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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
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一.合成纤维的品种 一.合成纤维的品种
表1 混凝土常用合成纤维的性能
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一.合成纤维的品种 1.聚丙烯纤维（丙纶PP）
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℃。 幻灯片4
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。
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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。
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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 幻灯片7 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。
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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。 幻灯片9
二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理 ? 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。 幻灯片10
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%。 幻灯片11
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。 幻灯片12
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。 幻灯片13
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，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。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。因此研究如何阻止混凝土的早期开裂意义重大。 幻灯片14
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
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二.合成纤维混凝土的塑性阻裂机理 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。 幻灯片16
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。 幻灯片17
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 ? 钢丝网 ? 合成纤维
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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。 幻灯片19
合成纤维混凝土要点
