合成纤维混凝土

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一.合成纤维的品种表1混凝土常用合成纤维的性能一.合成纤维的品种1.聚丙烯纤维（丙纶PP）丙纶纤维始生产于1957年。据报道，2001年全世界丙纶的产量为582.7万吨，占该年度合成纤维总产量的18.5％。聚丙烯纤维(单丝)的性能为：强度为350～700MPa，弹性模量为3～10GPa，极限伸长为15％～25％，吸湿性小(0％)，比重为0.9lg/cm3。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℃。一.合成纤维的品种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。一.合成纤维的品种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。一.合成纤维的品种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。一.合成纤维的品种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。一.合成纤维的品种二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理二.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。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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理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%。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理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，温湿耦合现象在其内部不明显。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，温湿耦合特性十分明显，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。出现早期表面裂缝的原因是混凝土表面温度、湿度的变化引起的表面拉应力超过了混凝土的抗拉强度。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。国此研究如何阻止混凝土的早期开裂意义重大。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理二.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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理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，从多个方面下大力气解决早期开裂问题，从增强混凝土内在品质的角度提高混凝土耐久性。•膨胀剂•钢丝网•合成纤维二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理混凝土早期裂缝的防治二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理混凝土早期裂缝的防治为了解决混凝土的塑性收缩裂缝，在20世纪50年代吴中伟院士提出了膨胀自应力混凝土的概念，在六七十年代开始自应力混凝土压力管道的研究与生产。采用给混凝土中掺膨胀剂的方法，补偿混凝土的收缩。混凝土管道中混凝土处于钢筋的环向约束状态，当混凝土有合适的膨胀量时，会在混凝土中产生一定的压应力，抵消混凝土收缩引起的拉应力。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理混凝土早期裂缝的防治•膨胀剂在混凝土硬化过程中发挥作用，对处于塑性状态的混凝土的作用甚微。•膨胀剂对混凝土早期的养护要求高，需要洒水养护。膨胀剂还存在与水泥及其他化学添加剂的适应性问题。膨胀剂的使用虽十分重要，当混凝土膨胀量超过需要值后会出现负面效应。但纤维只要能够均匀分散也混凝土中就无负面效用。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理混凝土早期裂缝的防治•钢丝网对混凝土塑性裂缝的作用不是十分有效。•聚丙烯腈和聚丙烯等合成纤维能够在混凝土塑性状态发生阻裂作用。纤维只要能够均匀分散也混凝土中就无负面效用。近几年发展起来的用于混凝土的聚丙烯、腈纶纤维等合成纤维，对解决混凝土的早期开裂将发挥十分独特的作用。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理关于纤维的阻裂机理有两种理论，从不同角度解释纤维对混凝土的阻裂机理。•一是美国Romuadi提出的“纤维间距理论”，根据断裂力学解释纤维对混凝土中裂缝的阻裂作用，认为要提高混凝土的强度，必须减少混凝土中原始缺陷、裂缝的数量和尺度，当纤维的间距小于某一值后混凝土的抗拉强度会提高。•二是英国Swamy提出的“复合材料理论”，从复合材料构成的混合原理出发，把纤维看做是混凝土的强化体系，应用混合原理推定纤维混凝土的抗拉强度，提出了纤维混凝土抗拉强度与纤维的掺入量、方向、长径比及粘结力之间的关系。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理以上两种理论对于纤维弹性模量与基体混凝土接近的情况更为合理和有效，他们从不同角度解释复合材料抗拉强度提高的原因。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理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。合成纤维为什么能有效地解决混凝土的塑性开裂？二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理•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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理•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。二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理早期抗裂的作用机理实践证明，纤维间距理论对合成纤维混凝土塑性抗裂机理的解释比较适用。在混凝土未硬化前，纤维起到了阻裂的效应。单位体积混凝土中有数千万根至数亿根纤维，纤维的阻裂效果主要体现在纤维的根数上，纤维的间距愈小，早期抗裂效果愈明显。当纤维的间距大到一定值时，纤维对混凝土的早期抗裂几乎没有效果。在纤维掺量相同时，在保证纤维充分分散性的前提下，从阻裂的角度，宜选用直径细的纤维。纤维掺量一定时纤维愈细，单位体积混凝土中纤维的根数众多，阻裂效果愈显著。纤维长度应与粗集料的粒径相适应，对直径较大的粗集料，应选择较长的纤维。但纤维较长时，必须下功夫解决纤维的分散性问题。三.合成纤维混凝土早期抗裂性的评价体系之概述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。三.合成纤维混凝土早期抗裂性的评价体系之概述一般试验研究包括：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。三.合成纤维混凝土早期抗裂性的评价体系之概述最后的第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。三.合成纤维混凝土早