陳艷明

(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司， 北京 100070)

PAN 纖維在鐵路橋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

陳艷明

(中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司， 北京 100070)

鐵路橋混凝土的高性能作用于鐵路橋的質(zhì)量安全密切相關(guān)，研究PAN纖維對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的高性能作用，能夠?yàn)槠滟|(zhì)量提升提供參考。文章通過(guò)對(duì)PAN纖維在混凝土中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)、對(duì)混凝土高性能作用等方面進(jìn)行探析，以期為廣大研究者提供借鑒。

PAN纖維；鐵路橋；混凝土結(jié)構(gòu)；高性能作用

0 引言

在鐵路橋中應(yīng)用混凝土材料，由于混凝土本身具有脆性的特點(diǎn)，可能會(huì)引發(fā)鐵路橋在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的一些不良問(wèn)題。而在混凝土中加入PAN纖維后，能夠有效杜絕這些問(wèn)題的產(chǎn)生，從而使PAN纖維混凝土具備抗裂、抗凍、抗沖擊、抗疲勞等特點(diǎn)。以下就是對(duì)PAN纖維混凝土的相關(guān)分析。

1 鐵路橋混凝土結(jié)構(gòu)中PAN纖維的優(yōu)勢(shì)

在高性能混凝土的發(fā)展過(guò)程中，PAN纖維技術(shù)的出現(xiàn)，豐富了混凝土相關(guān)技術(shù)。它具有高抗拉強(qiáng)度和彈性模量、耐腐性與親水性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)，在PAN纖維的單位體積里面，纖維根數(shù)眾多，每立方米的纖維在1.65億根至11億根之間。在這種情形下，纖維的質(zhì)量一樣時(shí)，它的表面積同根數(shù)成正比例關(guān)系。這使得在塑性開(kāi)裂應(yīng)力方面，纖維能夠承受更多，進(jìn)而使得纖維混凝土結(jié)構(gòu)的高性能作用就更能得到有效體現(xiàn)。[1]有鑒于此，在 PAN纖維與合成纖維混凝土的高性能作用比較中，PAN纖維混凝土具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗鼉H僅是原料復(fù)合基礎(chǔ)上加入另外一種材料，使得混凝土本身的脆性特點(diǎn)得到改良，從而達(dá)到混凝土性能表現(xiàn)更好的目的。

2 PAN纖維對(duì)鐵路橋混凝土高性能作用的具體分析

對(duì)于PAN纖維而言，它對(duì)鐵路橋混凝土的高性能作用主要表現(xiàn)為：將PAN纖維摻入到混凝土中，不僅能夠改善混凝土本身的脆性特性，還能夠使其塑性裂縫減少，并且在這個(gè)過(guò)程中能使裂縫鈍化，從而增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B透性、抗裂性能以及抗凍融破壞能力的提升。此外，在鐵路橋的混凝土里面，現(xiàn)為分布呈亂向三維分布，組成了三維支持的一種網(wǎng)絡(luò)體系，極大地增強(qiáng)了混凝土抗沖刷、抗疲勞、抗沖擊的能力，也使它的彎曲韌性大大提高。

2.1 加強(qiáng)抗疲勞的性能

在鐵路橋混凝土中，摻入PAN纖維，如果摻入量在每立方米1千克至2千克之間，它的靜力彈性模量將會(huì)比一般的混凝土還要低。但是從疲勞變形模量方面來(lái)看，PAN纖維的摻量增多，疲勞變形模量就會(huì)增大。由此可見(jiàn)，PAN纖維要在動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)中才能夠發(fā)揮出更為良好的效果。通過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)可以表明，使用了PAN纖維技術(shù)的混凝土，其彎曲疲勞性能比一般的混凝土更好。特別是在高應(yīng)力比的情況下，其疲勞壽命尤為突出，可以成倍數(shù)延長(zhǎng)。

2.2 PAN纖維帶來(lái)的防滲和抗裂效果分析

2.2.1 抗裂性

在鐵路橋混凝土相關(guān)構(gòu)件當(dāng)中，一旦產(chǎn)生裂縫，可能引起不良影響，甚至使得鐵路橋的運(yùn)行受阻。如果把PAN纖維添加到鐵路橋混凝土里面，有助于塑性的時(shí)候，混凝土收縮減少，以及不產(chǎn)生或少產(chǎn)生初期階段裂縫，進(jìn)而在混凝土硬化后期，也能夠使干縮裂縫的規(guī)模在控制范圍內(nèi)。如此一來(lái)，不僅能夠保證混凝土的必要強(qiáng)度，使它不受裂縫影響，還會(huì)在裂縫鈍化的情況下，使抗?jié)B性進(jìn)一步得到提升，保證鐵路橋的質(zhì)量。

