聚丙烯纖維混凝土及其應用

惠彥章 韓清春

混凝土或砂漿的纖維增強原理在很早以前就得到廣泛應用，尤其是在房屋的建造方面。隨著近代科學理論和應用技術的發展，各種人工合成材料的出現特別是那些力學性能優良又適合大量生產的纖維材料給建筑施工帶來了不少的變化。像用于加固的碳纖維、用于混凝土抗裂的杜拉纖維等等。作為添加材料摻入混凝土的纖維材料使混凝土的力學性能得到進一步的提高。

1 纖維產品所面臨的環境的要求

1)高耐堿性。混凝土內部是堿性的，纖維產品必須有足夠的抗堿能力去應對堿性集料和水泥堿性水化物的侵襲。2)自分散性。纖維混凝土的纖維只有均勻的分布在水泥基體中才能發揮應有的作用。因此纖維產品應有很好的自分散性，不能結團成束否則纖維混凝土的力學性能就會打折扣。3)安全無害。纖維混凝土中所摻加的纖維必須對人體無害。這就是說纖維的安全性能也是必須要考慮的。由于施工場地條件的限制，纖維很容易被工人吸入體內，劇毒或是強致癌物質應當被禁用。4)規模化生產。能夠使用于實際工程的纖維混凝土，所摻加的纖維必須是高度商品化的產品。要求纖維規模化生產，并非是純粹的材料技術問題，更多的其實是強調纖維的批次穩定性，及不同時間得到的纖維產品性能必須完全相同。從生產組織的角度來說，還要強調纖維產品供應渠道的穩定性，保證所用纖維能夠及時到達工地與施工現場。5)抗拉強度。纖維在混凝土中要發揮作用，必須具有比較高的抗拉強度。與水泥基體的抗拉強度相比，至少要高出兩個數量級。6)變形能力。纖維應具有較高的變形能力，即其受拉時的極限伸長率與水泥基體的極限伸長率相比，至少要高出一個數量級，只有這樣的纖維加入混凝土中才有利于復合體韌性與抗沖擊能力的提高。7)粘結強度。纖維與水泥基體之間的粘結強度主要取決于纖維本身材質的特點，還受到纖維表面形狀和粗糙程度的影響。8)彈性模量。纖維與水泥基體的彈性模量相比，其比值越高則受荷時纖維所分擔的應力就越大，纖維的作用也就越加明顯。9)價格合理。與任何建筑材料一樣，對纖維混凝土中摻加的纖維也需要進行性價分析。必須采用技術經濟的分析方法和手段，以不同纖維產品之間的性能價格比進行比較，不能僅僅盯住以重量為單位的單價。

2 杜拉纖維的性能

在纖維混凝土中用于抗裂的杜拉纖維學名聚丙烯纖維。聚丙烯是一種結構規整結晶性聚合物，乳白色、無味、無臭、無毒、質輕，是熱塑性塑料。聚丙烯材料是一種非極性聚合物，有良好的電絕緣性能，有較好的化學穩定性。聚丙烯幾乎不吸水，與大多數化學品如酸堿有機溶劑接觸不發生作用。聚丙烯材料物理力學性能良好，抗張拉強度 3.3×107Pa～4.14×107Pa，抗壓強度

4.14 ×107Pa～5.51×107Pa，伸長200%～700%，洛氏硬度R85～R 110，因此有良好的加工性能。早期纖維混凝土所摻用的丙綸短絲產品，大多是由聚丙烯薄膜經高倍拉伸后，再經針輥穿刺而制成的束狀合成纖維，習慣上稱為“聚丙烯膜裂纖維”。杜拉纖維不是以膜裂方式生產的，它是直接拉絲制成的聚丙烯單絲纖維的束狀集合體，每一束中有許多根纖維單絲，在投入攪拌時自動分散開來。為了增加纖維與混凝土的表面結合力以及纖維單絲之間的互斥力，杜拉纖維在生產過程中經過了特殊的表面處理。杜拉纖維與砂漿或混凝土中水泥水化物之間的粘結，以及杜拉纖維在砂漿或混凝土當中自由分散的性質，是至關重要的兩個技術特點，也是杜拉纖維在世界各國建筑行業中成功應用的關鍵所在。

3 杜拉纖維的應用

3.1 杜拉纖維在抗滲防水方面的應用

杜拉纖維在提高混凝土的抗滲性能方向上起了很大的作用。水灰比是影響水泥抗滲性能的決定性因素。增大水灰比，混凝土的密實度降低，相對滲透系數就顯著增大。混凝土的滲透系數比水泥石的滲透系數大 100倍以上。這是由于在集料和水泥石的界面處存在裂縫以及在集料下方形成的孔穴等原因構成了水的通道造成的。在水灰比相同時，粗集料的粒徑越大混凝土的滲透性就越大。養護方法對混凝土的滲透性也有影響。

