聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究綜述

前言

混凝土發(fā)展至今已有100多年的歷史，由于具有抗壓強(qiáng)度高、耐久性好、強(qiáng)度等級范圍寬及適用范圍廣泛等特點(diǎn)，使得混凝土不僅廣泛運(yùn)用于各類土木工程，造船業(yè)、機(jī)械工業(yè)、海洋的開發(fā)及地?zé)岬裙こ讨小Ｓ捎诨炷辆哂锌估瓘?qiáng)度低，脆性大，對沖擊、疲勞荷載的抵抗能力差，易開裂，且裂縫的存在會引起混凝土中鋼筋銹蝕，影響混凝土抗凍融等能力，這些缺陷使得混凝土在工程中的運(yùn)用受到限制。

合成纖維的出現(xiàn)大大的改善了混凝土的性能，尤其是聚丙烯纖維的運(yùn)用使得混凝土的運(yùn)用更為廣泛。聚丙烯纖維混凝土是以混凝土為基體，以非連續(xù)聚丙烯纖維作為增加材料所組成的水泥復(fù)合材料。由于聚丙烯纖維在混凝土中起著減少塑性收縮縫，延緩裂縫擴(kuò)展以及增進(jìn)混凝土開裂后承載力與韌性的作用，使其有效的解決了隨混凝土抗壓強(qiáng)度提高而產(chǎn)生更為突出的收縮和脆性問題。聚丙烯纖維混凝土被大量使用于地下工程防水，工業(yè)和民用建筑屋面，墻體，地坪，水池，道路以及橋梁等工程之中。因此，聚丙烯纖維混凝土的耐久性便被人們所關(guān)注，以下系統(tǒng)的闡述了聚丙烯纖維的加入如何改善混凝土的性能以及聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1、國內(nèi)外聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀

1.1 國外聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀

合成纖維混凝土的研究可追溯到20世紀(jì)60年代初期，Goldfein探索了用合成纖維作為水泥基體增強(qiáng)材料的可能性，結(jié)果表明，粘膠纖維因耐堿性差而不能使用，但聚丙烯、聚乙烯等合成纖維對水泥基體有不同程度的增強(qiáng)效果，尤其有助于提高材料抗沖擊性。國外在20世紀(jì)70年代初就對聚丙烯纖維作為水泥基體的增強(qiáng)材料開展了較多的研究并已開始用于實(shí)際工程中。

1.2國內(nèi)聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究現(xiàn)狀

同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了不同彈性模量的纖維對高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)。通過在水灰比為0.3的混凝土中摻入體積摻量為0.4%鋼、維綸、聚丙烯纖維，研究摻入不同纖維后混凝土的抗壓、劈裂抗拉、斷裂等三個(gè)力學(xué)性能指標(biāo)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻0.4%低彈性模量的聚丙烯纖維使混凝土的28d抗壓強(qiáng)度降低18.2%，但劈裂抗拉強(qiáng)度僅降低了5%。

2、聚丙烯纖維及聚丙烯纖維混凝土

2.1 聚丙烯纖維的物理化學(xué)性能

聚丙烯是由丙烯（化學(xué)式 ）聚合而成的高分子化合物是一種結(jié)構(gòu)規(guī)整的晶體性聚合物，乳白色，無味，無嗅，無毒，輕質(zhì)，是熱塑性材料。聚丙烯纖維的物理化學(xué)性能也很適合用于建筑材料。

2.2 聚丙烯纖維混凝土的性能

聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要增強(qiáng)筋”，是一種新型的混凝土防裂合成纖維，主要功能是抑制混凝土塑性裂紋的產(chǎn)生，同時(shí)改善混凝土的均質(zhì)性，抑制混凝土內(nèi)部由于失水，水化熱，泌水，收縮，溫差，自干燥引起的微裂縫隙生成。聚丙烯纖維通過以下效應(yīng)對混凝土的性能產(chǎn)生影響：增稠效應(yīng)，阻裂效應(yīng)，界面效應(yīng)，荷載傳遞效應(yīng)，這其中，阻裂效應(yīng)尤為明顯。

2.2.1 聚丙烯纖維的增稠效應(yīng)

稠度是指新拌混凝土軟硬稀稠程度，是混凝土一項(xiàng)重要的工作指標(biāo)。當(dāng)摻入聚丙烯纖維后，新拌混凝土的維勃稠度提高，并隨纖維的摻量增大而越趨顯著，實(shí)驗(yàn)表明慘入聚丙烯纖維后，7、28d抗壓強(qiáng)度基準(zhǔn)混凝土均出現(xiàn)一定程度的下降，7d抗壓強(qiáng)度平均值降幅為11.4%，28d抗壓強(qiáng)度平均值降幅為11.3%，不同摻量的混凝土早期強(qiáng)度無明顯變化，但后強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。這是由于聚丙烯纖維本身屬于低彈模纖維，無法在混凝土中承擔(dān)應(yīng)力，其次混凝土振動密實(shí)的難度增大，空隙率增加，最終影響了混凝土的強(qiáng)度。

2.2.2聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)

聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)是指對混凝土早起開裂的抑制作用，也是聚丙烯纖維最明顯的效應(yīng)。均勻散布的聚丙烯纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到支撐集料的作用，其作用效果是阻止粗、細(xì)集料的沉降，即粗集料首先下沉，然后是細(xì)集料。由于聚丙烯纖維的存在，同時(shí)也可以減少混凝土表面的析水，其次，纖維間距越小，增強(qiáng)作用越有效。

