聚丙烯纖維水泥基材料的研究新進展

張 權 段仲沅（南華大學城市建設學院，湖南 衡陽421001）

聚丙烯工程纖維是一種應用于建設工程的人工合成纖維。 1984 年，美國軍方為解決基地受軍事打擊的混凝土抗碎問題，與合成工業公司混凝土專家合作，成功研制出世界上第一種混凝土聚丙烯纖維（FIBERMESH）。發展至今，FIBERMESH 以良好的工程性能和低廉的價格，已經成為建筑、道橋、給排水、港口及巖土工程中日益重要的一種摻合料。聚丙烯纖維分為纖維絲和纖維網兩種，作為一種柔性纖維應用于現代工程的20 多年間，其工程性能良好，沒有發生重大事故。其與傳統的鋼纖維相比，攪拌和泵送不需要特殊機械，而且工程性能相近，造價更低，具有廣闊的應用前景。

聚丙烯是一種強度較高，彈性模量較低的柔性纖維。在混凝土中加入聚丙烯纖維可以有效的增加其使用壽命，而且可以彌補混凝土發生脆性破壞。它可以提高混凝土抗拉、抗折強度，聚丙烯的韌性可以降低混凝土形成初期的干縮而產生的裂縫。在道路工程中加入聚丙烯纖維的路面比一般路面耐磨。在防水及地下工程中，聚丙烯因有效減少混凝土的裂縫而有效防滲。其實，在剛性混凝土中加入柔性的聚丙烯纖維能整體提高混凝土工程綜合性能，實現混凝土的“剛柔并濟”。

1 聚丙烯纖維材料性能

聚丙烯（俗稱丙綸）作為結晶聚合物的一種，為典型的主體規整結構，分子量為10-15 萬。比重：0.9-0.91，成型收縮率：1.0%-2.5%，成型溫度：160-220℃，其生產工藝相對簡單，投資少，效率高。生產過程一般要經過噴絲和機械拉伸兩個過程，其纖維分子鏈是沿著纖維軸心線方向優先分布的，故能在軸心方向上承受很大的拉應力。

成型的聚丙烯纖維長度一般為12-51mm，直徑一般在6000-26000 丹尼爾之間，1Kg 細纖維首尾相連總長度可以繞地球十幾圈，說明了其具有很大的長徑比，使其與水泥基具有化學和機械粘接力，這種粘結力決定了纖維混凝土性能的好壞，增加其粘結力的方法有增加長徑比和提高纖維表面粗糙度，使纖維不會被輕易的從水泥基中拔出[1]。

聚丙烯纖維抗堿和無機酸性能良好，憎水，在最大濕度下強度沒有降低，熔點為160-170℃，燃點為580℃，雖然熔點比較高，但是耐火性能不好。受陽光和氧氣影響容易老化。彈性模量為3500MPa 左右。其實在混凝土中的聚丙烯纖維受大氣環境影響非常小，通過酸或堿溶液處理后的纖維可以有效的增加聚丙烯纖維表面粗糙程度及親水性，實驗表明未處理、1M NAOH處理、1M HCL 處理的水和纖維的接觸角（前進角）分別為115.2。、82.2。、78.1。[2]。說明通過酸堿處理的聚丙烯纖維在沒有改變本身性能的情況下能與水泥基擁有更好的粘結力，低溫等離子體處理聚丙烯纖維可以明顯改善其吸濕性，通過DBD等離子改性手段得到的樣本不僅有很大的比表面能，而且生成了親水性基團（-COOH）[3]。即使未通過特殊處理，聚丙烯纖維混凝土的工作性能也很樂觀。

2 聚丙烯纖維水泥基材料的基本力學性能

現代混凝土及砂漿作為一種以水泥基作為粘結膠的凝膠材料，水泥基硬化期間硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等堿骨料與水反應成C-S-H及C3AH6（有石膏下AFt 或AFm）。期間水化反應放出大量的熱量，生成凝膠材料后體積縮小，由于混凝土和砂漿水化初期并沒有很高抗拉強度，在溫度變化及外部約束條件下使混凝土內部容易被拉裂，而無法徹底消除的微小裂縫的產生，在大體積的混凝土工程中的重視程度往往決定了工程的好壞。在混凝土形成后期由于變形及溫度引起的裂縫也決定了其耐久性和力學性能。聚丙烯纖維的加入可以在材料水化時提供有效的抗拉強度，使內部塑性裂縫不能延伸。據大量的研究及工程應用表明，加入0.9Kg/m3聚丙烯纖維的砂漿的早期裂縫完全消失。

