PAN 纤维在铁路桥混凝土结构中的应用研究

2017-10-16陈艳明

四川水泥 2017年10期

关键词：铁路桥抗冲击脆性

陈艳明

(中国建筑土木建设有限公司，北京 100070)

PAN 纤维在铁路桥混凝土结构中的应用研究

陈艳明

(中国建筑土木建设有限公司，北京 100070)

铁路桥混凝土的高性能作用于铁路桥的质量安全密切相关，研究PAN纤维对混凝土结构的高性能作用，能够为其质量提升提供参考。文章通过对PAN纤维在混凝土中应用的优势、对混凝土高性能作用等方面进行探析，以期为广大研究者提供借鉴。

PAN纤维；铁路桥；混凝土结构；高性能作用

0 引言

在铁路桥中应用混凝土材料，由于混凝土本身具有脆性的特点，可能会引发铁路桥在实际应用过程中的一些不良问题。而在混凝土中加入PAN纤维后，能够有效杜绝这些问题的产生，从而使PAN纤维混凝土具备抗裂、抗冻、抗冲击、抗疲劳等特点。以下就是对PAN纤维混凝土的相关分析。

1 铁路桥混凝土结构中PAN纤维的优势

在高性能混凝土的发展过程中，PAN纤维技术的出现，丰富了混凝土相关技术。它具有高抗拉强度和弹性模量、耐腐性与亲水性强的特点。同时，在PAN纤维的单位体积里面，纤维根数众多，每立方米的纤维在1.65亿根至11亿根之间。在这种情形下，纤维的质量一样时，它的表面积同根数成正比例关系。这使得在塑性开裂应力方面，纤维能够承受更多，进而使得纤维混凝土结构的高性能作用就更能得到有效体现。[1]有鉴于此，在 PAN纤维与合成纤维混凝土的高性能作用比较中，PAN纤维混凝土具有更加明显的优势。因为它仅仅是原料复合基础上加入另外一种材料，使得混凝土本身的脆性特点得到改良，从而达到混凝土性能表现更好的目的。

2 PAN纤维对铁路桥混凝土高性能作用的具体分析

对于PAN纤维而言，它对铁路桥混凝土的高性能作用主要表现为：将PAN纤维掺入到混凝土中，不仅能够改善混凝土本身的脆性特性，还能够使其塑性裂缝减少，并且在这个过程中能使裂缝钝化，从而增强混凝土的抗渗透性、抗裂性能以及抗冻融破坏能力的提升。此外，在铁路桥的混凝土里面，现为分布呈乱向三维分布，组成了三维支持的一种网络体系，极大地增强了混凝土抗冲刷、抗疲劳、抗冲击的能力，也使它的弯曲韧性大大提高。

2.1 加强抗疲劳的性能

在铁路桥混凝土中，掺入PAN纤维，如果掺入量在每立方米1千克至2千克之间，它的静力弹性模量将会比一般的混凝土还要低。但是从疲劳变形模量方面来看，PAN纤维的掺量增多，疲劳变形模量就会增大。由此可见，PAN纤维要在动力荷载作用下的结构中才能够发挥出更为良好的效果。通过相关的试验可以表明，使用了PAN纤维技术的混凝土，其弯曲疲劳性能比一般的混凝土更好。特别是在高应力比的情况下，其疲劳寿命尤为突出，可以成倍数延长。

2.2 PAN纤维带来的防渗和抗裂效果分析

2.2.1 抗裂性

在铁路桥混凝土相关构件当中，一旦产生裂缝，可能引起不良影响，甚至使得铁路桥的运行受阻。如果把PAN纤维添加到铁路桥混凝土里面，有助于塑性的时候，混凝土收缩减少，以及不产生或少产生初期阶段裂缝，进而在混凝土硬化后期，也能够使干缩裂缝的规模在控制范围内。如此一来，不仅能够保证混凝土的必要强度，使它不受裂缝影响，还会在裂缝钝化的情况下，使抗渗性进一步得到提升，保证铁路桥的质量。

2.2.2 抗冻性

当把纤维添加到铁路桥混凝土里面的时候，空气会随之而进入到混凝土里面。这将使得混凝土在抗冻性方面得到一定程度的提升，使它在面临低温时，具备更好的抗冻融破坏的性能。[2]其主要表现为，首先，当温度降低时，PAN纤维弹性模量会增加，这使得在温度较低的环境里面，含PAN纤维的混凝土能够更好地抵抗因冻胀带来的损伤和破坏；其次，由于单位体积里PAN纤维的根数非常多，而且直径很小，彼此之间的间距也很小，使得铁路桥混凝土的具有更好的抗裂性能。进而更多地消耗了冻融过程中混凝土的能量，达到控制冻胀开裂的目的。

2.3 混凝土抗冲击性和稳定性的提升

2.3.1 抗冲击性

当混凝土收到冲击的时候，内部结构中的纤维就会组成一个系统。这个系统较为均匀，分布时呈三维乱向。它能够使混凝土更好地吸收冲击带来的动能，从而减弱冲击。纤维对于混凝土内部结构来说，属于相当重要的组成部分。它不仅能够使裂缝尖端的应力变得没那么集中，防止裂缝在内部扩散，还能够使材料内部连续性变得更好，缓减局部的应力集中程度。另外，因为将冲击荷载形成的动能吸收，也使得混凝土在抗冲击方面变得更好了。

图1 纤维抗裂、抗渗透性图

2.3.2 稳定性

就混凝土的性能来说，在PAN纤维掺入以后，其稳定性方面将在很大程度上得到提升。通过60℃的轮碾车辙试验能够得出，在同等情形下，普通混凝土比纤维混凝土的稳定性更差，在气温较高地区的重载交通中，采用纤维沥青混凝土显然是更好的选择。[3]同时，对于添加了 PAN纤维的混凝土来说，它与汽油、煤油等都不会发生溶解等反应，具有较好的耐磨、耐候、抗渗、低破损等性能。

2.4 混凝土弯曲韧性的提升

当强度比较高的时候，可能会使得混凝土更脆。假如说在里面添加PAN纤维，其韧性和延性都会提升。从而使得混凝土自身的变形能力也得到很大程度地改善。如此一来，混凝土即便发生开裂的现象，依旧保存有一些承载能力，使铁路桥在使用过程中的安全系数得到提升。

图2 荷载-挠度曲线

而从图中的实验数据来看可以得知，如果在每立方米混凝土里面添加 1千克到 2千克的 PAN纤维，混凝土在韧度指数方面，I5、 I10、 I20的提升倍数分别是4.25-4.65、6.45-7.63、9.2-11.73。从这组数据中可以看出，对于荷载能量来说，含有PAN纤维的混凝土可以很好地吸收，缓解动荷载带来的抗力。从这一方面来看，含有PAN纤维的混凝土能够有效地改善一般混凝土的脆性，使它在受到冲击时能够表现出较强的韧性。而铁路桥在使用过程中，由于长期受到动荷载的影响，所以，加强混凝土中添加PAN纤维的研究，对于铁路桥有非常重要的实践意义。