钢-聚丙烯混杂纤维混凝土本构关系研究

混杂纤维混凝土是近年来迅速发展的一种新型混凝土复合材料，其通过在混凝土中掺入不同种类，不同尺度的纤维能够在不同阶段，不同程度地改善基体的整体力学性能。随着纤维混凝土理论和应用技术的发展，尤其是工程界对混凝土的力学性能和耐久性能要求越来越高，混杂纤维混凝土等材料的应用前景十分广阔。 国内外学者对普通混凝土的本构关系进行了大量的研究，从不同的理论基础出发提出了众多的本构模型，这些模型为混凝土结构设计和数值分析提供了强有力的保障。而对于纤维混凝土,特别是混杂纤维混凝土，其本构关系的研究还很少见诸报道。因此，本项目在借鉴前人关于普通混凝土及单一纤维混凝土本构关系的研究成果的基础上，考虑纤维的长径比、体积率、类型等影响因素，通过单轴受压与受拉试验，分别测定了钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的受压与受拉应力-应变关系全曲线，并建立了曲线方程；采用断裂力学理论对混杂纤维增强混凝土性能特别是阻裂机理进行了深入研究。在混杂纤维混凝土单轴受压强度及应力-应变关系研究的基础上，通过真三轴试验，基于Willam-Warnke五参数破坏准则，运用塑性理论推导了混杂纤维混凝土塑性本构关系，包括：（1）混杂纤维混凝土单轴受压强度与本构关系；（2）混杂纤维混凝土单轴受拉强度与本构关系；（3）混杂纤维混凝土空间破坏准则以及含有纤维特征参数的塑性本构关系。并基于ABAQUS二次开发了混杂纤维混凝土三维有限元本构关系程序。研究成果能够很好地预测混杂纤维混凝土材料在多轴荷载作用下的强度及应力应变响应，并为补充和完善《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)的有关条文提供理论支撑和试验依据，促进混杂纤维混凝土的理论研究及其成果在实际工程中的推广应用。 2100433B

借鉴前人关于普通混凝土及单一纤维混凝土本构关系的研究成果，考虑纤维的长径比、体积率、类型等影响因素，通过单轴受压与受拉试验，分别测定钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的受压与受拉应力-应变关系全曲线，并建立曲线方程；采用断裂力学理论对混杂纤维增强混凝土性能特别是阻裂机理进行深入研究。在混杂纤维混凝土单轴受压强度及应力-应变关系研究的基础上，通过真三轴试验，基于Willam-Warnke五参数破坏准则，运用塑性理论推导混杂纤维混凝土塑性本构关系，提出如下预期成果：（1）混杂纤维混凝土单轴受压强度与本构关系；（2）混杂纤维混凝土单轴受拉强度与本构关系；（3）混杂纤维混凝土空间破坏准则以及含有纤维特征参数的塑性本构关系；（4）基于ABAQUS二次开发的混杂纤维混凝土三维有限元本构关系程序。研究成果将为补充和完善《纤维混凝土结构技术规程》(CECS38:2004)的有关条文提供理论支撑和试验依据。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法适用范围

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》适用于对混凝土的抗压、抗拉（裂性、抗渗性）、抗折强度、耐冲磨和耐久性有较高要求的地下工程、水池、人防工程、大体积混凝土工程、高层建筑、水工工程、公路桥梁、隧道、机场跑道等各种工业与民用工程的高强高性能混凝土。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法工艺原理

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的工艺原理叙述如下：

弹性模量高的钢纤维主要起增强材料的作用当混凝土的微小裂纹在外荷载作用下发生扩展时，缓解了裂缝尖端的应力集中，增加了裂缝的扩展阻力，提高了混凝土的初期断裂性能和抗拉、抗压、抗折强度，但因为钢纤维掺量的限制，在没有钢纤维分布的部位不能对混凝土的开裂产生阻滞作用，因此对混凝土裂后变形能力作用不大弹性模量与混凝土相当的聚丙烯纤维，虽然不能从根本上提高混凝土的强度和抗裂能力，但因为众多聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布，在初裂发生后使较大的裂缝转变为多个细小的裂缝，即形成所谓的多点开裂，能提高混凝土的裂后变形能力。在混凝土中同时掺入钢纤维和聚丙烯纤维，这两种纤维在不同的受荷阶段和不同的结构层次发挥增强增韧作用，比不掺或单掺某种纤维具有更高的抗压、抗拉、抗折强度和更好的抗冲磨性能和耐久性。

