蚕ｆ圉 — ：。。 。 。 。 。 。 。 。。 工程技术 聚丙烯纤维对普通混凝土的改性机理 陈武林 王辉 廖晨彦 （中南大学土木建筑学院 长沙４１ ００７５） 摘要：本文综述了纤维对混凝土增强机理的两个理论，即为纤维间距理论和复合理论，得出聚丙烯纤维对普通混凝土的改性机理及聚丙 烯纤雉对混凝土性能的影响。 关键词：混凝土 聚丙烯纤维 改性机理 中图分类号：ＴＶ４ ３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１ｏ）ｏ５（ｂ）－Ｏ１３０－０２ 纤维网是由聚丙烯合成的薄膜条带， 加入到混凝土原材料中，在搅拌机的搅拌 下，受到水泥、砂石料的冲击混合，成束的 纤维会被撕裂成大量单独的纤维，以三维 方式均匀地无序分布在混凝土中。研究表 明ｆ】１，试验所用纤维纤度为１５～１７ｇ／９０００ｍ， 直径约为４８ ｍ，长度为ｌ９ｍｍ。试件的纤维 掺入量分别为０．９ｋｇ／ｍ 和１．３ｋｇ／ｍ 。经搅 拌机充分拌合，每立方米混凝土中分布的 纤维根数分别约为２．８ Ｘ １０ 根和３．８ Ｘ １０ 根。这些无序分布的高延性纤维改善了混 凝土的界面性质和密实性，将使混凝土的 性能有较大的改善。 裂理论又称“纤维间距理论”，由Ｒｏｍｕａｌｄｉ／ 将上式展开，式中出现纤维平均间距参数， Ｂａｔｓｏｎ；￣Ｍａｎｄｅｌ提出。 进而可推出纤维间距合断裂破坏的关系。 １．１纤维间距理论 １．２复合理论 该理论根据线弹性力学来说明纤维对 基本假定如下：纤维连续均匀平行排 裂缝发生和发展的约束作用。该理论认为： 列，并与受力方向一致；纤维与基体粘结完 在复合材料形成合破坏的过程中，纤维的 好，即二者之间无相对滑动；纤维与基体均 加入可以有效地提高复合材料受力前后阻 呈弹性变形，并且横向变形相等。如图１所 止裂缝引发与扩展的能力，达到纤维对混 示，外力沿连续纤维方向时，复合材料中应 ，ｒ。 ｒ 凝土增强与增韧的目的。简单地，可以表示 力 ： 为： Ｋｒ＝Ｋ 一Ｋ，，Ｋｒ Ｋ１ ｛ｃ：｛ｔ ｖｆ４－｛ ｍ－＝｛ｆｖｌ ４－｛ 一～ 、 复合材料的弹性模量可通过微分方程 得到： 式中 ，为复合材料强度因子； 分别为外力作用下无纤维时应力强度 １纤维增强机理的理论分析 ｄ ／一旦 ／ｄ ｃ ＋ ｄ￡ 一ｄｖＩ＋ 因子合因纤维掺入产生相反的强度因子； 纤维对混凝土增强作用的理论目甫主 为临界应力强度因子。 要有纤维阻裂理论和复合材料理论。纤维阻 当Ｋｒ≥Ｋ１ 时，材料则发生断裂破坏。 ￡ ，ｄ￡ ｄ￡ ｄ￡ －ｖ， Ｑ￡ｃ４－ （１８＋ ｃｌ１， ＋ Ｑ￡ｃ Ｑ￡ｃ ｃ ｄｖ， 由于 ０， ｏｄ ，ｄ ｄ 故： ＝Ｅ ＋ ＝Ｅｒ ＋ （１一 ） 物理量注释略，其中 ＋ ＝１。 图１ 纤维复合材料受力简图 对于单向不连续纤维来说，还必须考 虑到纤维在开裂面两侧的埋入长度的随机 分布问题；对于乱向不连续纤维来说，还必 须进一步考虑影响纤维增强效果的方向性 问题。 纤．．Ｉ拉断 纤维与基材脱黏 ｌ １．３纤维在混凝土中的阻裂作用 基村多点开鬟 二、 ｔ ～ ～＿ Ｌ 、 ｏｌ ｌ ｝爱 ；｛ 。 一麓一 ，—一 ｒ ； ｌ ｌ。 