聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用探討

    一、概述
    纖維混凝土是近年來在國際與國內(nèi)迅速發(fā)展的新型復(fù)合材料，其中尤以聚丙烯纖維混凝土發(fā)展最快，它以優(yōu)良的抗?jié)B、抗凍、抗沖磨、抗沖擊等性能而廣泛用于公路、機(jī)場、橋梁、水工、建筑等領(lǐng)域。目前，美國合成纖維混凝土的使用量己占混凝土總產(chǎn)值的7%，我國自20世紀(jì)90年代中期開始，已有數(shù)以千計(jì)的工程采用聚丙烯纖維混凝土，并取得顯著成效。

    二、聚丙烯纖維的特性
    聚丙烯是一種結(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)晶型聚合物，為乳白色、無味、無毒。質(zhì)輕的熱塑性塑料，密度為0.9～0.91g/cm³，是現(xiàn)有樹脂中最輕的一種，它不溶于水，耐熱性能良好，在121℃～160℃連續(xù)耐熱，熔點(diǎn)為165℃～170℃，聚丙烯幾乎不吸水，與大多數(shù)化學(xué)品如酸、堿、鹽不發(fā)生作用，物理機(jī)械性能良好，抗拉強(qiáng)度3.3×10⁷～4.14×10⁷Pa，抗壓強(qiáng)度4.14×10⁷～5.51×10⁷Pa，伸長率200%～700%，因此聚丙烯有較好的加工性能，聚丙烯可紡、可塑、拉膜、吹膜以及真空成型等。

    并不是任何未經(jīng)專門處理的聚丙烯纖維都能用于制備纖維混凝土，混凝土材料用合成纖維應(yīng)具有較高的耐堿性及水泥基體的分散性與粘結(jié)性能，普通的聚丙烯纖維存在著耐老化性能差、混凝土中攪拌易結(jié)成團(tuán)等缺點(diǎn)，不能直接在工程中應(yīng)用，只有經(jīng)過改性處理的纖維，才能與水泥基材共同工作，早期的纖維混凝土所摻用的聚丙烯纖維大多采用聚丙烯膜裂纖維，20世紀(jì)80年代初，美國成功開發(fā)出單絲聚丙烯纖維，由于這種纖維成本低，以及改善混凝土效果顯著，而廣泛用在地下工程防水、工業(yè)與民用建筑屋面、地面以及公路、橋梁工程中。

    三、對(duì)混凝土物理性能的影響

    1 、減少離析，改善和易性

    普通混凝土從攪拌到硬化完成之前，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)離析及泌水現(xiàn)象，由于聚丙烯纖維的摻入，均勻散布的纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了支撐集料的作用，阻止了粗、細(xì)骨料的下沉，抑制了新拌混凝土的泌水和離析，從而改善了混凝土拌合物的和易性。

    2 、凝結(jié)時(shí)間

    混凝土中加入低摻率的聚丙烯纖維，因粘聚性增大，坍落度會(huì)略有下降，與等強(qiáng)度不摻纖維的混凝土相比，初凝時(shí)間提前l(fā)～1.5h，終凝時(shí)間也略有提前，但是不會(huì)對(duì)混凝土的工作性能產(chǎn)生不利影響。

    3 、減少混凝土的收縮裂縫

    混凝土的塑性收縮及干縮裂縫，主要是由于混凝土內(nèi)部因?yàn)槭湛s而出現(xiàn)的拉應(yīng)變超過了混凝土的極限應(yīng)變值所致。眾所周知，混凝土的極限拉伸率相當(dāng)?shù)?，一般僅為0.01%～0.20%，而聚丙烯纖維的極限拉伸率高達(dá)15%～18%，當(dāng)數(shù)千萬根聚丙烯單絲纖維均勻散布于混凝土當(dāng)中時(shí)，即可承受因混凝土收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)變，延緩或阻止混凝土內(nèi)部微裂縫及表面宏觀裂縫的發(fā)生發(fā)展。根據(jù)混凝土配合比、養(yǎng)護(hù)條件及合成纖維的品牌及摻量，聚丙烯纖維的摻入能使混凝土的非結(jié)構(gòu)裂縫減少50%～90%。

    4 、提高混凝土的耐火性

    高強(qiáng)混凝土由于密度大，在遇火災(zāi)經(jīng)受高溫后，內(nèi)部的水蒸汽散發(fā)不出去，巨大的蒸汽內(nèi)壓使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生爆裂。在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維，高溫能使聚丙烯纖維熔化，在混凝土內(nèi)部形成微細(xì)孔隙，散發(fā)水蒸汽，防止構(gòu)件在火災(zāi)中發(fā)生爆裂。

    四、對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

    1 、提高抗壓、抗折強(qiáng)度

    研究結(jié)果表明，混凝土中摻加聚丙烯纖維可明顯提高混凝土的抗壓、抗折等性能，其摻量在達(dá)到0.1%前強(qiáng)度增加較明顯，在達(dá)到0.1%后隨摻量的增加強(qiáng)度提高較慢。

    摻入少量低彈性模量度曉丙烯纖維促進(jìn)混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度的增長，是纖維的補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)，而非增強(qiáng)效應(yīng)，主要在于聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)，減少了裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的幾率，混凝土得以保持較好的完整性和連續(xù)性，從而間接地促進(jìn)了強(qiáng)度增長。