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法施工工艺

• 工艺流程

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的工艺流程：施工准备→纤维分散→投料搅拌→混凝土运输→混凝土浇筑、振捣、抹面→混凝土养护。

• 操作要点

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的操作要点如下：

一、施工准备

施工准备主要包括配合比设计、拌合物试验、模板支设与验收、钢筋安装与验收、材料与设备准备、施工人员安排、方案编制、培训与交底。

1.配合比设计：根据具体工程的结构和使用功能要求进行配合比设计，一般可根据混凝土强度等级确定水泥、砂、石、外加剂、掺合料和水的配比，然后根据不同的使用要求（抗裂性、抗冲磨性或耐久性）侧重点确定钢纤维和聚丙烯纤维的掺入量。根据实验研究和工程经验，混杂纤维混凝土的各组分中，混杂纤维、水胶比、粉煤灰的掺量变化对混凝土的工作性、强度和耐久性影响较大，减水剂、砂率、用水量对混杂纤维混凝土的强度及耐久性影响较小，可在允许范围内取较大值，以获得较好的施工性能即工作性。为保证钢、聚丙烯纤维与基体有效结合，宜选用较小粒径的骨料，一般最大粒径10~20毫米。从综合提高混凝土的抗压、抗拉、抗折强度和抗冲磨性、耐久性来考虑，经工程试验研究，混杂纤维混凝土的最优配合比为：混杂纤维掺量（体积比）：钢纤维0.8%（折合每立方米混凝土掺量62.4千克）；聚丙烯纤维0.1%（折合每立方米混凝土掺量0.91千克）；水胶比：0.34；粉煤灰掺量（重量比）：15%；砂率：40%；用水量：190千克/立方米；减水剂：1.2%（高效减水剂FDN，主要成分为萘磺酸甲醛缩合物）。聚丙烯纤维与铣削型钢纤维混杂时的综合作用效果优于与其他类型的钢纤维混杂。

2.拌合物试验：正式浇筑钢-聚丙烯纤维混凝土前应按《普通混凝土拌合物试验方法》GB/T 50080-2002进行拌合物试验，拌合物试验的内容为纤维对拌合物的含气量、坍落度随时间变化特性、初凝和终凝时间以及泌水速度等的影响。通过拌合物试验确定混凝土拌合物的性能指标，作为确定施工工艺的依据。

3.模板支设与验收：模板支设按常规做法，要保证模板及支撑系统的强度和稳定性，模板的几何尺寸和平整、垂直度按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002进行验收应达到合格标准。

4.钢筋安装与验收：钢筋制作与安装按常规做法按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002进行验收应达到合格标准。

5.材料与设备准备：见《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的材料设备章节。

6.施工人员安排：根据浇筑工程量和浇筑速度安排施工人员，每个施工班组要保证有1个专门的纤维分散和投料工。具体的施工班组组成如下：

搅拌机操作工1人，水泥、掺合料、外加剂投料工1人，砂投料工1人，石子投料工2人，纤维分散、撒布工1人，混凝土输送泵操作工1人，指挥工1人，混凝土布料工2人，混凝土摊铺工3人，振捣工2人，抹面工3人，养护工1人。

7.方案编制、培训和交底：施工前编制钢-聚丙烯纤维混凝土专项施工方案，对工人进行培训和交底，使工人熟练掌握钢-丙烯纤维混凝土施工与普通混凝土施工的不同之处，如纤维的分散和撒布工艺、混凝土投料顺序、混凝土的搅拌时间、输送、浇筑、振捣、收面等工序应注意的问题。

二、纤维分散

纤维分散工艺是保证钢-聚丙烯纤维混凝土中纤维不结团、在混凝土中分布均匀的关键环节。

1.钢纤维分散

宜使用水融性胶水粘结成排工艺的佳密克斯钢纤维，必要时采用分散机进行分散。钢纤维在现场采用钢纤维分散机振动分散，将待分散的钢纤维放在钢纤维分散机的活动筛上，钢纤维在摇动、振动、拨散和碰撞作用下，陆续穿过两层筛的筛条间隙而分散下落，将振动分散好的钢纤维收集后存放待用。分散机的功率宜为0.75~1.0千瓦，分散力宜为20~60千克/分钟。也可采用自行走钢纤维分散撒布机进行分散的撒布，将待分散的钢纤维按配合比称量后放在钢纤维分散机的存放料槽中，钢纤维通过分散机分散后均匀撒布在强制式搅拌机内。