图２纤维阻裂机理 在道路混凝土中掺入纤维，由于表层 材料中存在纤维，一方面使其失水面积有 所减少，水分迁移较为困难，从而使毛细管 失水收缩形成的毛细管张力有所减少；另 方面，低弹性模量的聚丙烯纤维相对干 塑性浆体成为了高弹性模量材料，依靠纤 维材料与胶凝材料之间的界面吸附豁结 力，机械铆合力等，增加了材料抵抗开裂的 塑性抗拉强度，从而使失水收缩产生的应 力小于材料塑性抗拉强度，材料表面的开 裂状况得以减轻，甚至消失。另外，由于纤 维以单位体积内较大的数量均匀分布干混 凝土内部，故裂缝在发展的过程中必然遭 遇纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发 展，从而降低了混凝土的脆性，提高了混凝 土的抗裂性能。 从文献［３１的研究得出，由于拉应力作 用，水泥基体中凸透镜形状的裂缝端部产 生应力集中系数 ，当裂缝扩展到基体界 一（下转１３２页） ｌ ３０ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ｉｉ 翻 － ： 。。 。．。 。 。 。 。 。 ．工程技术 ２．３不同分析方法的比对试验 试验结果表明，用连续流动分光光度 如表４所示。 使用二苯碳酰二肼分光光度法、连续 法测定地表水和废水中的六价铬相对标准 ２．４．２实际样品测定 流动分光光度法对苏州市地区的地表水和 偏差为Ｏ％一２．１％，分析结果令人满意。 如表５所示。 废水中的六价铬结果比较： ２．４精密度与准确度的试验 由上面的数据表明，标准样品和实际 如表３所示。 ２．４．１标准样品测定 样品，其精密度和准确度均能达到方法的 规定要求。 表４标准样品测定 ２．５方法检出限的试验 在本实验室的条件下，进行了２０个空 标样值（ｍｇ／ Ｌ） 测得值（ｍｇ／Ｉ ） 白值的试验，根据公式Ｌ＝Ｓ×ｔ（ｎ－ｌ，０．９９） 标准样品０．２３１±０．Ｏ０９ｍｇ／Ｌ ０．２３２ ０．２３２ ０．２３４ 计算方法的检出限：测得检出限为０． Ｏ０１２ｍｇ／ｌ＿ ，测定下限为０．Ｏ０４ｍｇ／Ｌ，测定上 测定值（ｍｇ／Ｌ） ０．２３ｌ ０。２３４ ０．２３４ 限为０．４００ｍｇ／Ｌ。 平均值 （ｍｇ／Ｌ） ２＝０．１３３ ３结语 标准偏差Ｓ，ｍｇ／Ｌ ＝０．００１３ 相对标准偏差 表５ Ｃ ｒ６＋实际样品测定 平行号 样品 Ｆ２０７３ １ ０．００３ ０．８ 从以上数据可以看出，用连续流动分 光光度法测定水和废废水中的六价铬，方 法简单，快捷、准确可靠，灵敏度高、适用性 强、且与国标方法无显著性差异。 样品 Ｈｌ２６３ Ｏ．（）ｏ１ 参考文献 【１】《国家环保局水和废水监测分析方法》 编委会．水和废水监测分析方法［Ｍ】．第 四版，北京：中国环境科学出版社， ２００２．２１１－２２２． ０．００３ ０．・｝ ０２ 测定结果 ｍｇ／［ ３ ４ ０．００３ ０．００２ ０．００３ ０．ｆＨ】２ Ｏ．ＯＯ１ Ｏ．０Ｏ】 ０．ＯＯｌ 【２】《水和废水监测分析方法指南》编委会． 水和废水监测分析方法指南【Ｍ】．北京： 中国环境科学出版社，１９９０．２２５－２３８． 【３】江苏省地面水环境监测技术规范．江苏 省环境保护局；１９８９．６． ［４】ＳＫＡＬＡＲ ＭＥＴＨ０ＤＳ：Ｃ，ＨＲＯＭＩＵＭ （ＶＩ）Ｃａｔｎｒ．Ｉ２３３－００１ ｉｓｓｕｅ ｌ１０１０７／ ＭＨ／９９２４７９１６． ６ ０．００３ 平均值ｘ（ｍｇ／Ｌ） 标准偏差５，ｍｇ／Ｌ ０．００３ ０．０００４ ０．０Ｏｌ ０．０００５ 相对标准偏差（％） 加标回收率（％） 加标量（ｍｇ／Ｉ ） 回收量（ｍｇ／ Ｉ ） 回收：率（％） ］３．３ ５０．