关于聚丙烯纤维网对混凝土性能影响的几点认识

提要 本文就目前对聚丙烯纤维在混凝土中阻裂效应的意义、聚丙烯纤维对混凝土强度和耐外性的影响等模糊不清或沿存争议的问题谈了几点看法，并从作用机理上进行了阐述。结论认为聚丙烯纤维对混凝土性能有明显的改善作用，但目前试验评价方法尚不能有效展示聚丙烯纤维的效应。


关键词 聚丙烯纤维 混凝土 阻裂效应 强度
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“次要加强筋”，适用于路面桥面、衬里护壁、地坪等工程部位，近几年在我国的市政、公路和建筑工程中已有较多应用。从1997年至今，仅在天津道路和桥面工程中聚丙烯纤维混凝土的用量已达到十几万平方米，聚丙烯纤维的总用量近20吨，绝大部分工程应用效果也较好。
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。但作者通过和施工、设计人员的现场交流，发现很多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（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外性的不足之处，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宣的评价。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