2.聚丙烯纤维分散

采用聚丙烯自分散纤维，出厂时经过特殊的防静电及抗紫外线处理，使用时拆开包装直接投入混凝土拌合料中，经过搅拌使纤维在混凝土中分散均匀。

三、投料搅拌

投料顺率和时间与施工条件及钢、聚丙烯纤维的形状、长径比、体积率等有关，应通过施工现场搅拌试验确定，以搅拌过程中钢、聚丙烯纤维不产生结团和保证一定生产率为原则。一般情况下可采用以下顺序：

加入石子→加入1/3钢纤维→加入砂→加入/3钢纤维和1/2聚丙烯纤维→干拌0.5分钟→加入水泥、掺合料（粉煤灰等）→干拌0.5分钟→加入剩余钢纤维和聚丙烯纤维、水、外加剂，边加边搅拌2-3分钟。钢-聚丙烯纤维混凝土搅拌应采用强制式搅拌机，最好采用水平双轴型搅拌机。总共搅拌时间约3~4分钟，但最长不应超过5分钟，否则可能因搅拌时间过长而引起结团。当纤维掺量较高或坍落度较小时，为不使搅拌机超负荷工作，搅拌机的利用率不应超过额定功率的80%。严格控制各种材料的计量，按重量比进行控制，钢纤维和聚丙烯纤维的计量误差应控制在1%以内，其他各种材料的计量误差应符合《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002的规定。

四、混凝土运输

通过拌合物试验表明，同样条件下混凝土掺入钢纤维和聚丙烯纤维后坍落度降低约10%~30%且坍落度随时间损失较快，特别是在30分钟后损失速度加快，所以应尽量缩短混凝土的运输时间，优先选用现场集中搅拌，如选用商品混凝土应控制混凝土搅拌站与浇筑现场的距离，使混凝土自搅拌机出料至浇筑现场的运输时间不宜超过30分钟。严禁在拌合料中二次加水。运输过程中如出现离析现象应进行二次搅拌。

五、混凝土浇筑、振捣、抹面

钢-聚丙烯混杂纤维混凝土的浇筑、振捣、抹面与普通混凝土基本相同。通过拌合物试验表明，混凝土中掺入钢纤维和聚丙烯纤维后，混凝土的初凝时间提前1~1.5小时，终凝时间也有所提前，同时纤维的掺入减少了塑性混凝土表面的析水，表现为泌水率下降，泌水推迟20分钟开始，提早30分钟结束，混凝土的坍落度降低约10%~30%，且随时间损失较快，特别是30分钟后损失速度加快。针对钢-聚丙烯纤维的以上特点，对混凝土的浇筑、振捣、抹面工艺做以下改进：

1.对第一车混凝土要进行开盘鉴定，满足设计要求后方可大面积浇筑。

2.采用地泵或汽车泵浇筑。混凝土的坍落度因为掺入钢纤维和聚丙烯纤维而有所降低，但这并不表示混凝土的和易性降低了，因为坍落度指标不能全面的表征和易性。坍落度降低现象是由纤维掺入产生特殊触变效果，会影响拌和物的静态流变现象，如坍落度降低、泌水性降低、黏聚性提高。由于纤维并不增大混凝土的摩擦系数，掺纤维的混凝土虽然坍落度降低，但仍可保持与同配合比普通混凝土相似的泵送性，所以不必特意增大混凝土的塌落度，特别是严禁加水。如混凝土的可泵性较差时，可在征得建设单位、监理单位工程师的同意下，适当增加减水剂的掺量。

3.在浇筑第一盘钢-聚丙烯纤维混凝土前，应用水将运输罐车、塔吊的料斗、滑槽、串筒、泵管、原浇筑面和模板进行湿润，尽量保证混凝土的工作性能。

4.混凝土下料不宜太快，一般将混凝土堆高2~4厘米，用插入式振动器振捣后，再用平板振动器振动、抢平。一般采用一刮、二滚、三纵、四抹的方法，确保表面的平整度。混凝土入模后应停留10~20分钟，再进行振捣，这样混凝土平整度和密实度较好，且混凝土浆充分泛出，把纤维埋在混凝土中。振捣器应比浇筑普通混凝土时多1~2个振动棒的操作要做到“快插慢拔”，以便更有效地排出混凝土中的气体，使之更加密实；振动棒插点应均匀有序，插点间距宜为500毫米左右，每点振捣时间宜为5~15秒，以混凝土面不再下降，表面出现浮浆为止。