Ｏ 样品含量（ｍｇ／Ｌ） ０．０４ｌ ０．０４１ ０．０２０ ０．０２０ ０．０４０ ０．０４０ ０．０２０ ０．０２０ Ｏ。Ｏ３Ｒ ０。０３８ ０．０２０ ０．２００ ９）．０ ９５．Ｏ ｌＯＯ ９９．５ 混凝土的韧性。美国联邦公路战略计划 展得到有效的抑制，达到了抗裂的目的。 面时，在界面上会产生对裂缝起约束作用 （ＳＨＲＰ）通过大量试验研究和工程经验总结 （４）影响基体耐久性：聚丙烯纤维加入 的剪应力并使裂缝趋于闭合。此时在裂缝 出：在混凝土中掺入聚丙烯纤维改善混凝 是混凝土裂缝减少，密实性提高，并且能有 （上接１ ３Ｏ页） 顶端即会有与 相反的另一应力集中系 土的品质，使混凝土的综合使用性能得到 效减少了应力集中的作用，增强了混凝土 数一 ，于是总的应力集中系数就下降为 提高，因此ＳＨＲＰ将聚丙烯纤维等育机纤维 的耐磨性能、疲劳性能、抗冲击能力和抵抗 图２可以说明纤维在混凝土中的 增强混凝土当作路面高性能混凝士＝的一种 环境侵蚀能力。 — 。阻裂机理。 途径。 （ａ）是纤维达到其抗拉强度极限值而拉 断，使混凝土的抗拉强度得以显著提高 （ｂ）是纤维由基体中拔出有利于提高符 合材料的韧性 （ｃ）是纤维跨越裂缝，承受拉力，随基材 开裂，复合材料仍有一定的承载能力和较 高的延性 （ｄ）是纤维与基材之间发生脱勃 （ｅ）是纤维制止了大裂缝的延伸，在混 凝土中产生若干条细裂缝，即所谓的点开 聚丙烯纤维加人水泥基体中，理论上 参考文献 会对混凝土产生 下几种 能影响： ［１】陈卫．聚丙烯纤维对混凝土防渗性能影 （１）增稠作用：乃：人 准后，混凝土的工 响的研究． 作性方法改变，坍落髓降低、离析和泌水减 １ ２】ｓｈａｈ ａｎｄ ０ｕｙａｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ 少。 ｏｆ Ｆｉｂｅｒ－Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｃｅｍｅｎｔ－ｂａｓｅｄ ｌ２）影响基体的强度 】：根据目前已经 Ｃｏｍｏｓｉｔｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅ－ 收集到的资料，可以观察到性质完全相反 ｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｐ．２７３０－２９５３ 的两种结论。有些报告称无论抗压强度还 ［３】张天翼，吴强．聚丙烯纤维改善混凝土 是抗折强度都提高；也有报告称强度提高 性能的研究．山西建筑．２００８．２（３４）５． 是有选择性的，抗压强度无明显提高。其对 【４】张登良，张浩．聚丙烯纤维混凝土路用 裂 强度的影响与纤维本身的物理性能和实验 性能研究东北公路．（２４）２． 方法有关。总的来说，其对混凝土强度改善 ２聚丙烯纤维对混凝土性能的影响分析 是有益的。 聚丙烯纤维被称为混凝士的“次要加 （３）阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩 强筋”，适用于路面、桥面等工程，掺入纤维 展并延缓新裂缝的出现：由于纤维在混凝 后对水泥混凝土性能的主要改善在于增强 土中呈现三维乱向分布，故可使裂缝的发 １ ３２ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