3.2 杜拉纖維可以提高混凝土的耐久性

混凝土結構的耐久性是指結構對氣候作用、化學侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。耐久的混凝土結構當暴露在使用環境中時，具有保持原有形狀，質量和適用性的能力，不會由于保護層碳化或裂縫寬度過大而引起鋼筋腐蝕，不會發生混凝土嚴重腐蝕而影響結構的使用壽命等破壞情況。混凝土材料的自身特性與混凝土結構的設計施工質量是決定其耐久性的內因條件。混凝土是由水泥、水、粗細骨料和某些外加劑經攪拌、澆筑振搗和養護硬化等過程形成的人工復合材料。由于環境作用，必定以某種方式施加于混凝土材料，所以相對于混凝土材料的耐久性來說是影響結構耐久性的外部因素。外界環境因素對混凝土結構的破壞，是環境因素對混凝土結構物理化學作用的結果。由于杜拉纖維優良的熱工性能、抗滲阻裂性能、耐火性能和耐磨性能使杜拉纖維混凝土的耐久性得到了保證。杜拉纖維混凝土拌合物的制備非常簡便。杜拉纖維本身具有非常穩定的物理和化學性質，不會和混凝土中的骨料、外加劑、摻合料和水泥發生反應，對攪拌設備也沒有特殊的要求。無論是在混凝土攪拌站還是在現場施工都非常方便，養護也沒有額外的要求，對施工環境有很好的適應。

3.3 杜拉纖維在泵送混凝土中的應用

泵送混凝土，即泵送商品混凝土在工程中被廣泛應用。但泵送混凝土工程出現早期裂縫有日益增加的趨勢。所謂早期裂縫，主要是指混凝土結構在尚未施加使用負荷以前就出現的裂紋。它既出現在建筑工程的地上和地下部位，也出現在橋梁結構工程中;既出現在大體積混凝土結構，也出現在斷面只有幾十厘米的梁、板結構。所有混凝土結構的破壞，都是從裂縫的擴展開始的。由此往往引起人們對裂縫的恐懼感，這是可以理解的。針對商品混凝土而言，由于泵送商品混凝土工程存在早期裂縫，甚至會導致建設單位拒絕支付商品混凝土工程款，形成不易調解的糾紛。泵送商品混凝土工程一般采用新法燒制的水泥。這種水泥比表面積大，早期水化迅速，由于水泥用量大，再加上使用保水性較好的萘系減水劑，使得采用這種水泥的商品混凝土形成水化快、水化熱發展快、拌合物保水性強、泌水性小。于是混凝土表面水分的蒸發速率大于泌水速率，但表面水分得不到補充而施工場地養護條件有限，基本沿用過去的簡單養護模式不能有效的避免裂縫的產生。杜拉纖維的加入能有效減少裂縫的產生，而對泵送混凝土的坍落度影響不大，不會對商品混凝土的泵送帶來不便。

3.4 杜拉纖維在高強混凝土的應用

鋼管混凝土柱應用在高層建筑中有明顯的實用性與優越性。為配合高強鋼板做螺旋卷管在工程中采用C 70，C 80高強混凝土，這樣可使鋼管混凝土柱的優越性得到充分發揮。但是，由于高強混凝土材料在力學性能上存在明顯的脆性，受壓時表現出較小的塑性和較大的脆性，所以設計高強混凝土時必須保證構件能有必要的延性。另一方面由于鋼管混凝土柱高強混凝土澆筑時通常采用混凝土高位拋落法，這樣澆筑的混凝土氣孔率較高，影響高強混凝土的密實度及承載力，現場雖然可利用高強混凝土不易離析、不易過振等特點，用振搗器在鋼管內加以振動，確保混凝土密實，但高強混凝土的氣孔率仍偏高，加上高強混凝土的極限應變值僅為 0.003，較普通混凝土的極限應變值小，容易產生劈裂現象，明顯影響高強混凝土的使用并對抗震不利。通過摻加聚丙烯纖維能大大提高混凝土抗裂性能和韌性，對克服高強混凝土的脆性有比較理想的作用。此外，杜拉纖維摻加在鋼管混凝土中可以明顯改善混凝土的物理性能，使混凝土的延性增強減少劈裂的產生，混凝土的抗沖擊力和抗震性能也有一定的提高。通過上述對纖維混凝土及杜拉纖維本身性能特點的了解，可見其作用效果相當明顯，但美中不足的是杜拉纖維是美國希爾兄弟公司生產的產品，質量雖然能得到保證但要在工程中普遍采用就需要大量進口，同為聚丙烯材料的國內纖維產品因表面處理相對落后，纖維的分散性及力學性能較杜拉纖維有所欠缺，希望國內纖維生產企業能夠加強自身創新能力，生產出更具特色的優質產品，推動我國建設工程的快速發展。

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[3] 張 昉，齊 靜，陳鵬柱.聚丙烯長纖維混凝土的抗彎曲韌性試驗研究[J].山西建筑，2009，35(7):179-180.