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多尺度聚丙烯纤维混凝土(Multi-scale polypropylene fiber concrete,简称 MPFC)是指同种品质,几何形态不同的两种或两种以上的聚丙烯纤维混掺在混凝土中的新型复合建筑材料。聚丙烯细纤维对混凝土的早期塑性开裂有抑制作用,对后期硬化混凝土抗裂性改善较小。以往采用聚丙烯纤维与钢纤维混掺的方法阻止硬化混凝土的开裂,提高韧性。但钢纤维存在易锈蚀,价格高等缺点,而聚丙烯粗纤维是一种新型增强增韧材料,具有耐腐蚀性能好,价格低等优点。在环境较为恶劣的工程中可代替钢纤维使用
随着三峡大坝、杭州湾跨海大桥、南水北调、西气东输等为代表的大型工程的实施,我国基础设施建设己经迈入了新一轮的快速发展阶段。在土木工程中被广泛应用的材料是混凝土,混凝土是一种多孔性的脆性材料,抗压强度好,抗拉强度差,对冲击、开裂、疲劳的抵抗能力差。如何克服混凝土的弱点,一直是工程界研究的重要课题。受古代建筑土墙中掺入稻草的启发,人们发现掺入纤维可提高混凝土的抗拉强度、抗冲击性能、刚度等。采用纤维增强混凝土是目前国际上公认的提高混凝土抗裂性和韧性的有效方法之一。纤维增强混凝(Fiber Reinforced Concrete 缩写为 FRC),简称为纤维混凝土,以混凝土为基体,各种纤维为增强相组成的一种复合材料,是一种新型的复合建筑材料。工程中常用的混凝土增强纤维有钢纤维和非钢纤维两大类,钢纤维相对效果明显,工程中应用多,但价格高;非钢纤维分为高弹纤维(如玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维等)和低弹纤维(如聚丙烯、尼龙等合成纤维)。玻璃纤维在混凝土中不易搅拌均匀,对混凝土强度有负面作用;碳纤维的强度和刚度性能较优胜过钢材,但其价格昂贵;石棉纤维对人体健康有负面作用,很快会退出建筑市场;最近几十年内合成纤维发展较快,主要是聚丙烯纤维,它相对其他合成纤维如尼龙、芳纶等纤维具有强度大、耐腐蚀、价格低等优点,在国内外工程界得到广泛的推广和应用,被视为近代混凝土技术的新发展。
20 世纪 70 年代以来,钢纤维由于其较为显著的抗裂效果,在工程界得到广泛的认可和应用。但是钢纤维增强混凝土也有其缺陷,尤其在某些特殊环境中,例如,在潮湿与腐蚀性环境中钢纤维容易生锈,钢纤维在路面应用中若处理不当会损伤车辆轮胎,喷射混凝土中掺加钢纤维对喷射装置磨损大,而且钢纤维由于比重相对大而回弹率较高。因此,工程界试图用能克服钢纤维缺陷的其他纤维代替钢纤维。未改性的聚丙烯细纤维( polypropylene fine fibre)弹性模量低,与混凝土的粘结性不好,当掺量过多时,会影响其在混凝土中均匀分布。经过改性的聚丙烯细纤维也主要用于减少混凝土的塑性早期裂缝。20 世纪 90 年代中期,聚丙烯粗纤维(polypropylene crude fibre)被人们开发,与聚丙烯细纤维比较,粗纤维的主要特点是尺度(直径、长度)大,弹性模量有提高,与混凝土的粘结性能好。试验证明将体积率大于 0.3%的聚丙烯粗纤维加人混凝土中,可大大提高混凝土的抗变形能力,减少混凝土硬化后期裂缝,增大了混凝土的韧性、抗疲劳性与抗冲击性。在特殊环境中,聚丙烯粗纤维可以代替混凝土中的钢纤维,此方法已在实际工程中推广。借鉴国外经验,近年来我国自主开发聚丙烯粗纤维已可批量生产.
解决混凝土早期塑性开裂问题最简单有效的方法就是在混凝土中掺入细合成纤维。聚丙烯细纤维对阻止混凝土的早期塑性开裂十分有效,但对混凝土硬化后期的韧性和抗裂性的改善不理想。工程界采用钢纤维提高硬化混凝土的抗裂性能和韧性。但钢纤维存在易锈蚀,重量大,易结团,易损伤搅拌机器,有磁性干扰、价格高等问题。混凝土搅拌站一般都不愿提供钢纤维商品混凝土。而聚丙烯粗纤维是一种新型增强增韧材料,耐腐蚀性能好,重量轻,易分散,对搅拌机器无损伤,无磁性干扰,价格低等优点,较好地克服了钢纤维的缺点。由此,将粗、细聚丙烯合成纤维混杂使用,能否既可以改善混凝土早期开裂问题,也可以提高硬化混凝土后期开裂性能.
结论:
① 对 MPFC 进行抗裂性试验研究,结果表明聚丙烯细纤维在塑性态混凝土中
的阻裂效应优于粗纤维,聚丙烯粗纤维在混凝土硬化阶段的抗裂效果优于细纤维;多尺度聚丙烯纤维在塑性态混凝土中的阻裂存在着正、负两种效应,在硬化阶段的抗裂效果与粗纤维相当。
② 通过单轴拉伸试验研究 MPFC 的抗拉性能,结果显示 MPFC 的抗拉峰值荷载较素混凝土有较小提高;MPFC 在单向拉伸荷载作用下,应力-应变曲线下降段出现了低应力-应变硬化现象,MPFC 抗拉韧性的改善幅度优于单掺聚丙烯纤维混凝土。
③对 MPFC 进行单轴抗压试验研究,结果显示 MPFC 抗压峰值荷载有小幅提高;MPFC 的抗压应力-应变曲线下降段比素混凝土平缓。MPFC 峰值后的应力随应变的增加降低缓慢,应力一应变曲线下包面积较大,其峰值后的抗压韧性性能得到较好改善。
④对 MPFC 进行四点弯曲试验研究,结果表明 MPFC 的抗弯强度有小幅提高MPFC
在弯曲荷载作用下,荷载-挠度曲线下降段出现非常明显的低荷载-变形硬化特性,曲线所包面积较大,峰值荷载后抗弯韧性的改善幅度远大于聚丙烯细纤维混凝土,同时也大于聚丙烯粗纤维混凝土。通过对比拉、弯性能指标建立 MPFC拉弯对应关系,MPFC 弯拉强度比值在 2.15~2.80 之间,抗弯韧性指数大于抗拉韧性指数,但数据整体变化趋势相同,表明四点弯曲试验可以代替单轴拉伸试验,成评价 MPFC 独特力学性能的简单实用试验方法。
⑤ 根据试验结果,建立适合于描述 MPFC 抗拉、抗压特性的损伤本构模型,得到聚丙烯纤维混凝土损伤因子的曲线形状参数,为此类 MPFC 在工程中的应用提供理论基础。
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