5.钢-聚丙烯纤维混凝土较为粘稠，表现在插入式振捣器振捣时的穴坑复平时间较长，收面要适当加强。在纤维混凝土浇筑1~2小时，必须对混凝土进行二次振捣，并对纤维混凝土表面拍打振实。收浆是钢-聚丙烯纤维混凝土很关键的施工工艺。在施工过程中，应根据当时天气的冷热状况，风力大小等具体情况进行收浆，收浆过早或过晚都有可能影响平整度或出现早期裂缝等。最后一次抹面应在刚初凝，并在终凝前完成，目的是将表面裂纹全部消除。

6.钢-聚丙烯纤维混凝土必须连续浇筑，不得出现冷缝。每次倒料必须相压15~20厘米，使钢-聚丙烯纤维混凝土的浇筑保持整体连续性。

六、混凝土养护

混凝土凝固前应保持表面湿润状态防止水分蒸发。在终凝后立即用塑料薄膜覆盖养护，施工放样后，也必须立即浇水并覆盖养护纤维混凝土浇水养护的时间不得少于14天。浇水次数应能保持混凝土始终处于湿润状态，并做好混凝土养护记录。竖向构件应带模养护不少于3天，拆模后应浇水养护或刷养护液，养护时间不少于14天。

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的效益分析如下：

一、经济效益

1、利用聚丙烯纤维代替部分钢纤维，减少了钢纤维的用量，降低工程造价。正常钢纤维混凝土中钢纤维掺量为1.6%（每立方米混凝土用量124.8千克），费用为124.8×7.5=936元。混杂纤维混凝土中钢纤维掺量为0.8%（每立方米混凝土用量62.4千克），费用为62.4×7.5=468元。混杂纤维混凝土中聚丙烯纤维掺量为0.1%（每3混凝土用量0.91千克），费用为0.91×15=13.65元。综上所述，与钢纤维混凝土相比，每立方米混凝土节约造价：936-468-13.65=454.35元。

2、采用混杂纤维后混凝土的强度提高10%~20%，可减小构件截面，降低工程造价。

3、混凝土的抗裂性能得到提高，防止了裂缝和渗漏现象，减少了修补维护费用和用户投诉和索赔。

4、掺入钢-聚丙烯纤维后混凝土的抗变形能力增强，可实现超长超大结构的无缝施工，省略变形缝、后浇带等构造措施，并减少变形缝、后浇带的处理费用，缩短工期25%。

5、钢-聚丙烯混杂纤维混凝土可提高结构的使用寿命，节约后期运行成本和维护成本。

二、社会效益

1、节约混凝土和钢材用量，减少资源和能源消耗，对于节能环保，建设节约型社会具有重要意义。

2、提高工程质量，减轻建筑物的开裂、渗漏等质量通病，提高建筑物的使用寿命，有利于提高人民生活水平。

3、可用于配制高强高性能混凝土，满足建筑结构向大体积、大跨度、超高层方向发展的需要以及水工工程、公路桥梁、隧道、机场跑道等特殊的功能要求。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

《钢-聚丙烯混杂纤维混凝土增强增韧阻裂防渗工法》的质量控制要求如下：

一、质量标准

1、《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002。

2、《混凝土、砂浆聚丙烯纤维》Q/320106PF001。

3、《钢纤维混凝土结构技术规程》CECS38：2004。

4、《聚丙烯纤维混凝土、砂浆施工指导规程》。

二、质量检验内容及检验标准

1、原材料进场质量检验

（1）水泥、砂、石、掺合料、外加剂、水的检验按《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002进行。

（2）聚丙烯纤维：按《混凝土、砂浆聚丙烯纤维》Q/320106PF001的要求进行检验。用于钢-聚丙烯纤维混凝土的应为出厂时经过特殊的防静电及抗紫外线处理的自分散的束状单丝聚丙烯纤维。束状单丝聚丙烯纤维的物理化学性能指标如表6.1.6。聚丙烯纤维长度宜为15~19毫米。检验数量：按进场的批次和产品的抽样检验方案确定。检验方法：检查产品合格证、出厂检验报告、现场目测和测量。

