延长混凝土结构寿命的突破性进展

    聚丙烯纤维除了具有控制混凝土龟裂的能力外，还具有改进耐磨损性和众所周知的降低渗水性的优点。通过控制主钢筋受腐蚀来延长混凝土结构寿命的可行性，使建筑业将来在混凝土工程中有条件用规范来强制使用聚丙烯纤维。

    近年来，玻璃纤维、钢纤维和聚丙烯纤维等已开始在改良混凝土的设计中扮演日益重要的角色。可以想象，现在必须要搞清哪些纤维适用于哪些地区，而且通过充分可靠的实验数据来确定在每种情况下所用纤维的可行性。此外，在这些纤维的初期发展，认可和使用阶段，针对这些纤维的推广出现了一些猜测和急诊，对聚合物或通常称作合成纤维的使用和推广尤其如此。

    本文限于考虑一种典型的合成纤维――聚丙烯纤维。现在看来，关于玻璃纤维和钢纤维的使用方法和应用领域已趋于明确，而聚丙烯纤维的采用在国际上有些地区依然存在很多顾虑。一部分顾虑还基于这样的事实：聚丙烯纤维的那些优点是在每立方米混凝土中加入相对很少一些聚丙烯纤维后得到的，这从重量上考虑就显得似乎太少了。为打消这一顾虑，我们必须知道聚丙烯的比重是0．91，而玻璃纤维的比重是2．6，钢纤维的比重是7．8。美国一家聚丙烯纤维制造商推荐，在每立方米混凝土中加入0．9kg聚丙烯纤维，计算可知，如果纤维均匀分布的话，在每m³混凝土中大约有七百万根19mm长的纤维（或(mm)³内有7根）。然而，在建筑业中，最大的顾虑在于自从25～30年前聚丙烯产品首次商品化以来公布的一些相互矛盾的试验数据，这是很不幸的。因为1980年以前在混凝土中作试验所用的聚丙烯纤维中从纺织业中借用的。这种纤维本来是用来作包装带、捆草绳的；要么仅仅是废品，要么是纺织加工中的再生纤维。

    技术

    直到前年，也没有专门用于混凝土的纤维，因此，就不可能指望得到一致而优异的试验结果。更不幸的是，那些并不可靠的试验数据一直被认为是评定混凝土专用聚丙烯纤维生产的巨大飞跃。这也预示着纤维钢筋混凝土技术的一个重大突破。

    1986美国“建筑分类”杂志12月号的主要文章认为，三个问题将决定未来的混凝土工业即耐久性、修复和混凝土试验结果的整理。而聚丙烯纤维可望在改善混凝土的耐久性、改善修复专用混凝土的性能等方面起相当重要的作用。准确地说，在传统混凝土工程中，耐久性是根据混凝土对除冰雪盐的抵抗能力、工业地板上的负载磨损、碱、集料引起的内部应力和其它化学腐蚀来衡量的、在未来，混凝土的耐久性标准，而不考虑以前的任何性能标准。混凝土结构大多建在恶劣的环境中，因此必须加以改善来抵抗诸如浅水区盐水的饱和、结冰、砂子和碎石的磨损，以及尽可能降低混凝土的水饱和。

    我们记得，以前诸如压力试验，抗拉试验以及类似的物性强度试验表明：加入这些量的聚丙烯纤维不会明显增加混凝土的强度，大都认为，加入纤维后使混凝土的物理强度有少许改观，这仅仅表明加入纤维后至少不降低混凝土的性能。直到近些年在混凝土专用聚丙烯纤维的生产技术上有了飞速发展，才使我们明白了聚丙烯纤维之所以被大量应用的原因，即通过减少塑性龟裂从整体上改善混凝土的性能。这种减少成为最初聚丙烯纤维用于混凝土的基本动机。但现在看来，聚丙烯纤维的优点还远不止这些。塑性龟裂一直是制约获得优质混凝土工程的关键因素，正是裂缝导致混凝土主钢筋受腐蚀，缩短了混凝土的使用寿命。混凝土形成初期是其最脆弱的阶段，而聚丙烯纤维的加入就可明显降低在此时外部原因引起龟裂的可能性。