    2 、提高抗沖擊性及抗疲勞性

    有資料表明，摻加聚丙烯纖維有助于提高混凝土的抗疲勞性及抗沖擊性，這是由于纖維的阻裂作用所致，在混凝土受沖擊荷載作用時(shí)，纖維可以阻止混凝土中裂縫的擴(kuò)散與發(fā)展，間接地提高了混凝土的抗疲勞性及抗沖擊性。國家建筑材料測試中心試驗(yàn)結(jié)果表明，摻有0.05%與0.1%纖維的砂漿抗沖擊強(qiáng)度比素砂漿分別提高17.7%與25.8%。

    3 、提高韌性

    聚丙烯纖維加入水泥基體，對(duì)基材的韌性有明顯增進(jìn)作用，既使摻加體積率僅為0.05% 的聚丙烯纖維，也可以使混凝土受彎的韌性指數(shù)有明顯提高，其韌性提高的主要機(jī)制是由于纖維使混凝土在達(dá)到抗折極限強(qiáng)度后仍然保留著高于素混凝土的裂后強(qiáng)度。

    4 、彈性模量。

    有資料顯示，低摻率的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的靜態(tài)彈性模量并無明顯影響，但對(duì)混凝土受壓或受拉的彈性模量有比較大的影響?？蒲腥藛T根據(jù)聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土彈性模量與混凝土強(qiáng)度等級(jí)建立關(guān)系，并取整數(shù)后得到設(shè)計(jì)應(yīng)用的聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的彈性模量值，與新頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定混凝土受壓或受拉的彈性模量值對(duì)應(yīng)比較，其變動(dòng)范圍均低于設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的許用誤差5%，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，聚丙烯纖維混凝土彈性模量值與設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定值之間的差異越小，說明聚丙烯纖維尤其適用于在高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土工程中發(fā)揮作用。

    五、對(duì)混凝土耐久性的影響

    1 、增加抗?jié)B性

    摻加聚丙烯纖維增加抗?jié)B性的效果要大于強(qiáng)度的增加，這是因?yàn)槔w維的阻裂作用不但減少了裂縫的數(shù)量，裂縫的長度和寬度，而且降低了生成貫通裂縫的可能性，同時(shí)，呈三維亂向分布的纖維也起到阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)作用效果。根據(jù)國家建筑材料測試中心測試結(jié)果，0.05% 摻量的聚丙烯纖維混凝土在1.2MPa水壓作用下，與同強(qiáng)度(28d 齡期)未摻纖維混凝土比較，抗?jié)B性提高70%。

    2 、抗凍融性

    有測試結(jié)果表明，加入聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的抗凍能力，這主要是由于當(dāng)有纖維存在時(shí)，可減少多次凍融循環(huán)而引起的混凝土內(nèi)的抗拉集中應(yīng)力，阻止了微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，另外，由于混凝土抗?jié)B性的提高，也有利于改善其抗凍融性。

    3 、抗碳化性

    混凝土碳化的關(guān)鍵因素是空氣中的CO2。滲透到混凝土體內(nèi)，與其堿性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，要提高混凝土抗碳化性能必須提高混凝土的防裂性能，切斷空氣滲入渠道，聚丙烯纖維在混凝土中的作用并不直接影響混凝土的碳化速度，只是由于摻加纖維的原因，使得鋼筋的保護(hù)層變得更加完善，從而間接地起到延緩混凝土碳化作用。

    4 、抗堿骨料反應(yīng)性

    治理堿骨料反應(yīng)的關(guān)鍵之一是阻水、外界不供給混凝土水分，則堿骨料反應(yīng)中產(chǎn)生的膠體停止膨脹，破壞消失，聚丙烯纖維抗堿骨料反應(yīng)性，從本質(zhì)上來說也是通過減少混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中各種裂縫以提高混凝土抗?jié)B性途徑實(shí)現(xiàn)的。

    六、合成纖維的摻量

    綜合考慮經(jīng)濟(jì)原因，聚丙烯纖維用于混凝土的摻量為0.7～1.5kg/m³，用于砂漿的摻量為0.7～0.9kg/m³。根據(jù)砂、石、料、水泥用量的變化，及抗裂要求，可適當(dāng)增加或減少摻量，最高摻量1.8kg/m3，最低摻量0.5kg/m3。

    七、結(jié)語

    目前，我國應(yīng)用聚丙烯纖維混凝土的工程有廣州新中國大廈、重慶世界貿(mào)易中心、北京大運(yùn)村、武漢長江二橋、三峽工程等都使用了聚丙烯纖維混凝土，并取得了理想效果。

    大量的工程實(shí)踐及試驗(yàn)研究表明，低摻率的聚丙烯纖維混凝土綜合性能優(yōu)于普通混凝土，可以滿足某些特殊工程的需要，聚丙烯纖維在混凝土中以物理方式發(fā)揮作用，因此，它能夠用以任何工程場合，尤其適用于剛性防水混凝土、大體積混凝土，高強(qiáng)混凝土等，施工方法簡單，安全無害，質(zhì)量性能可靠，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益。