在后期工作期間，由于水泥復合材料（梁、地下內混凝土墻、抹面砂漿等）抗拉強度只有抗壓強度1/10 左右，其破壞往往是受拉區因為抗拉強度不足而引起的。聚丙烯纖維（直徑0.02-0.1mm）細度要比鋼纖維大很多，在一般摻量的情況下，聚丙烯纖維根數可以達到每公斤水泥基材料上千萬根，研究證明聚丙烯纖維抗裂能力與纖維本身強度、彈性模量并無直接關系，但其隨著纖維的細度增大、間隙的減少和不定向分布增大而增大[4]。

3 聚丙烯纖維水泥基材料的研究進展

3.1 抗壓抗拉性能研究

湯寄予，齊新華等人[5]對高性能混凝土做抗壓強度研究表明：在高強混凝土中摻入0.6Kg/m3-1.0Kg/m3（工程常用摻量）聚丙烯纖維對抗壓強度影響不大，基本可取高強混凝土相同值。張慧莉， 田堪良[6]試驗研究表明：聚丙烯纖維摻量的增加降低了礦渣混凝土（礦渣摻量75%）的抗壓強度和彈性模量，但增加其泊松比。當礦渣摻量不超55%，摻入0.6%聚丙烯纖維混凝土抗壓強度不減反增。聚羧酸系超塑化劑、礦渣、聚丙烯纖維同時摻入混凝土中會改善其抗脆性，提高其抗壓性能。

黃功學，趙軍等[7]試驗研究表明：摻入聚丙烯纖維混凝土比一般混凝土的抗壓性能提高15%左右，抗彎韌性、劈拉韌性則又較大幅度提高。王曉飛，丁一寧[8]采用環氧粘貼法對聚丙烯粗纖維（直徑0.8mm）混凝土作軸心抗拉試驗，研究表明：摻量為9Kg/m3的聚丙烯粗纖維混凝土與素混凝土相比抗拉強度提高了43%，抗拉強度曲線峰值應變提高了41%。

聚丙烯的摻入對混凝土而言，抗壓強度變化不明顯，但抗拉強度明顯提高，由于聚丙烯纖維猶如鋼索一樣，是一種典型的“只拉不壓”的柔韌性材料，故其對混凝土的抗壓性能貢獻并不很明顯，但是能明顯改善其抗拉性能和韌性。

3.2 抗疲勞性能研究

在結構構件加入聚丙烯纖維可以提高韌性，這與纖維本身韌性有密切關系。胡金生，周早生，唐德高等人[9]采用改進SHPB 裝置對分離式Hopkinson 壓桿進行了沖擊壓縮試驗，結果表明，在高應變率沖擊壓縮荷載條件下，聚丙烯纖維混凝土與素混凝土抗壓強度相同，但前者韌性明顯好于后者。

楊啟斌，羅素蓉[10]采用Instron 電液伺服式疲勞試驗機對室內小梁進行彎拉疲勞試驗，在循環荷載下把摻入聚丙烯纖維與未摻入聚丙烯纖維高強混凝土的疲勞性能作對比分析。研究表明摻入纖維的高強混凝土的抗疲勞性能顯著增強。

張偉[11]對改性聚丙烯纖維混凝土抗疲勞試驗研究，與一般混凝土相比，其劈裂強度、抗折強度和彎曲疲勞性能有顯著提高。在不同的纖維摻量下考慮試件強度和疲勞性能試驗結果，決定纖維的最優摻量為0.10%（體積分數）。

分析其原因，可能與聚丙烯纖維本身韌性有關，可以吸收沖擊荷載所產生的能量，較大彈性模量的纖維的抗疲勞能力會更加顯著。

3.3 抗裂性能研究

邊坡加固中，在砂漿中摻入一定配比的聚丙烯纖維，可以提高錨固段與圍巖的粘結力，劉潤，閆澍旺，羅強等人[12]采用彈塑性有限元方法模擬錨索的工作過程，研究表明這種纖維砂漿能夠改善錨固段的受力變形特征，增強砂漿的抗裂性，提高錨索的錨固能力。