    美国Webster工程协会完成了一系列纤维加强混凝土和标准样品的比较试验，两者的试验方法没有区别。但结果却表明了纤维加强混凝土从根本上优于普通混凝土样品，最有益的是试验描述了混凝土寿命与抗拉应变性质之间的关系。第一个试验表明加入纤维的混凝土比普通混凝土降低裂缝形成15%。Webster工程协会期望纤维的加入使寿命—应变曲线达到更高的水平，将普通混凝土和按0．9kg/m³比例加入聚丙烯纤维的混凝土进行2h、4h和6h试验来确定各自开始裂缝的拉伸力。2h后，两者均需要0．12p的拉伸力就裂缝；然而当约6h即混凝土开始凝固时，两者需要的裂缝拉伸力就明显不同，普通混凝土只需要的裂缝拉伸力就裂缝。试验表明，加入纤维可在混凝土形成的最关键阶段提供大于普通混凝土40%的抗裂缝能力。

                                                   表1    混 凝 土 混 合 料

试验序号		1	2	3
每立方米混凝土中的成份配比(Kg)	水泥	393	399	399
	硅石	59	60	60
	沙子	106	108	108
	沙子	955	970	970
	砾石	510	518	518
	水	291	295	295
	聚丙烯纤维(38mm)	1.0	1.4	0

    
    表2 砂 浆 混 合 料

     挪威水泥混凝土研究所也在STF65—A85309报告中研究了聚丙烯纤维对混凝土裂缝的控制效果，试验中将混凝土灌筑在有钢辐条的钢轮内、外侧，辐条可以拉伸混凝土，其中三个嵌在混凝土中，六个固定在砂浆中。所用混凝土专门设计对较大的裂缝敏感。表1所示为混凝土的试验数据，表2是砂浆集料的试验数据。在混凝土开始干凝后2—4.5h后就有裂缝形成并持续大约2—3h。在干凝结束时立刻测量每个样品裂缝头尾宽度之和，见表3—4。报告的结论是：每m³砂浆中掺入1kg聚丙烯纤维可降低裂缝形成50%；当改变掺入量为1.4kg/m³，将更显著降低裂缝形成；当改用12.5mm长纤维按1kg/m³加入时，实验表明降低裂缝形成33%；而当这种长度的纤维增加掺量以1.4kg/m³加入时，对裂缝形成没有更进一步的降低。Sintef得出如下结论：“即使更少量的加入聚丙烯纤维将显著地降低混凝土砂浆对早期干凝引起的裂缝的抵抗力”。 
                                  

 表3  24小时后混凝土的裂痕宽度

    表4  24小时后砂浆的裂痕宽度

    美国伊利诺斯洲H.H.Hoimes试验室试验了四种样品来比较加气混凝土的优势。在两个加气混凝土和未加气混凝土的样品中均掺入681g聚丙烯纤维，另外也采用ASTM规范666—80的方法A进行了试验，该方法要求在300次循环之后的耐久性因子在80以上。两种加气混凝土样品3A.B.C和4A.B.C均满足上述要求,两种未加气混凝土样品则由于不能满足耐久性要求而在180次循环之后停止试验。

    配料

    伊利诺斯洲E.Hime研究了加气混凝土暴露在除冰剂中时加入聚丙烯纤维的效果。混凝土均采用ASTM—C192m之要求的配料比设计。当混凝土板制成28天后，根据ASTM  C－672要求将其经过50个冻融循环，每隔一定时间，混凝土板上表面的盐溶剂将被去除并测量去除程度，普遍混凝土板在经过35个冻融循环试验后比上述样品板剥落少得多。每0.765m³加入454g纤维的混凝土板在经过50个冻融循环试验后达到表面5级剥落。在混凝土中加入纤维并不是想取代加气混凝土，而加气是混凝土在冻融循环试验时的必要条件。然而试验均表明在加气混凝土中再添加纤维后将更进一步改善混凝土的冻融循环抵抗力。

