聚丙烯纖維在廈門某工程地下室混凝土中的應用及其作用分析

任敬華

（廈門海投建設監理咨詢有限公司,福建 廈門 361000）

混凝土結構構件中的裂縫是現代混凝土建筑工程中較為普遍存在的問題。雖然經過工程界半個多世紀的分析研究并采用多種多樣的控制措施，但由于其成因的復雜多變性，故至今很難找到一個很好的辦法來徹底解決乃至消除混凝土中的裂縫（嚴格地講應為可見裂縫）。只能從更準確的地質勘探，合理的混凝土結構設計，合理配制由精心選擇的各種混凝土組份的混凝土混合料，采用最優的施工方案，并在上述各階段工作中不斷的采用新材料新工藝，最大限度的減少混凝土中裂縫出現的可能性及縮小可見裂縫的尺度。近年來逐漸普及的復合材料技術在一定程度上克服了這個問題。即在混凝土/砂漿中適當地引入高抗拉強度、高彈性的材料，和水泥、砂、石等材料有機復合，可以最大限度發揮出各組分材料獨自特性同時賦予整體以單組分材料所不具備的優良特性。聚丙烯纖維增強混凝土/砂漿即屬于其中一種增強系統，可賦予混凝土/砂漿更好的性能。

抗裂聚丙烯纖維的主要性能為：抗裂、抗滲防水、抗沖擊、抗震、耐磨、抗凍融循環破壞、增強耐久性、抑制收縮、降低徐變。

本文就在混凝土中摻加聚丙烯抗裂纖維的工程實例來談一下本人的一點體會。

1 工程概況

廈門某工程為10棟19-34層的高層住宅小區，其中9棟樓共用同一個地下室。地下室一層建筑面積1.7萬多m2，形狀為啞鈴型。其中后澆帶設置4條，地下室底板厚度為0.4m，混凝土設計強度等級C30S8，由于地下室較長且面積較大，為增加混凝土的抗裂性，克服地下室底板因混凝土澆筑長度較長、體積較大所引起的收縮變形和溫度變形而可能產生的裂縫問題，設計考慮有必要增強混凝土的剛性自防水體系。經反復比較了目前應用得最多的地下室底板防裂防滲的處理方法：如微膨脹防水混凝土、聚丙烯抗裂纖維混凝土及在混凝土中加設鋼網的方案，最后選用了在C30 S8混凝土摻加聚丙烯微細纖維的方案，摻量為0.7公斤/m3，使用部位全底板、側壁、頂板。

2 本工程對聚丙烯纖維材料要求和施工要求

2.1 材料要求

絲狀細纖維，中性、耐酸堿；長度15mm；熔點 160～170℃；拉伸強度不低于200MPa，彈性模量不低于3000Mpa；抗老化性能良好；聚丙烯纖維混凝土應有較高的極限拉伸應變值；在混凝土攪拌時有良好的分散度；聚丙烯纖維混凝土配合比：①可按常規混凝土配合比確定水膠比、膠凝材料、骨料和其他外加劑；②由于聚丙烯纖維對水有吸附性，減少泌水，聚丙烯纖維混凝土比常規混凝土在同樣條件下會減少塌落度；③適當考慮塌落度的損失，適當添加外加劑用量，或保持水灰比不變，同時加水和水泥。

2.2 施工要求

聚丙烯纖維混凝土施工要點：①混凝土所用材料應符合有關規范和技術標準要求；②施工前應進行試拌聚丙烯纖維混凝土，以確定攪拌方法、攪拌時間（比常規混凝土要長一點）、塌落度；③檢查聚丙烯纖維在混凝土中的分散性，肉眼觀察；

聚丙烯纖維混凝土質量控制：①按照攪拌機容量和設計聚丙烯纖維用量，由纖維廠家用可溶性包裝袋定量包裝，每包0.7kg；②根據攪拌機特性，要求比照常規混凝土適當延長攪拌時間；③盡量縮短入倉時間，控制塌落度損失，做好平倉、振搗工作；④認真及時作好收面和后期養護工作；⑤其他質量控制要求應符合常規混凝土要求。

3 根據本工程使用聚丙烯抗裂纖維經驗，本人對抗裂纖維有以下認識

要提高混凝土的抗裂能力，可適當增配構造鋼筋，但這種方法只是對抵抗由于外荷載應力、不均勻沉降等引起的裂縫有效，但此種方法會明顯增加造價，如果對于溫度、收縮和膨脹等因素引起的裂縫，尤其是塑性收縮裂縫，若采用上述方法，顯然經濟效益不明顯，而采用聚丙烯抗裂纖維可彌補這方面的不足。

