纤维混凝土增强机理研究

摘要：为了进一步研究纤维混凝土的工作机理，本文论述了纤维对混凝土的影响，最后通过电竞扫描对其微观进行了研究。结果表明：纤维与混凝土能很好地结合使用。

关键词： 纤维混凝土；电镜；增强机理；聚丙烯

中图分类号：TU375文献标识码：A

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。我国混凝土科学技术的先驱和奠基人、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路。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，中心质效应是可以叠加的。这种思路的内核，正是复合材料理论的精髓。复合材料之所以需要复合，目的是为了改善材料的力学性能。而材料复合的前提是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。

1 纤维对混凝土性能的影响分析

聚丙烯纤维被称为混凝土的“次要加强筋”，适用于路面、桥面等工程，掺入纤维后对水泥混凝土性能的主要改善在于增强混凝土的韧性。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出：在混凝土中掺入聚丙烯纤维改善混凝土的品质，使混凝土的综合使用性能得到提高，因此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途径。

聚丙烯纤维加入水泥基体中，理论上会对混凝土产生以下几种性能影响：（1）增稠作用；（2）影响基体的强度；（3）阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；（4）影响基体的耐久性。

1.1聚丙烯纤维的增稠效应

加入聚丙烯纤维后，混凝土的工作性方法改变，坍落度降低、离析和泌水减少。在新拌混凝土中，均匀散布的聚丙烯纤维在混凝土中呈现三维网状结构，起到了支撑集料的作用，其作用效果为阻止了粗、细集料的相继沉降，即粗集料首先下沉，然后是细集料。由于聚丙烯纤维的存在，同时也可以减少混凝土表面的析水。在混凝土中，水、料分开的现象称为“离析”，其不仅影响混凝土的匀质性，同时因混凝土表面层存在较多的水泥净浆或含有较细集料的水泥砂浆，使得表层失水迅速而发生较大的收缩，从而导致混凝土表面出现比较多的裂缝，这种裂缝通常被称为“沉降裂缝”。

1.2关于聚丙烯纤维在混凝土中对强度的贡献

根据目前己经收集到的资料，可以观察到性质完全相反的两种结论。有报告称，掺加聚丙烯纤维的混凝土比未掺加聚丙烯纤维的混凝土无论是抗压强度还是抗折强度都有明显提高。但是也有观点声明：在混凝土中掺加一般的低弹性模量的化学纤维通常并不能提高混凝土的轴心抗压强度，低掺量纤维对混凝土的抗压、抗拉与抗弯强度以及杨氏弹性模量均无明显的影响.并认为那些表明低掺量的纤维即可适度提高混凝土的抗压、抗拉、抗弯等强度的指标的试验结果“很可能是带选择性的”。有些研究报告结果甚至反映由于聚丙烯纤维的加入使其混凝土的抗压强度还有所降低。

根据前面力学性能试验研究结果可知，对于聚丙烯纤维而言，掺入一定量时混凝土的抗折和抗压强度有一定程度的提高，这并不意味着在混凝土中掺加聚丙烯纤维对于混凝土强度，就一定是增强作用。据此推断的结论应该是：首先，聚丙烯纤维对混凝土的力学强度的改性作用与纤维本身的物理性能，如长径比、抗拉强度，纤维掺量及纤维的形式有关。其次，由前面试验可知，纤维混凝土的施工工艺，即拌和方式、搅拌时间、振动时间对混凝土的强度也有一定的影响；再次，混凝土强度试验和观测结果的离散性及纤维混凝土配比对强度的影响，可能影响聚丙烯纤维本身对改变混凝土强度的贡献能力。虽然聚丙烯纤维混凝土的主要研究方向为耐久性及疲劳性能等方面，但是了解聚丙烯纤维对混凝土的力学性能的贡献，有利于路面纤维混凝土的工程应用。

1.3聚丙烯纤维的作用

聚丙烯纤维在水泥混凝土中阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维，可降低微裂缝尖端的应力集中，防止微裂缝扩展，并可防止连通裂缝的出现。当混凝土原生裂隙在扩张过程中遇到纤维时，纤维将迫使裂缝改变延伸方向或跨越纤维形成更细小的裂纹，在此过程中裂缝扩张的能量得以消耗。当混凝土中出现破坏性裂缝时，由于裂缝的前端与纤维相交，纤维起到跨裂缝传递荷载的桥梁作用，钝化了裂缝尖端的应力集中，使得引起裂缝的拉应力得以消弱或消除。由于聚丙烯纤维在混凝土中呈三维乱向分布，故可使裂缝的发展得到有效的抑制，达到了抗裂的目的。

1.4聚丙烯纤维的加入，影响基体耐久性

纤维的加入，使混凝土的疲劳性、抗冲击能力、耐磨性能得到良好的改善。混凝土中加入聚丙烯纤维凝固后，握裹水泥的高强纤维丝相互粘接成为致密的、乱向分布的网状增强系统，有利于防止并控制微裂缝的产生和发展，并增强了混凝土的韧性。同时由于有效改善了泌水性，对于早期养护大有裨益。试验表明，水泥水化早期，聚丙烯纤维混凝土比普通水泥混凝土可保持更多的水分，这样水泥的水化反应更彻底，离析减少，级配更加均匀，其表面强度较之普通混凝土更强。聚丙烯纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起，极大地保持了混凝土的整体强度，混凝土在受到冲击时聚丙烯纤维吸收了大量能量，从而有效减少了应力集中的作用，阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展，增强了混凝土的耐磨性能、疲劳性能、抗冲击能力。

2 微观形貌研究(SEM)

电子显微镜是利用电子与物质作用所产生的讯号来鉴定微区的晶体结构、微观组织、化学成份、化键和电子分布情况的电子光学装置。进行电子显微分析时要把具有一定能量的电子会聚成细小的电子束，与样品物质相互作用，激发出可以表征材料微区特征的各种信息，检测并处理这些信息。

本试验选用S-3400N扫描电子显微镜对试样进行显微分析，如图4.1。该仪器技术参数如下：

（1）二次电子SE分辨率：3.0nm (高真空，30KV)，10nm(高真空，3KV)

（2）背散射电子BSE分辨率：4.0nm (低真空，30KV)

（3）倍率：5~300000倍

图1 S-3400N扫描电子显微镜

试块破坏内部纤维基本被拉断，说明水泥与材料之间结合紧密，试块比较密实，见图1。

（a）普通混凝土（b）超韧性纤维混凝土

图2 电镜扫描结果

从图2可以看出，（1）基准混凝土试件中有大量明显的纤维状的C-S-H晶体和片状钙钒石晶体，说明在基准试件中水泥的水化不充分。从SEM图看出，基准试件空隙大，结构不甚致密，且存在明显的裂纹痕迹。（2）从加纤维混凝土试件的SEM照片中，并不能看出明显的C-S-H和钙钒石，而且混凝土的结构较为致密，无明显裂痕。这表明聚丙烯纤维对砂浆的改性作用效果是明显的，纤维的保水性使混凝土水化充分，因而形成的水化产物致密。（3）从图2中也可清晰的看出，纤维的表面有部分水泥基体残余，表明纤维与水泥基体能紧密结合，进而提供更好的力学性能。

3 结论

（1）加入聚丙烯纤维后，混凝土的工作性方法改变，坍落度降低、离析和泌水减少。

（2）纤维与水泥基体能紧密结合，进而提供更好的力学性能。

参考文献

[1] 郝培文.粉煤灰水泥混凝土路用性能研究.长安大学，硕士论文，2012.

[2] 刘家彬.聚丙烯纤维对混凝土动力学特性影响研究.混凝土，硕士论文，2010.