    这样一来就很明显，即使按每立方米0.9kg的配方加入聚丙烯纤维也将大大降低混凝土的渗水性，这是由两个完全独立的因素形成的。第一个是减少收缩裂缝，这在前面已讨论过，主要是裂缝提供渠道使水直接进入混凝土结构。现在ASTM并没有提出一个试验混凝土渗水性的满意方法。目前备受推崇的Von试验法被ASTM认为是检验渗水性的标准方法，这种方法反复使用来测量混凝土的渗水性。一般来说，在280mm的水混凝土渗水性进入51mm。表5是混凝土试验样品的渗水测量结果。可以看到，渗水百分比随不同集料设计配方而变化。

                                      表5  51 mm混凝土中的渗水性

    加拿大国家研究院1984年在深入的实验室研究的基础上,也组织了一系列路段试验以确定混凝土中聚丙烯纤维的效果.试验中比较了普遍混凝土和按0.9kg/m³配比加入聚丙烯纤维的混凝土,试验进行了28天.国家研究院的报告CNRC24863的结果是：“疲劳断裂机制的形成分三个阶段：

    ·裂纹发生

    ·裂纹慢扩展

    ·裂纹快扩展直至断裂

    在一个大快混凝土样品中，这三个阶段区分很明显，然而在小块普通混凝土样品（100×100×400）中，这三个阶段迅速接连发生。在纤维加强混凝土的裂纹扩展的过程中，沿着每根纤维长度上出现应力重新分布，新的裂纹遇到另一根纤维后即停止。因此，裂纹的扩展迅速即被大大减慢”。普通混凝土可承受的最大循环次数为165.800次，而纤维加强混凝土可承受370,360次。因此，在本实验中聚丙烯纤维使抗疲劳力增加两倍。

    磨损轮

    挪威最大的水泥制造厂——挪威化工公司设计了一种道路磨损实验机器，这种磨损机由一个圆盘磨损轮组成，它有四个卡车轮子，每个轮子的压力可改变，最大为5t，这等价于在轮轴上负重10t的压力。试验中所使用轮胎承受最大碰击力和加速磨损。试验混凝土样品放置在轮子底下的轨道上，通常被分成每段1.5m长的12截。为了比较不同混凝土的性能，每段样品可以是不同成份的混凝土。每隔一定事先确定的转数后周期性地测量磨损，转数由联于计算机的测量仪测定。当试验结束时，计算机可直接打印出不同等级的磨损曲线。据计算，在磨损轮下运行一周等价于大约在12，000~15，000辆次/天的道路上磨损一年。

    表6所示为试验所用混凝土的配比，所列数字是两组平行试验的平均值，普通混凝土样品的设计配比与1986年挪威高速公路E-16的改造所用配比相同。

表6  混凝土组合  

     表7  物理性质

    两片样品由不同的混凝土组成,在1986年2-3月期间灌筑,且在恒温固定湿度条件下养护,第一周用聚丙烯覆盖.在Vcisliter的试验开始于1986年3月,正常情况下,试验开始于1986年3月，正常情况下，试验在混凝土养护八周后进行，不同样品的物理性质见表7。为了防止试验表面不平引起的振动，采用两种不同速度56m/h 和70m/h的平行试验，轮胎的压力是75kg/cm²，轴向负重是5t。磨损机运行30min后即停止90min以便轮胎冷却，然后再自动进行运行／停止循环。每隔24h自动测量磨损浓度。这样总共138000转可模拟在每天12000~15000辆次的道路上磨损10~12年的情况。初始磨损指的是上面层的剥落，通常中由混凝土的非均匀性和其它因素所致的不规则质量引起。对普通的表层混凝土质量，上述初始磨损期经34000转后即完成。初始磨损期后紧接着在干燥条件下56000转的磨损，然后是加水磨损的60000转。