楊世聰，王福敏[13]在《纖維混凝土技術規程》及《混凝土結構耐久性設計施工指南》規定下，對不同纖維砂漿做了早期抗裂試驗，研究表明：在水泥：砂：水：纖維配合比為1：1.5：0.5：0.6的條件下得出第一條名義裂縫面積降低率為68.30%，說明摻0.6Kg/m3聚丙烯纖維延緩了水泥砂漿的開裂時間和最大裂縫寬度。

付春松[14]作聚丙烯纖維現澆混凝土樓板在非荷載裂縫影響試驗，研究表明：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，樓板的抗裂效果顯著增強，摻量為0.6Kg/m3的現澆樓板抗裂性能效果明顯，當摻量到達1.0 Kg/m3時已經非常顯著。合理摻量（細纖維）在0.6Kg/m3-1.2Kg/m3之間，若摻量過多纖維不能有效分散，從而對工程造成不利影響。

3.4 抗滲性能研究

混凝土的抗滲防水性能很大程度上取決于材料的自密實度和裂縫（尤其與外在連通裂縫），摻入聚丙烯可以明顯減少裂縫產生，提高抗滲防水效果。

尹明干[15]通過試驗研究表明；在聚丙烯纖維摻量在1.0Kg/m3之下時，隨著摻量的增加，砂漿滲透系數降低，抗滲性能越好，當摻量超過1.0Kg/m3時，纖維可能含量過多引起打結分散不良的現象，對水泥砂漿抗滲性提高甚微，合理的摻量為1.0Kg/m3。

向陽開，藍祥雨[16]為了進一步研究聚丙烯纖維隧道防水襯砌材料抗滲性能，通過斷裂力學原理和細觀結構的力學分析，推導出混凝土內部裂縫處纖維應力強度因子及與水泥基之間閉合力，給出聚丙烯增強混凝土抗滲性機理。結合試驗證明聚丙烯纖維混凝土抗滲性能優于微膨脹混凝土，采用雙摻（0.9Kg/m3聚丙烯纖維和10%UEA-H）混凝土抗滲性能最佳。

3.5 耐久性能研究

王彤，魯純，王先偉[17]對聚丙烯纖維混凝土路面做了室內耐久性實驗研究，據不同纖維體積摻量對路面抗裂性及抗凍性分析，表明當纖維體積摻量到1.8%時基本沒有質量損失，經過100次凍融循環后抗折強度和抗壓強度的損失率分別為0.38%和0.57%，其損失率低于一般混凝土路面的標準。如果在長期凍融循環情況下，聚丙烯混凝土路面的耐久性要明顯好于一般路面。

寇曉峰，徐勝[18]針對嚴寒地區橋面鋪設要求，對不同摻量聚丙烯纖維混凝土做凍融循環和凍融-氯鹽共同作用下耐久性研究，研究結果表明：0.5 Kg/m3-1.0Kg/m3低摻量聚丙烯纖維橋面鋪裝混凝土可很大程度上提高抗凍、抗裂性能，并且不需要特殊攪拌裝置。

由于聚丙烯纖維應用到工程領域比較晚，對其耐久性研究需要進一步研究。水泥基材料耐久性是工程界非常重要的研究課題，其直接決定了工程有效的“續航”能力。影響水泥基耐久性的材料因數有：碳化、氯離子腐蝕、循環凍融破壞、堿骨料反應、鋼筋銹蝕。在水泥基材料摻入聚丙烯纖維改變了材料微觀結構，減少了內部裂縫，增加了材料的密實性及韌性，從而改善了其耐久性。

4 結論及展望

1)聚丙烯纖維熔點和燃點都不高，摻入聚丙烯纖維可以改善混凝土的耐火性能，尤其是高性能混凝土，國內做耐火性實驗比較少，應加以關注。

2)聚丙烯纖維與水泥基粘結能力差，這與纖維表面光滑和親水性差有關，如何提高纖維的抗拔能力是研究的重點

3)聚丙烯纖維在水泥基材料中的工作機理十分復雜，當有裂縫產生時的應力集中問題仍為難點，采用大型模擬分析軟件-ABAQUS 分析其工作機理可能是一條有效途徑。

(4) 需要對聚丙烯纖維幾何參數試驗研究，確定最適長度及最優長細比。

(5) 新型材料的研究，傳統聚丙烯耐久性有些仍不盡人意，某些地下工程后期會發生漏水開裂現象，具體失效的原因需要深入研究。

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