聚丙烯纖維混凝土的性能與應用趨勢

劉逸馬勇（廣州大學土木工程學院；廣州大學工程抗震中心）

聚丙烯纖維混凝土的性能與應用趨勢

劉逸1馬勇2
（1廣州大學土木工程學院；2廣州大學工程抗震中心）

介紹了聚丙烯纖維基本物理性質，分析了聚丙烯纖維對混凝土的作用機理，介紹總結了聚丙烯纖維混凝土抗收縮性、抗沖擊性、抗滲性、抗凍融性、耐磨損性，并提出聚丙烯纖維高性能混凝土發展方向與重點，為聚丙烯纖維混凝土的應用前景提供了參考意見。

聚丙烯纖維；混凝土；高性能；發展前景

自上世紀70年代以后,纖維在提高混凝土性能方面的作用越來越重要，鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維等纖維材料應用于水泥混凝土中,均顯示了其在混凝土中的優勢。其中聚丙烯纖維應用于混凝土中，具有的摻加工藝簡單、性能優越、價格低廉等特點，使其在土木工程領域具有廣泛的推廣和應用價值。

1 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是半透明的白色束狀或者網狀單絲結構。具體材料性能見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理性質

2 聚丙烯纖維混凝土的主要突出性能

聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要增強筋”［3］，是一種新型的混凝土增強纖維，其對混凝土產生的影響可以體現在以下幾個方面。

2.1抗收縮性

由于聚丙烯纖維短切亂向分布，形成了網面一樣的機理，從而阻止了混凝土小顆粒的沉降和分層，大大減少了混凝土中由于水作用形成的細小孔道，于是降低了泌水現象出現的概率，所以使混凝土在塑性狀態下的收縮率也大大降低。重慶大學梁寧慧研究表明［5］，在聚丙烯摻量相同時，在早期抗裂性上，長徑相比于較小者要強；在塑性混凝土狀態下，細纖維抗裂作用上要優于粗纖維，但在硬化階段粗纖維在抗裂效應中更為優越。在體積摻量0.7%的l/d=50/63纖維可以使裂縫縮小40%左右，在l/d=19/15纖維則可以基本消除1mm寬的裂縫［6］。0.1%體積摻量的聚丙烯纖維的混凝土裂縫面積和砂漿裂縫面積均有顯著降低。

2.2抗沖擊性

東華大學纖維材料改性國家重點實驗室的劉衛東采用落錘法進行抗沖擊試驗［10］，試驗時，將2kg重的落錘從900mm高度自由落下，沖擊錘中線與試件中心線對齊。依據ACI44委員會推薦的方法計算沖擊能量：

W=n·mgh

式中：

W——沖擊能量，N·m；

n——錘擊次數；

h——沖擊錘下落高度，m；

m——沖擊錘重量，kg；

g——重力加速度，m/s2。

試驗結果表明，當聚丙烯纖維摻量0.6kg/m3時，相比普通混凝土的抗沖擊能力提高近一倍，當摻量0.9kg/m3時，抗沖擊能力提高三倍以上，然而摻量為1.2kg/m3時，抗沖擊能力反下降，由此可知聚丙烯混凝土的抗沖擊能力隨聚丙烯纖維摻量的多少而變化，但其中存在一個峰值，在峰值左側呈上升趨勢，右側則反之［10］。聚丙烯纖維的彈性模量較普通混凝土彈性模量低，其斷裂伸長率比普通混凝土伸長率大，根據復合材料理論，聚丙烯纖維混凝土的力學性能是兩者共同作用的結果，其彈性模量遠低于混凝土的彈性模量（約普通混凝土1/10～1/2)［6］，所以聚丙烯混凝土的延性較普通混凝土好，如此一來就很好的控制了裂縫的數量以及阻止了裂縫的進一步發展，大幅提高了混凝土開裂還能承受的承載力，使得聚丙烯混凝土的抗沖擊韌性得到增強。