（3）钢纤维：按《钢纤维混凝土结构技术规程》CECS38：2004的要求进行检验。钢纤维的极限抗拉强度应大于500兆帕，能承受一次弯折900而不断裂。圆直和熔抽钢纤维适宜配制中低强度混凝土，铣削型钢纤维、切断型钢纤维、剪切型钢纤维适合配制高强度混凝土。钢纤维的最小直径不应小于0.4毫米，一般控制在0.45~0.70毫米，钢纤维的长度应控制在25~60毫米，在正常搅拌机拌合时，长径比应控制在50~70。工程上应优选铣削型钢纤维。铣销型钢纤维的技术指标：长度25~60毫米，直径0.25~1.25毫米，最佳长径比50~70，抗拉强度不小于600兆帕宜使用水融性胶水粘结成排工艺的佳密克斯钢纤维。钢纤维外观必须洁净、无油污、无锈，并不含其他杂质和碎屑。检验数量：按进场批次和产品的抽样检验方案确定。

2、配合比计量检验

（1）水泥、砂、石、掺合料、外加剂、水的计量检验按《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204-2002进行。

（2）钢纤维、聚丙烯纤维计量检验：检验钢纤维、聚丙烯纤维的掺量，要求钢纤维、聚丙烯纤维掺量误差不超过1%检验数量：检验频率每一工作班不少于两次。检验方法：现场复称。

3、拌合物中钢纤维、聚丙烯纤维含量、分散性检验：拌合物的钢纤维和聚丙烯纤维掺量，与设计配合比相比较误差不超过±15%检验数量：每一班工作不少于两次。检验方法：现场称取混凝土拌合物，水洗后称量钢纤维、聚丙烯纤维的含量。

4、检验钢-聚丙烯纤维混凝土质量，应根据工程要求分别进行抗压强度与抗拉强度或抗压强度与抗折强度试验，如有特殊要求时应做抗冻、抗渗等性能试验。钢-聚丙烯纤维混凝土强度检验的试件制作、数量，对强度的评定方法应参照有关混凝土工程施工验收规范及国家标准《混凝土强度检验评定标准》的规定执行。

三、质量控制要点

1、施工前应编制钢-聚丙烯纤维混凝土专项施工方案，对工人进行培训和交底，使工人熟练掌握钢-聚丙烯纤维混凝土施工与普通混凝土施工的不同之处，如纤维的分散和撒布工艺、混凝土投料顺序、混凝土的搅拌时间、输送、浇筑、振捣、收面等工序应注意的问题。

2、应根据具体工程的结构和使用功能要求进行配合比设计，根据不同的使用要求（抗裂性、抗冲磨性或耐久性）侧重点确定钢纤维和聚丙烯纤维的掺入量。

3、钢-聚丙烯纤维的各种材料应计量准确，采用重量比进行计量，各种材料的计量允许偏差不得超过以下规定：水泥、掺合料±1%，粗、细骨料±3%，水、外加剂±1%，钢纤维、聚丙烯纤维±1%。

4、应保证钢纤维和聚丙烯纤维在混凝土中的分散性及均匀性，水洗法检测的钢纤维、聚丙烯纤维含量偏差不应大于设计配合比掺量的±15%。

5、钢纤维应选用水融性胶水粘结成排工艺的佳密克斯钢纤维，进入搅拌机前应采用分散机进行分散；聚丙烯纤维应选用出厂时经过特殊的防静电及抗紫外线处理的自分散的束状单丝聚丙烯纤维。

6、应合理选择投料顺序，保证钢纤维聚丙烯纤维均匀分布，防止结团。

7、钢、聚丙烯纤维混凝土应采用水平双卧轴型强制式搅拌机搅拌。混凝土搅拌现场与浇筑现场的距离应尽量缩短，自搅拌机出料至浇筑的间隔时间不应大于30分钟。混凝土拌合物中严禁随意加水。

8、尽量采用平板式振动器进行振捣，如构件截厚度较大时可先用插入式振捣棒振捣，后用平板振动器振平，已振实的钢-聚丙烯纤维混凝土中，不得遗留振捣棒插捣后局部无钢纤维、聚丙烯纤维的空洞、坑穴或沟槽。在纤维混凝土浇筑12小时，必须对混凝土进行二次振捣，并对纤维混凝土表面拍打振实。

9、钢-聚丙烯纤维应连续浇筑，不得出现冷缝。

10、其他质量保证措施同普通混凝土。