研究聚丙烯纖維材料對(duì)混凝土性能的影響

章維偉

摘 要：聚丙烯纖維的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性良好，可以加強(qiáng)混凝土材料的強(qiáng)度。此次研究主要是分析聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能的影響，介紹聚丙烯纖維的作用機(jī)理，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員起到參考性價(jià)值。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維;混凝土材料;性能材料

混凝土材料的發(fā)展歷史比較久，具備良好的耐壓縮性和強(qiáng)度，成本低廉，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。然而混凝土的拉伸強(qiáng)度、抗沖擊性能較差，韌性無(wú)法滿足建筑要求。因此必須對(duì)混凝土材料進(jìn)行改性研究，加強(qiáng)混凝土材料強(qiáng)度。通過(guò)纖維材料加入，能夠提升混凝土材料的抗拉性能，加強(qiáng)韌性。聚丙烯纖維是一種新型增強(qiáng)纖維，材料的數(shù)量種類比較多，且纖維間距小，極易在材料中分散。將纖維應(yīng)用到混凝土中，可以很好地融合到混凝土基體中，應(yīng)用價(jià)值高。

1、聚丙烯纖維概述

聚丙烯纖維屬于一種合成纖維，采用聚丙烯均聚物制成的材料。與其他合成纖維相比較，聚丙烯纖維的密度小、耐化學(xué)性能優(yōu)良，便于加工使用，因此被廣泛應(yīng)用于混凝土增強(qiáng)處理中。聚丙烯纖維具備憎水性，若直接使用，將無(wú)法充分結(jié)合混凝土，還會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能產(chǎn)生問(wèn)題。在聚丙烯纖維改性處理中，可以應(yīng)用硅氧烷，確保纖維與混凝土材料的結(jié)合效果，且能夠均勻分散在混凝土內(nèi)部。

關(guān)于聚丙烯纖維表面改性的方法比較多，例如表面接枝改性、等離子處理和化學(xué)改性法。通過(guò)纖維表面氧化處理，可以增加表面粗糙度，進(jìn)一步加強(qiáng)纖維與混凝土的結(jié)合力。采用等離子處理法，可以增加纖維表面極性基團(tuán)數(shù)量，該類基團(tuán)與水分子的親和性良好。接枝改性法主要是通過(guò)接枝反應(yīng)，在纖維表面獲取聚丙烯纖維。然而聚丙烯硅表面沒(méi)有反應(yīng)活性基團(tuán)，所以在采用接枝改性處理之前，需要進(jìn)行化學(xué)改性處理。

1.1聚丙烯網(wǎng)狀纖維

此種纖維是經(jīng)過(guò)特殊工藝處理，外表為纖維單絲交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在混合混凝土?xí)r，纖維會(huì)受到混凝土摩擦影響，從而呈現(xiàn)出網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。在充分混合后，纖維可以獲得明顯的分散效果，以此提升混凝土的耐腐蝕性和強(qiáng)度。

1.2微孔纖維

聚丙烯紡絲過(guò)程中，添加適量無(wú)機(jī)粒子，在進(jìn)行高倍拉伸處理時(shí)，纖維內(nèi)會(huì)產(chǎn)生原纖化，從而使表面出現(xiàn)微孔。表面微孔會(huì)增加纖維粗糙度，可以更好地結(jié)合混凝土。按照部分研究顯示，聚丙烯初生纖維中，降溫速度、紡絲速率、成核劑都會(huì)影響β晶含量。在加快降溫速率和紡絲速率后，會(huì)明顯影響β晶形成。采用不同的成核劑，也會(huì)影響β晶形成。