    结果表明，纤维加强C―75混凝土比普通C－75混凝土的耐磨损性高34．4%，甚至混凝土的耐磨损性高17．2%，纤维加强的C－50混凝土的抗压强度也比C－75普通混凝土高44%。现行的各种试验表明，无论是在干燥路面和湿水路面的条件下，加入聚丙烯纤维均可大大改善混凝土路面的抗压和耐磨损性。

    环境

    聚丙烯纤维网混凝土结构的最大特点是它能够在抑制混凝土主钢筋受腐蚀方面起重要作用。可以相信，聚丙烯纤维最终将成为恶劣环境下为根除主钢筋受腐使用的混凝土设计配料中必不可少的成份。少量加入聚丙烯纤维就能达到此目的可能性就成为它用于混凝土结构中的最公正的说明。

    Webster工程协会正在组织一系列复杂的实验来评估在传统钢筋水泥混凝土结构中加入聚丙烯纤维后整个结构的性能特征和减轻腐蚀的机制。混凝土钢筋受腐的主要原因是在其使用期内外来氯化物离子浸入所致。最普遍的来源是海洋环境中的盐、除冰盐的使用以及某些特定的工业加工，我们最期望的材料是降低混凝土的渗水性、大块或筛分氯化物或其它阻止混凝土受腐蚀时而不破坏其它性质的材料，象纤维这类整体分布的材料就比那些仅在表面起密封作用的材料更受注意，因为前者不易被磨损。

    更重要但通常被忽视的事实是一旦在盐混凝土中出现腐蚀，腐蚀的速度就会很关键。受腐蚀的钢筋占原钢筋的二倍之多，这就在混凝土结构内产生巨大的体积爆裂力，据美国国家标准局估算，内部压力可达4000psi，最终使混凝土裂缝以致从主钢筋上完全剥离。更进一步的研究热点是引发腐蚀的机制。大量的试验认为，主钢筋嵌入混凝土的两头将形成一种“腐蚀电池”，这种钢筋的两头之间就存在正负电势差，于是有电流从中流过。钢筋一层即巨电池的阴极剥落，将大大减缓钢筋表层即阳极的腐蚀速度。

    Webster 工程协会使用的试验法是把四根独立的钢筋棒灌筑在一个直径38mm的混凝土圆柱体内，四个棒是：

    普通混凝土

    按890g/m³加入后合成纤维的混凝土

    按水泥重的12%加入氯化钙的普通混凝土

    每m³加入890g聚丙烯纤维和10%氯化钙的混凝土

    在养护28天后，将样品棒的1/3浸放含有15%氯化钠的水中，考察每个样品的腐蚀程度时，先用硫酸铜电极测量样品棒上的电势差。由该试验得出的结论是：在普通混凝土中按特定配比加入聚丙烯纤维后将加倍延长混凝土在腐蚀环境下的腐蚀开始时间，其次，还明显降低受腐样品的电势差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二类试验要求按每立方米混凝土加入890g聚丙烯纤维。四组试验中用同样的混凝土。试验中先灌筑直径51mm、长305mm的普通混凝土圆柱体，然后在剩下的混凝土中加入聚丙烯纤维。

    经过28天养护后，将圆柱体浸入含氯化钠10%的水中100mm，然后将钢筋棒嵌入混凝土中按21天一周三次测量电势差以确定发生腐蚀的时间，两块普通混凝土样品在浸入15%氯化钠水溶液后5~7天即达到腐蚀电势差500mv，而两块加入聚丙烯纤维的混凝土样品在16~27天后仍未达到500mv的电势差。很显然，纤维的加入降低了氯离子的扩散速率，近而延迟了腐蚀的发生时间。
鉴于聚丙烯纤维加入后具有控制混凝土塑性裂缝的超强能力，现在聚丙烯纤维已得到商界的认可。此外，它还可改善混凝土的耐磨损性、降低渗水性以及增加抗碎力。因此，通过降低钢筋的受腐蚀程度来延长混凝土的寿命，这一优势可使聚丙烯纤维在未来混凝土的加强工程中起主导作用。