2.2.2 抗凍性

當(dāng)把纖維添加到鐵路橋混凝土里面的時(shí)候，空氣會(huì)隨之而進(jìn)入到混凝土里面。這將使得混凝土在抗凍性方面得到一定程度的提升，使它在面臨低溫時(shí)，具備更好的抗凍融破壞的性能。[2]其主要表現(xiàn)為，首先，當(dāng)溫度降低時(shí)，PAN纖維彈性模量會(huì)增加，這使得在溫度較低的環(huán)境里面，含PAN纖維的混凝土能夠更好地抵抗因凍脹帶來(lái)的損傷和破壞；其次，由于單位體積里PAN纖維的根數(shù)非常多，而且直徑很小，彼此之間的間距也很小，使得鐵路橋混凝土的具有更好的抗裂性能。進(jìn)而更多地消耗了凍融過(guò)程中混凝土的能量，達(dá)到控制凍脹開(kāi)裂的目的。

2.3 混凝土抗沖擊性和穩(wěn)定性的提升

2.3.1 抗沖擊性

當(dāng)混凝土收到?jīng)_擊的時(shí)候，內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的纖維就會(huì)組成一個(gè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)較為均勻，分布時(shí)呈三維亂向。它能夠使混凝土更好地吸收沖擊帶來(lái)的動(dòng)能，從而減弱沖擊。纖維對(duì)于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，屬于相當(dāng)重要的組成部分。它不僅能夠使裂縫尖端的應(yīng)力變得沒(méi)那么集中，防止裂縫在內(nèi)部擴(kuò)散，還能夠使材料內(nèi)部連續(xù)性變得更好，緩減局部的應(yīng)力集中程度。另外，因?yàn)閷_擊荷載形成的動(dòng)能吸收，也使得混凝土在抗沖擊方面變得更好了。

圖1 纖維抗裂、抗?jié)B透性圖

2.3.2 穩(wěn)定性

就混凝土的性能來(lái)說(shuō)，在PAN纖維摻入以后，其穩(wěn)定性方面將在很大程度上得到提升。通過(guò)60℃的輪碾車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)軌虻贸?，在同等情形下，普通混凝土比纖維混凝土的穩(wěn)定性更差，在氣溫較高地區(qū)的重載交通中，采用纖維瀝青混凝土顯然是更好的選擇。[3]同時(shí)，對(duì)于添加了 PAN纖維的混凝土來(lái)說(shuō)，它與汽油、煤油等都不會(huì)發(fā)生溶解等反應(yīng)，具有較好的耐磨、耐候、抗?jié)B、低破損等性能。

2.4 混凝土彎曲韌性的提升

當(dāng)強(qiáng)度比較高的時(shí)候，可能會(huì)使得混凝土更脆。假如說(shuō)在里面添加PAN纖維，其韌性和延性都會(huì)提升。從而使得混凝土自身的變形能力也得到很大程度地改善。如此一來(lái)，混凝土即便發(fā)生開(kāi)裂的現(xiàn)象，依舊保存有一些承載能力，使鐵路橋在使用過(guò)程中的安全系數(shù)得到提升。

圖2 荷載-撓度曲線(xiàn)

而從圖中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看可以得知，如果在每立方米混凝土里面添加 1千克到 2千克的 PAN纖維，混凝土在韌度指數(shù)方面，I5、 I10、 I20的提升倍數(shù)分別是4.25-4.65、6.45-7.63、9.2-11.73。從這組數(shù)據(jù)中可以看出，對(duì)于荷載能量來(lái)說(shuō)，含有PAN纖維的混凝土可以很好地吸收，緩解動(dòng)荷載帶來(lái)的抗力。從這一方面來(lái)看，含有PAN纖維的混凝土能夠有效地改善一般混凝土的脆性，使它在受到?jīng)_擊時(shí)能夠表現(xiàn)出較強(qiáng)的韌性。而鐵路橋在使用過(guò)程中，由于長(zhǎng)期受到動(dòng)荷載的影響，所以，加強(qiáng)混凝土中添加PAN纖維的研究，對(duì)于鐵路橋有非常重要的實(shí)踐意義。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，如果把PAN纖維加入到里面，將在很大程度上改善混凝土的性能。這種混凝土材料在鐵路橋中的應(yīng)用，使得施工更加簡(jiǎn)便。同時(shí)，在抗沖擊、抗疲勞、抗裂等方面的性能也得到大大提升，有效預(yù)防了混凝土因脆性帶來(lái)的不良影響，使得鐵路橋的安全性和穩(wěn)定性也在很大程度上得到提升。

[1]楊學(xué)貴,何唯平. 淺析PAN纖維在水工混凝土中的高性能化作用[A]. 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土質(zhì)量專(zhuān)業(yè)委員會(huì).特種混凝土與瀝青混凝土新技術(shù)及工程應(yīng)用[C].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)混凝土質(zhì)量專(zhuān)業(yè)委員會(huì):,2012:3.

[2]楊百紅,初建祥. PAN纖維在冷卻塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 山西建筑,2017,01:49-50.

[3]李斌,蔡漢超,纏宏宇. PAN纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度及耐磨性的影響[J]. 混凝土與水泥制品,2015,04:49-53.

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