聚丙烯纤维混凝土及其有关问题探讨

水泥 2006-06-15

摘要：在混凝土中掺入适量的聚丙烯微纤维，能改善混凝土的脆性破坏特征。减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的韧性，抗冲耐磨性，还能提高混凝土的抗渗、抗冻等特性。是实现混凝土高性能化的很好途径。

关键词：聚丙烯纤维；混凝土；裂缝；耐久性

0 引言

混凝土材料被认为是耐久性最好的传统材料。随着社会需要和科学技术的发展，混凝土的高性能化逐渐成为混凝土材料发展的总趋势。一般混凝土材料均存在脆性大、易开裂和抗冲击性能差等问题，而在混凝土中掺入微纤维能改善混凝土的脆性破坏特征，减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的韧性，抗冲耐磨性，还能提高混凝土的抗渗、抗冻等特征。纤维混凝土中发展最为迅速的是钢纤维混凝土，但钢纤维的造价较高，施工中使钢纤维均匀分布在混凝土中会遇到一定困难。近几年来，应用化学纤维掺于混凝土以提高混凝土性能的技术，已引进工程界的关注，化学纤维中，尤以质优、价廉的聚丙烯纤维应用最为广泛，聚丙烯由于能够均匀分散在混凝土中，化学性质稳定、施工简单，在国际上已得到广泛的应用，在国内的混凝土工程中也逐渐为人们接受，而聚丙烯作为一种新型的混凝土增强纤维，已赢得了混凝土的“次要增强筋”的美称。

1 聚丙烯纤维在混凝土结构中的作用机理

无论是由于何种原因引起混凝土产生破坏。其最终均表现为出现裂缝。因此，聚丙烯纤维的阻裂机理是聚丙烯纤维在混凝土结构中作用机理的重要方面。要提高混凝土的抗裂能力，可适当增配构造钢筋，但这种方法只是对抵抗由于外荷载应力引起的裂缝有效，而对于由变形引起的裂缝，尤其是塑性收缩裂缝，单靠配构造钢筋是难以奏效的，因为，钢筋难以细密分布，而聚丙烯则可弥补这方面的不足，当在混凝土中掺人适量的聚丙烯纤维后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀而细密。

混凝土的塑性收缩一般发生在混凝土浇筑后2～ 10 h，其收缩的大小约为水泥绝对体积的1%，一是由于混凝土此时出现泌水和水分急剧蒸发，引起失水收缩；二是由于泌水和混凝土内不同颗粒的不均匀沉降，使混凝土与钢筋之间，骨粒与胶结材料之间发生不均匀沉缩变形。混凝土的表面在要材料硬化前失水收缩引起拉应力，内部的变形由于骨料和钢筋的约束也会产生拉应力，同时，混凝土的早期抗拉强度达不到混凝土收缩所产生的应力，因而出现不可恢复的塑性收缩裂缝。混凝土停止养护后，还会由于干燥失水产生干燥收缩，温度下降产生冷缩，碳化产生碳化收缩等变形，这些变形若不加以控制，超过混凝土的极限变形，混凝土就会开裂。另外，混凝土在承受载荷时，其内部也会引发许多裂缝。在现实工程中，混凝土的现实状态是有缺陷状态，混凝土结构内部存在不同尺度的微裂缝，这些微裂缝对混凝土抗折强度的影响远大于抗压强度。

在水泥混凝土中掺人聚丙烯纤维后，与未掺纤维相比，第一，由于表层材料中存在纤维，使其失水面积有所减少，水分迁移转为因难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少；第二，聚丙烯纤维在混凝土砂浆中乱向分布形成大大有助于削弱混凝土的塑性收缩，收缩的能量被分散到每立方米数千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，从而极为有效地增加了混凝土的韧性，抑制了混凝土微细裂缝的产生和发展；第三，无数纤维形成了支撑体系，有效地保证了均匀泌水，阻碍沉降裂缝的产生；第四，低弹性模量的聚丙烯纤维相对于塑性浆体成为了高弹性模量的材料，依靠纤维材料与水泥浆之间的界面吸附加粘结力，机械齿合力等，增加了材料抵抗开裂的塑性抗拉强度，从而使失水收缩产生的应力小于材料塑性抗拉强度，材料表面的开裂状况得以减轻，甚至消失；第五，聚丙烯纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，由收缩变形引起的微裂缝在产生的过程中，必然遭遇纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展；第六，当裂缝出现后，聚丙烯纤维使裂缝尖端的发展受到限制，裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断来继续发展，这就需要消耗巨大的能量来克服纤维对裂缝发展的限制作用。聚丙烯纤维相当于提高了混凝土的抗拉强度，同时钝化了原生裂缝尖端的应力集中；第七，聚丙烯纤维在混凝土结构形成的过程中，能减少混凝土内部存在的不同尺寸的微裂缝，并使裂缝的尺度变小。

2 聚丙烯纤维混凝土的性能

聚丙烯混凝土最重要的特征是其优异的耐久性。与单一强度指标相比，耐久性则是个非常复杂的问题，它涉及的内容和影响因素很多。聚丙烯混凝土的高耐久性可以减少结构的维修与翻新，从而达到节约资源、节约材料、节约人工的目的，具体表现如下。