2.3抗滲性

對于混凝土的早期塑性收縮開裂及離析裂紋的產生和發展，聚丙烯纖維具有很有效的抑制作用，對收縮裂縫特別是連通裂縫的產生也有很顯著的減少的效果。聚丙烯纖維在混凝土中使骨料均勻分布，提高了混凝土的密實性，降低了孔隙率也減少了有害孔的數量，阻礙了水分從混凝土內部向表面遷移速率，因而聚丙烯纖維混凝土的抗滲性得到大幅度提高。南京水利科學院盧安琪的研究表明，雖然聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土的水灰比要大，但加壓到2.1MPa時，聚丙烯纖維混凝土的滲水高度比普通混凝土要少16%～19%，相比之下其抗滲性要遠優于普通混凝土［14］。在工程實際運用過程中，摻入聚丙烯纖維的混凝土將減少由于養護和溫差等原因引起的裂縫，提高了混凝土的致密性，使建筑結構的的抗滲和耐久性得到增強。

2.4抗凍融性

凍融破壞是混凝土在寒冷地區水工混凝土建筑物所需面對的問題，有關試驗表明，在摻入一定劑量范圍的聚丙烯纖維，混凝土質量損失率增大的同時會使得動彈模量和相對動彈模量增加明顯，依據混凝土凍融破壞的有關準則，聚丙烯纖維混凝土在凍融環境下使用壽命得到增加，提高了混凝土的抗凍性能。摻加聚丙烯纖維增加了剝落現象的發生，但在反復凍融循環試驗后，結果發現由于混凝土硬化過程中多余水分減少、孔隙率減少，聚丙烯纖維抑制了混凝土內部裂縫的發展，使得混凝土在凍融條件下的使用性能仍然維持在較高的水平［7］。

2.5耐磨損性

耐磨損性也是聚丙烯纖維混凝土一項重要的指標，劉衛東試驗表明［10］，聚丙烯纖維混凝土的耐磨損性與纖維的摻量有關，其中磨耗量以下式計算：

G=(m1-m2)/0.0125

式中：

G——單位面積的磨耗量（kg/m2）；

m1——試件的原始質量；

m2——試件磨損后的質量。

在一定的聚丙烯纖維摻量范圍內，摻量越大的混凝土耐磨性越好，磨耗量也越低，不同型的纖維摻入混凝土，其耐磨性也不同［10］。

3 聚丙烯纖維混凝土的發展方向及應用前景

發展高性能混凝土是現代社會的必然趨勢，高性能混凝土應該具有高強度、高使用性、高流動性及顯著的耐久性。但是，聚丙烯雖已然具備高性能混凝土的許多特性，其在流動性及可攪拌性上還是具有明顯的短板，所以在現代科技高速發展的今天，可以依托各種手段在不大幅增加造價的情況下改善聚丙烯纖維混凝土的流動性，可攪拌性等性能差的缺陷，如此既能提高建筑物的耐久性延長建筑物的使用壽命，也能為節省造價費用做出積極的貢獻。另一方面，隨著建筑物復雜程度和其高度的增加，對建筑的防火性能也提出了考驗，而在高性能混凝土中加入聚丙烯纖維，當溫度超過165℃時[17]，聚丙烯纖維熔融揮發，于是混凝土中會空出許多孔道，這對建筑物高溫所產生的氣體等的排放會非常有幫助，基于這些設想，聚丙烯纖維混凝土在現代建筑中必將有廣闊的發展前景。

另一方面，由于聚丙烯纖維混凝土的抗滲性能優越，應用于渠道防滲，水壩修建，港區及碼頭的修建，其中在我國的農村水利中，渠道防滲還僅僅是起步階段，專業的修砌和維護可以顯著提高混凝土的抗滲和抗凍性能，進而提高使用壽命和工程效益，能使綜合經濟效益得到明顯的提升，這對我國水利工程建設的積極作用也十分明顯。

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