延性。关于纤维混凝土的理论研究表明，纤维对混凝土综合性能改善的主要贡献可能不是增强而是抗裂增韧。阐明纤维对混凝土增强作用理论的学说目前主要有纤维间距理论和复合材料理论。纤维间距理论早期由Romualdi、Batson与Mandel提出的，这种理论根据线弹性力学来说明纤维对裂缝发生和发展的约束作用。纤维间距理论认为在混凝土内部存在固有缺陷，如要提高强度，必须尽可能减小缺陷程度，提高[2]韧性，降低混凝土体内裂缝端部的应力集中系数。复合材料理论则是将多种单一材料结合或混合之后所构成的材料整体看作 西南交通大学硕士研究生学位论文第7页一个多相系统，其性能乃是各个相的性能的加和值。混凝土从本质上说就是一种复合材料。我国混凝土技术的先驱工程院院士吴中伟教授在水泥基复合材料的科学研究方面提出了具有创建性的思想。早在1959年，吴中伟教授发表“中心质效应假说”，把水泥基复合材料的不同层次结合在一起。吴中伟教授认为，[13]中心质效应是可以叠加的。这种思想的内核，正是复合材料理论的精髓。复合材料之所以需要复合，首先是因为构成复合材料的那些基础材料分别具有不同的性能特点，同时它们在相互结合的时候没有或者基本上没有不良的后果。在纤维混凝土中，纤维材料与水泥基体之间可以形成不存在负效应的良好复合体。其中最重要的前提有两个：一是纤维材料具有严格稳定的化学性质，即使在水泥水化时产生的强烈碱性物质也不发生任何变化；第二是纤维具有良好的自分散性，能够在正常混凝土制备所要求的搅拌时间之内完成在混凝土整体内无所不在的均匀性分散过程。对于聚丙烯纤维混凝土的研究除了机理方面的研究外，也有很多人做了大量的实验来验证聚丙烯纤维对混凝土的增强、增韧性能。下面就是关于聚丙烯纤维混凝土在力学性能、抗裂性能以及收缩等方面的实验研究成果。1.聚丙烯纤维对混凝土的抗压、劈裂抗拉强度的影响广东工业大学的苏健波、李士恩在对美国、日本、韩国和我国七家实验室的数据的基础上，选择了80组力学实验数据进行尺寸换算以适应我国的《混凝土结构设计规范》。结果表明当聚丙烯纤维掺量小于0.1%时，聚丙烯纤维混凝土的立方体抗压强度和弯曲抗压强度没有明显提高，劈裂抗拉强度提高也不大当聚丙烯纤维掺量大于0.1%时，聚丙烯纤维混凝土的力学性能比普通混凝土还[14]要低。同济大学混凝土材料研究国家重点实验室作了不同弹性模量纤维对高强混凝土力学性能影响的实验，通过在水灰比都为0.3的混凝土中掺入体积掺量为0.4%钢、维纶、聚丙烯纤维，研究掺入不同纤维后混凝土的抗压、劈裂抗拉、断裂能三个力学性能指标的变化。实验结果表明：掺0.4%低弹性模量的聚丙烯[15]纤维使混凝土的28d抗压强度降低18.2%，但劈裂抗拉强度仅降低了5%。葛洲坝水利集团付华的研究结果表明：在水灰比都为0.4的条件下，掺33.0kg/m的聚丙烯纤维使混凝土的7d抗压强度增大、28d抗压强度降低，劈裂3抗拉强度有所提高；掺2.5kg/m的美国聚丙烯纤维网使混凝土的不同龄期抗压[16]强度均提高10～20%。上海市政研究院的孙家瑛、孙建祥做的硅灰聚丙烯纤维混凝土的实验结果表明：在水灰比相同的条件下，当硅灰掺量为10%时，掺入0.15%的聚丙烯纤维 西南交通大学硕士研究生学位论文第8页[17]可使混凝土的抗折强度提高34%，抗压强度提高20%。2.聚丙烯纤维对混凝土抗折强度的影响上海市政工程研究院的孙家瑛对混凝土的抗折性能进行了实验研究，结果表明：在水灰比不变的条件下，当聚丙烯纤维的掺量从0增加到0.15%时，虽然聚丙烯纤维掺入对混凝土的抗压强度影响不大，但是抗折强度可以提高[18]27%。华南理工大学材料学院的黄承亚、龚克成所作的实验研究表明同水灰比条[19]件下聚丙烯纤维可以提高砂浆的抗压与抗弯强度。长安大学公路学院的陈栓发的研究结果证明同水灰比条件下聚丙烯纤维可以提高混凝土的抗压、抗折强[20]度。但是同济大学建筑材料研究室姚武、马一平的研究结果则表明，在水灰比保持0.44的条件下，掺入聚丙烯纤维混凝土的抗折强度有一定损失，但是聚丙烯纤[21]维混凝土的韧性指数比基准混凝土的有所提高。3.聚丙烯纤维对混凝土弹性模量的影响关于聚丙烯纤维对混凝土的弹性模量的影响，葛洲坝水利水电集团公司的[16][33]付华作的实验研究表明掺入聚丙烯纤维使混凝土的弹性模量降低。4.聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响混凝土的组成材料和微观结构比较复杂，因此产生裂缝的原因是多种多样的，主要可分为物理原因(骨料收缩、混凝土干缩、施工因素造成的裂缝)、化学原因(钢筋锈蚀、碱骨料反应、混凝土碳化)、温度原因(冻融循环、季节性温差、外部约束和内部温度梯度造成的早期热收缩、早期冻裂)、塑性原因(塑性收缩、塑性坍落)、结构原因(偶然超载、地基沉陷及荷载长期作用下的蠕变、设计允许开裂)等。混凝土非结构裂缝是指由于混凝土结构中非荷载原因形成的裂缝。从上述裂缝的成因可以看出：非结构裂缝占全部裂缝种类的80%左右，[22]而这些裂缝对结构的耐久性影响很大。关于聚丙烯纤维形状对纤维混凝土力学性能的影响，同济大学的马一平、谈慕华采用了不同工艺制作的3种不同几何形态的聚丙烯纤维对水泥基材料抗塑性干缩性能的影响进行了实验，结果表明纤维对裂缝具有细化作用，直径小[23]的拉丝纤维抗塑性干缩能力较膜裂纤维好；在对聚丙烯纤维表面进行处理后，可提高聚丙烯纤维与水泥基体的界面粘结强度，也可以起到减小裂缝宽度的作[31]用。中国纺织大学化纤研究所的郭海洋、刘建树做了改性聚丙烯纤维对混凝土开裂的影响实验，结果表明纤维长度同样条件下纤维长度对抗裂性的影响有[24][32]一个峰值，纤维长度15～25mm时是比较理想的。