3.1 聚丙烯纖維的作用機理

混凝土裂縫產生的原因及開裂形式：在工程實踐中，混凝土/砂漿的開裂是一個常見而難以控制的問題，開裂的原因是收縮，產生收縮的原因有以下幾種：

化學收縮，水泥水化物的體積小于參與化學反應的水泥和水的體積之和。

干燥收縮，水泥膠凝質點間存在分子引力，水分的蒸發將導致體積的收縮

碳化收縮，水泥水化物中Ca(OH)2結晶體溶解并與空氣中的CO2反應生成CaCO3沉淀。碳化收縮的過程相當緩慢，甚至在幾十年后還會收縮。

溫差收縮，水泥水化產生的熱量和環境的溫度變化，都回引起混凝土的熱脹冷縮。

以上四種原因產生的收縮中，以干燥收縮為主，其收縮量占總和的80%以上。干燥收縮是開裂的主要原因。混凝土/砂漿本身隨著水泥水化的深入其強度不斷增長，具有抵抗收縮的能力，但是干燥收縮的過程集中發生在基體的成型初期，此時基體強度較低，裂紋往往在此時產生，基體還處于塑性狀態的時候所出現的干縮裂紋叫做“塑性收縮裂紋”，這是工程中最常見的開裂形式，因此提高混凝土/砂漿在塑性狀態時的抗開裂能力是避免基體開裂的最佳時機及最有效的切入點。

聚丙烯纖維對混凝土的增強原理就是在混凝土中摻入適量的微纖維，在混凝土攪拌過程中微纖維均勻地擴散到混凝土中，由于微纖維與混凝土有極強的結合力和抗拉強度，每立方米混凝土中含有數千萬條的高抗拉強度的微纖維，從而產生了全方位的加強效果，削弱了混凝土的收縮應力，可以極為有效地控制混凝土塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的微裂紋，防止及抑制裂縫的形成及發展，大大改善混凝土的抗滲性能、抗沖擊及抗震能力。

聚丙烯纖維在控制混凝土的塑性收縮裂縫上的主要作用為：阻滯塑性收縮裂縫的產生和限制裂縫的發展。混凝土的塑性開裂主要發生在混凝土硬化之前，特別是在混凝土澆注后4～5小時之內，此階段由于水分的蒸發和轉移，混凝土內部的抗拉應變能力低于塑性收縮產生的應變，因而引起混凝土內部塑性裂縫的產生。而摻入了聚丙烯纖維后，由于聚丙烯纖維分布均勻，起到類似篩網的作用，減緩了由于水泥漿的快速失水所產生的裂縫，延緩了第一條塑性收縮裂縫出現的時間。而當裂縫出現后，聚丙烯纖維的存在又使得裂縫尖端的發展受到限制，裂縫只能繞過纖維或把纖維拉斷來繼續發展，這就需要消耗巨大的能量來克服纖維對裂縫發展的限制作用。而在普通混凝土中裂縫的尖端沒有受到這樣的限制作用，可自由發展，這就使得普通混凝土中的裂縫比加入纖維的混凝土中的裂縫要寬、要長。

3.2 聚丙烯纖維混凝土適用范圍

大面積的板式結構，如堆石壩面板、船閘底板和側墻、護坦、消力池及其它直接澆筑在基巖面上的底板、路面、大型停車場地坪；防滲建筑物，如水電站廠房下層、地下室墻板、水池（供水池、游泳池、污水池）、糧食儲倉外墻；有抗沖磨要求的建筑物，如水電站高速水流的溢流面、重載車流的路面和橋面抗磨層、機場跑道、港口碼大幅頭作業區；要求混凝土抗凍融性能高的場合；噴射混凝土適用的場合；其他有抗滲防裂、抗沖擊、抗磨損、抗凍融的場合。

因為聚丙烯纖維可以大大增強混凝土的抗裂、抗滲能力，作為混凝土剛體自防水材料的效果顯著，可以有效地解決混凝土滲裂問題的困擾。聚丙烯纖維加高效減水劑的混凝土自防水方案，目前已為國內外眾多防水專家所肯定，是防水效果較為可靠、施工最為便易、機理較完整的防水方案，已廣泛應用于地下室工程、屋面、貯水池、腐化池等工程中。

4 結束語

本工程地下室施工時間為2007年3月-2007年5月，竣工驗收時間為2009年9月，地下室經過2年半的時間，沉降基本穩定后整個大面積的底板、側墻、頂板裂縫得到較好控制，但在應力集中的地方依然出現明顯的裂縫，個別裂縫為貫通的裂縫。本人認為在面積較大或者后澆帶設置距離較大時，在混凝土中摻加抗裂聚丙烯纖維能夠有效減少細微裂縫的產生和發展，起到良好的防水效果，但在應力集中處其作用微乎其微，因此建議在應力相對集中，容易產生裂縫處設計部門應采取可行的技術方案。

在這里，還需要提及的是，雖然在混凝土中摻加聚丙烯纖維能起到很好的防裂抗裂作用，但是在現澆混凝土澆筑以后，適時濕養護還是非常重要的。根據甘昌成在其文章《論商品混凝土的濕養護》中提及的對混凝土應進行“完美濕養護“的觀點，如果混凝土在澆筑以后，施工人員如不能對其進行適時的充分的濕養護，混凝土表面就可能在較短的時間內大量失水（其失水的快慢及數量與施工外界溫度、風速有關），從而使失水毛細管中液面下降產生負壓、產生收縮力。如果此時摻加抗裂纖維的混凝土的抗拉強度低于這種應力時，混凝土自然還是要開裂的。故混凝土在澆筑后適時的保水濕養護是非常重要，且是不可疏忽的重要環節。

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[2]霍金榮,龔愛民.大體積混凝土裂縫產生原因及防裂措施綜述[J].水利科技譯文集.2005，1.

[3]甘昌成.論商品混凝土的濕養護[J].商品混凝土.2006,3.