2．1 聚丙烯纤维混凝土具有更良好的抗裂性能

同常用的钢纤维相比，聚丙烯纤维的特点是细度高（当量直径0．02～0．O1 mm），数量多（常用的0．9 kg／m³的掺量充分分散可获得700～3000万根纤维单丝。这些特点使聚丙烯纤维能有效限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂缝的发生和发展，减少原生裂隙的数量和尺度，从源头上阻止混凝土的破坏或是性能劣化。试验表明，同普通混凝土相比，体积掺量0．05%的美国杜拉纤维混凝土的抗裂能力提高了近70% 。

2．2 聚丙烯纤维混凝土具有更良好的抗渗性能

在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维后，能有效抑制?昆凝土贯通裂缝的产生；另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的、乱向分布的大量聚丙烯微纤维对混凝土中的骨料起到了“承托”的作用，降低了混凝土表面的泌水与集料的离析，从而使混凝土抗渗性能成反相关关系的50～100 nm和>100 nm的有害孔隙的含量大大降低。试验表明，纤维含量为0．5kg／m³，O．7kg／m³和1．0 kg／m³ 的聚丙烯纤维混凝土抗渗能力分别比素混凝土提高64%，73%和75% 。

2．3 聚丙烯纤维混凝土具有更良好的抗冻性能

在混凝土中加入聚丙烯纤维，均匀细密的乱向支撑纤维丝可以缓解混凝土冻融时因温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展。按混凝土抗冻试验法，经过25次反复冻融，聚丙烯混凝土试件无分层与龟裂等现象产生，表明在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维可作为一种有效的混凝土温差补偿抗裂手段。

2．4 聚丙烯纤维混凝土具有更良好的抗冲击性能

聚丙烯纤维在混凝土内部构成均匀的乱向支撑体系有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。聚丙烯纤维刚度较低，传递荷载的能力差，能有效减少裂隙尺度，增强材料介质连续性，减少了冲击波被阻断引起的局部应力集中现象，同时，聚丙烯纤维还有效约束裂缝的扩展。试验表明，较低掺量的聚丙烯纤维对混凝土的静态抗压强度无显著影响，但能有效提高混凝土的抗冲击性能；如果以混凝土的冲击韧性w 为指标进行评价，掺人O．1%～O．2%的聚丙烯纤维能使混凝土的抗击能力提高5倍以上；如果以初裂后的△W 为指标进行评价，聚丙烯纤维体积率为0．1%和0．2%时，能使混凝土的裂后抗冲击能力分别提高2．62倍和3.83倍（注：冲击韧性w 和△w，是指试件破坏过程吸收的全部冲击能量和初裂后能够继续吸收的冲击能量）。

2．5 聚丙烯纤维混凝土具有更良好的抗疲劳特性

材料的疲劳破坏过程实际上是内部裂纹引起、扩展、回复、再引发的过程，也是结构损伤逐渐积累的过程。聚丙烯纤维使混凝土结构内的原生裂纹的尺度得以细化，从而使混凝土的疲劳寿命因此得以延长。同时，数量众多的聚丙烯纤维的荷载传递效应还有助于匀化混凝土结构内的应力场，使材料损伤能在介质内扩散。聚丙烯纤维在混凝土中体积掺率在0．05%≤ v_r≤0．1%范围时，其静力弹性模量低于普通混凝土，但其疲劳变形模量则随着掺率增大而增大，对动力荷载作用下的结构，聚丙烯纤维能发挥更大的效果，试验证明，聚丙烯纤维具有优良的弯曲疲劳性能，尤其在高应力比下，与普通混凝土相比，疲劳寿命可以成倍增长。

2．6 聚丙烯混凝土纤维具有更良好的耐磨性

在混凝土中掺加聚丙烯纤维可以显著提高混凝土的耐磨性能，因为聚丙烯纤维以每立方米数千万条的数量掺入到混凝土中，其互相搭接、牵连，在混凝土内部构成均匀的乱向支撑体系，阻碍了由于冲击或磨损发生的裂缝发展，纤维也牵制了混凝土碎块从基体中剥落，使混凝土碎块从基体中剥落需要消耗更多的能量，从而提高了混凝土的耐磨性能。当混凝土中掺加纤维0．6～1．2 kg／m³时，混凝土的耐磨性能可以提高24%-45%。

2．7 聚丙烯纤维混凝土的脆性得到改善

由于聚丙烯纤维混凝土的抗压强度没有提高反而有所降低，而抗折强度则有所提高，相应其脆性系数有所降低，脆性系数可降低到4以下。而且，随着纤维体积率的增加，混凝土的脆性降低得越多，表明掺聚丙烯纤维可以提高混凝土的韧性，从而弥补混凝土脆性大的不足。

3 施工要点

聚丙烯纤维掺入混凝土中，除了不适宜采用人工搅拌外，对搅拌及施工工艺无特别要求，只要适当保证搅拌时间即可。搅拌时间以纤维能在混凝土中均匀分布为度，一般为3～5 mm，搅拌时，先将砂、石、水泥与水在搅拌机内均匀拌合后，再加入纤维，亦可先将纤维与砂、石、水泥干拌后，再加水湿拌，整个搅拌时间较拌制普通混凝土适当延长1～2 min。为改善拌合物的和易性，可掺加适量的引气剂、减水剂或高效减水剂，也可掺掺量不超过10%的粉煤灰。

若混凝土由搅拌站运至工地，时问不超过30min，可在搅拌站内预先将纤维加入到混凝土里；否则，聚丙烯纤维宜在混凝土运到工地后再加入。

4 结语

在混凝土中加入聚丙烯纤维能使混凝土品质得以改善，在实际运用中较经济、易施工，适用性广泛，使用效果显著，是实现混凝土材料高性能化的一条可行途径。

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