2.2.3聚丙烯纖維的界面效應(yīng)

由于聚丙烯纖維的細(xì)度高，比表面積大，即使低摻量的聚丙烯纖維也能在混凝土中獲得很大的纖維-基材界面，由于聚丙烯纖維的不親水性，纖維-基材界面往往具有比基材更高的水灰比，這將造成聚丙烯纖維-基材界面效應(yīng)呈弱界面效應(yīng)，對混凝土的強(qiáng)度有一定影響。

2.2.4聚丙烯纖維的荷載傳遞效應(yīng)

荷載傳遞效應(yīng)是纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料共有的一種纖維增強(qiáng)效應(yīng)。聚丙烯纖維的荷載傳遞效應(yīng)主要表現(xiàn)在早起的阻裂效應(yīng)中，即能鈍化裂縫隙尖端的應(yīng)力集中，約束裂縫的擴(kuò)展。但當(dāng)纖維摻量較低時(shí)，荷載傳遞效應(yīng)較弱。

3、聚丙烯纖維混凝土的耐久性

3.1聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性

抗凍融性是混凝土長期性能和耐久性的重要指標(biāo)。混凝土的抗凍融性，就是在飽水狀態(tài)下多次凍融循環(huán)時(shí)保持混凝土強(qiáng)度的能力. 聚丙烯纖維的加入增加了混凝土的密實(shí)度，改變了混凝土的孔結(jié)構(gòu)，打孔的百分含量減少，從而在一定程度上改善了混凝土的抗凍融性能。因此，這方面需要進(jìn)行更為深入的研究.當(dāng)然聚丙烯纖維的加入能提高混凝土的抗凍融性能，但也絕不能忽視纖維作用之外的常規(guī)因素，例如水灰比等。

3.2聚丙烯纖維抗碳化性

混凝土對鋼筋的保護(hù)作用主要取決于兩方面，一是混凝土的高堿性使鋼筋表面形成鈍化膜；二是保護(hù)層對外界腐蝕介質(zhì)、氧化以及水分等的阻止作用。聚丙烯纖維在混凝土中的作用，并不是直接影響混凝土碳化的速度，只是由于摻加纖維的原因，使得鋼筋保護(hù)層變得更加完善，從而間接地起到延緩混凝土碳化的作用。

3.3聚丙烯纖維的抗?jié)B透性

混凝土抵抗水滲透的性能稱之為抗?jié)B性。大量實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)踐證明，摻加聚丙烯纖維可以起到明顯的提高混凝土抗?jié)B性能的作用。中國國家建筑材料測試中心按GBT82-1985對含有體積率為0.05%與0.1%杜拉纖維的混凝土的抗?jié)B性測定結(jié)果，臺灣榮民工程股份有限公司營建材料實(shí)驗(yàn)按Vom測試法，對分別含有體積率為0.098%的聚丙烯纖維混凝土的滲水量的測定結(jié)果均表明，摻入聚丙烯纖維有助于大幅度提高水泥基材料的抗?jié)B性。纖維的存在起到了阻止砂漿或混凝土的離析現(xiàn)象，其次，纖維的阻裂作用，可減少裂縫的數(shù)量，裂縫的長度和寬度，特別是有效抑制貫通裂紋的產(chǎn)生，降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土的密實(shí)度和防水性能，在混凝土中大量散布著均勻的短纖維呈三維亂象分布，可以起到阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)作用的效果。

3.4聚丙烯纖維的抗沖磨性

在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維可以提高混凝土的抗沖磨強(qiáng)度。摻0.6kg/m3聚丙烯纖維時(shí)，混凝土的抗沖磨強(qiáng)度可提高37%-40%。許多工程實(shí)踐也證明，采用聚丙烯纖維混凝土鋪設(shè)的道路，尤其是在停車場出入口等地段車流量較大的地方，更能表現(xiàn)出其優(yōu)秀的耐久性能，至于相對柔軟的聚丙烯纖維本身，對于嚴(yán)格物理意義傷的“耐磨”來說不可能作出貢獻(xiàn)的。

4、結(jié)束語

聚丙烯纖維混凝土在美國、加拿大、澳大利亞、日本、韓國等越來越多國家的混凝土工程中得到了相對廣泛的應(yīng)用，在我國混凝土也越來越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。大多數(shù)聚丙烯纖維混凝土工程都在惡劣環(huán)境中服役。

但是由于我國聚丙烯纖維以及聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用研究起步較晚，一些研究結(jié)論還不夠統(tǒng)一，國內(nèi)對纖維增強(qiáng)混凝土抗裂性能試驗(yàn)缺乏規(guī)范指導(dǎo)，評價(jià)纖維混凝土抗裂性能的試驗(yàn)方法不統(tǒng)一，聚丙烯纖維摻量的確定也沒有一個(gè)合理的指標(biāo)，其次無法在實(shí)驗(yàn)室很好的模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，構(gòu)件的尺寸也受到限制，因此很多理論甚至出現(xiàn)矛盾的現(xiàn)象， 而我們所完成的研究多數(shù)還集中于聚丙烯纖維混凝土的物理和力學(xué)性能，對聚丙烯纖維混凝土耐久性的研究特別是理論研究還不夠深入和系統(tǒng)， 因此大量的進(jìn)一步研究工作亟待展開。