摻聚丙烯纖維對改善高強混凝土性能的研究

韓軼多，謝 靜

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

混凝土是目前建筑工程中應用最為廣泛的建筑材料之一，與木材、鋼材等建筑材料相比，混凝土有著十分顯著的優點。高強混凝土更是以其高抗壓強度、高抗變形能力、低孔隙率等優越性，在大跨度橋梁結構、高層建筑結構以及某些特殊結構中廣泛應用。但是，高強混凝土也存在著明顯的缺點，如韌性差、抗高溫性能差等。隨著高強混凝土越來越廣泛的應用，改善及提高高強混凝土的物理力學性能，提高其耐久性，延長其使用壽命，成為當前工程界亟需解決的問題。目前，摻聚丙烯纖維是改善高強混凝土性能的重要手段之一，研究摻聚丙烯纖維對高強混凝土性能的改善具有十分重要的現實意義。

1 聚丙烯纖維混凝土的發展

國外對聚丙烯纖維混凝土的研究較早，大概開始于20世紀60年代。最開始的時候，英國在制造某些墻板、浮體、樁殼等預制品時，將少量（摻量＜0.05%）短切的膜裂纖維摻入到混凝土中，用于提高混凝土的抗沖擊性能，效果明顯。經過短短幾年的發展，聚丙烯纖維混凝土就已經得到國際科研學者的重視，在1975年的國際材料與結構實驗室聯合會論文集《纖維增強水泥與混凝土》中，有關聚丙烯纖維混凝土的各項性能、計算方法、施工技術等均有較全面的論述[1]。1989年，墨西哥在其最大的建筑項目——墨西哥市高級購物中心的板、梁、柱等所有的混凝土結構中都摻入了纖維網，用于提高建筑物的抗地震破壞能力，取得了比較理想的效果。近年來，美國以及加拿大在混凝土工程中，廣泛使用摻入少量合成纖維的預制混凝土，用于改善混凝土制品的各種性能，其中聚丙烯單絲纖維以其化學耐腐蝕性高、價格低廉、來源較廣等特點尤為引人關注[2]。

國內對聚丙烯纖維混凝土的研究起步較晚。20世紀90年代初，廣州至佛山的高速公路部分路段試用了聚丙烯纖維混凝土，取得了比較好的效果，之后聚丙烯纖維混凝土開始在土木工程領域廣泛使用。2001年，吉林省梅河口市的渠道防滲護砌試驗工程，采用了改性聚丙烯纖維混凝土[3]。重慶世界貿易中心特大型轉換層大梁采用了聚丙烯纖維混凝土技術，解決了高強度大體積混凝土施工中提高韌性和抗裂的難題。短短十數年的時間，聚丙烯纖維混凝土在道路、水利以及橋梁工程中均取得了良好的實踐效果。采用聚丙烯纖維混凝土的工程實例在我國境內已經數以萬計，工程類型幾乎包含工業與民用建筑工程中所有用到混凝土的場合[4]。

2 聚丙烯纖維的物理性能

聚丙烯纖維是一種塑料纖維，白色、半透明狀，呈網狀或束狀單絲結構，見圖1，在混凝土中攪拌時分散成絲狀。

聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要加強筋”，其具有如下特點：性能穩定、安全無毒、分散性好、握裹力強、高耐酸堿、抗凍抗裂、施工簡易、經濟可靠。束狀單絲聚丙烯纖維的主要性能指標見表1。

圖1

表1 束狀單絲聚丙烯纖維主要性能指標

3 聚丙烯纖維對高強混凝土性能的改善及作用機理

高強混凝土性能的改善，除了要解決脆性大、易開裂和抗沖擊性能差等問題外，還對抗裂、抗滲、抗凍和抗沖耐磨性能有更高的要求。摻入適量的聚丙烯纖維，能在以下幾個方面對混凝土性能有所改善。

3.1 改善高強混凝土的脆性

在高強混凝土中合理摻入聚丙烯纖維，由于其較好的分散性，聚丙烯纖維會在混凝土內部均勻分散，形成縱橫交錯的網狀結構，有效抑制由塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的混凝土微裂縫的擴展，并延緩新裂縫的出現。材料內部連續性的增強，使沖擊波被阻斷引起的局部應力集中程度減小，這在很大程度上改善了高強混凝土的脆性[5]。

3.2 對混凝土拌和物具有增稠作用

摻入聚丙烯纖維后，混凝土拌和物中的水泥漿會包裹纖維表面，使得用于包裹粗、細集料以及自由流動的水泥漿相應減少，從而減小了拌和物的流動性能。又由于聚丙烯纖維表面積較大、表面摩擦系數較高，增大了拌和物流動時的相對摩擦力，使混凝土拌和物的黏聚性增大，增大的幅度隨纖維長度及摻量的增加而加大。黏聚性的增加會改善混凝土拌和物的離析及泌水情況，使混凝土的整體性得到改善，稠度得到提高[6]。

3.3 提高高強混凝土劈拉強度

聚丙烯纖維具有高抗拉性能，混凝土中亂向分布的纖維在試件劈裂受拉時發揮了抗拉效果，承擔了部分荷載，使得抗拉性能得到一定的提高。然而，纖維長度過短或過長，均起不到承擔荷載的作用。纖維摻入過量，會使混凝土難以均勻拌和，導致纖維在混凝土內部分散不均，引起混凝土過渡區缺陷的增加，最終會降低混凝土劈裂抗拉強度。所以，只有適當的纖維長度及摻量可以提高高強混凝土劈拉強度。

3.4 對高強混凝土抗壓強度的影響

目前，摻入纖維后高強混凝土抗壓強度的變化規律并不一致。摻入聚丙烯纖維對混凝土抗壓性能有兩方面的影響：一方面，在受壓過程中，由于摻入纖維，混凝土的橫向膨脹受到約束，推遲了破壞進程，有利于混凝土抗壓強度的提高；另一方面，摻入纖維減小了混凝土受壓面積，當摻量較低時，抗壓強度變化不大，而當纖維摻量增大、有效受壓面積減小到一定程度時，其抗壓強度會顯著降低。在這兩種因素的作用下，利于抗壓性能的作用大于不利作用，就會使纖維混凝土抗壓強度提高，否則，抗壓強度降低。

3.5 緩解高強混凝土的高溫爆裂情況

高強混凝土受高溫后內部產生大量水蒸氣，由于高強混凝土具有較強的密實性，水蒸氣無法快速逸出，內部蒸氣壓急劇升高，容易發生爆裂現象。混凝土從其結構表面剝落或分離成若干碎塊，暴露的鋼筋快速軟化屈服，造成突然猛烈的脆性破壞。而摻入了聚丙烯纖維的高強混凝土在遇到高溫作用的時候，由于聚丙烯纖維熔點為160～180℃，內部均勻分散的聚丙烯纖維會很快汽化，在混凝土中留下孔道，為高溫汽化的水分提供逸出的通道，抑制混凝土內部蒸氣壓的增加，從而緩解了高強混凝土的爆裂情況。

3.6 聚丙烯纖維對高強混凝土抗滲性能的影響

吳剛、李希龍等人通過試驗得出結論：聚丙烯纖維可以改善混凝土的抗滲性能[7]。混凝土摻入適量聚丙烯纖維后，抑制了早期干縮裂縫的產生和發展，從而提高了混凝土的密實性，使混凝土抗滲能力大幅度提高。抗滲性能的提高能增強混凝土的抗腐蝕性、抗碳化性以及抗凍能力等，直接或者間接地影響混凝土的使用壽命，是混凝土耐久性的一個重要指標，提高了抗滲性能即是改善了混凝土的耐久性能。

4 結束語

綜上所述，合理直徑及長度的聚丙烯纖維，在適當的摻量下，可以改善高強混凝土的脆性，對混凝土拌和物具有增稠作用，并可提高高強混凝土的劈拉強度、抗壓強度、防爆裂性能以及抗滲性能。施工實踐證明，摻加聚丙烯纖維已成為改善高強混凝土性能最為廣泛使用的方法之一。隨著我國高強高性能混凝土的應用，對高強混凝土的性能要求也越來越高，高強度與高性能的結合，必將是未來混凝土發展的趨勢與方向，聚丙烯纖維混凝土將具有廣闊的應用前景。

[1]李果，戴靠山，袁迎曙.鋼筋混凝土耐久性試驗方法研究[J].淮海工學院學報，2002，11（3）:56-59.

[2]單風枝.聚丙烯纖維混凝土的力學性能及其在橋面鋪裝中的應用研究[D].西南交通大學,2005.

[3]李果,戴靠山,袁迎曙.鋼筋混凝土耐久性試驗方法研究[J].淮海工學院學報,2002,11(3):56-59.

[4]冉千平等.聚狡酸類高效減水劑現狀及研究方向[J].化學建材，2001.

[5]馬一平,談慕華.聚丙烯纖維水泥基復合材料物理力學性能研究（I）——抗塑性干縮開裂性能[J].建筑材料學報，2000（1）.

[6]C.D.Lawrence.Sulphate Attack Arising from Delayed Ettringite Form-ation.Interim Technical.A.Khajuria{K.Bohra}P.Balaguru.Long-Term Durability of Synthetic Fibersic Concrete.American Concrete Tnstitute.1999.

[7]吳剛，李希龍，史麗華，王軍.聚丙烯纖維混凝土抗滲性能的研究.混凝土，2010（7），95-101.