1.3膜裂纖維

膜裂纖維的主要原材料為聚丙烯，是一種束狀化學(xué)纖維。該材料的抗拉極限強(qiáng)度在480-750MPa，相對(duì)密度在0.9-1.0，彈性模量在7-17GPa，具備良好的抗堿性能。然而該材料在受到氧氣與紫外線共同作用時(shí)，極易出現(xiàn)老化問(wèn)題。材料的熱穩(wěn)定溫度約為148攝氏度。在拉開纖維束之后，會(huì)呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以有效結(jié)合混凝土與水泥砂漿。將材料切割為一定長(zhǎng)度，摻入到混凝土和砂漿中，可以起到增韌性和防裂效果。在應(yīng)用過(guò)程中，也可以將材料制作為網(wǎng)片，以此提升水泥漿液的強(qiáng)度。通過(guò)相關(guān)研究可知，在不斷加大膜裂纖維體積率后，混凝土的韌性，抗拉強(qiáng)度與抗彎強(qiáng)度均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，然而會(huì)降低抗壓強(qiáng)度。

2、聚丙烯纖維增強(qiáng)機(jī)理

在增強(qiáng)混凝土研究中，主要包括復(fù)合材料機(jī)理與纖維阻斷機(jī)理。混凝土存在明顯收縮性，極易產(chǎn)生裂紋，降低建筑性能。將聚丙烯纖維加入到混凝土基體中，混凝土收縮時(shí)，纖維可承受大部分應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。在纖維阻斷機(jī)理中，將混凝土增強(qiáng)纖維假設(shè)為棋盤狀分布，纖維中心間距為固定值，在拉力作用下，裂紋擴(kuò)展會(huì)接觸到纖維，纖維可以控制和約束裂紋，從而避免裂紋擴(kuò)展。在復(fù)合材料機(jī)理中，纖維與混凝土之間存在過(guò)渡層，基體中存在多界面過(guò)渡層。纖維直徑比較小，過(guò)渡層極薄。該理論認(rèn)為混凝土體系性能屬于多個(gè)不同性能的疊加，所以纖維和混凝土可以形成交互作用。當(dāng)結(jié)合之后，混凝土機(jī)體與纖維用量會(huì)影響復(fù)合體強(qiáng)度。

3、聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能的影響

3.1抗裂性能影響

在加強(qiáng)混凝土抗裂性能時(shí)，聚丙烯纖維材料具備重要作用。由于纖維可以避免裂紋擴(kuò)展，借助牽制與搭接作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，降低混凝土收縮性能。此時(shí)就會(huì)使混凝土的收縮能量分散到纖維中，纖維在混凝土機(jī)體中形成支撐系統(tǒng)，確保水分分布均勻。

3.2抗凍性能影響

混凝土受到溫度影響后，內(nèi)部極易產(chǎn)生溫度差和應(yīng)力差，從而使混凝土內(nèi)部疏松多孔。在受到壓力作用時(shí)，會(huì)擴(kuò)大混凝土裂縫，從而損傷結(jié)構(gòu)。應(yīng)用聚丙烯纖維可以阻斷孔隙連通。纖維與水泥漿的結(jié)合效果顯著，可以避免水分遷移，還可以抑制裂紋擴(kuò)展。部分學(xué)者分析聚丙烯纖維與混凝土抗凍性能的影響關(guān)系。在將混凝土凍融200多次之后，仍然具備良好的動(dòng)彈模量。

3.3抗?jié)B性能的影響

混凝土抗?jié)B性能可以抵抗壓力水滲透，避免水分流入到內(nèi)部。當(dāng)混凝土具備良好的抗?jié)B透性能時(shí)，有助于加強(qiáng)混凝土耐久性。所以混凝土內(nèi)部水分是降低性能的影響因素。通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)可知，相比于普通水泥材料，聚丙烯纖維可以將混凝土抗?jié)B性能提升30%-40%。

3.4混凝土干縮性與脆性影響

通過(guò)相關(guān)研究可知，添加聚丙烯纖維后，會(huì)明顯影響混凝土脆性。在不斷提升加入量后，會(huì)減小混凝土彈性模量，提升韌性。當(dāng)纖維含量為0.6kg/m3時(shí)，可以降低混凝土脆性，數(shù)值約為5%-10%。纖維與混凝土的界面結(jié)合效果良好，在混凝土內(nèi)部呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于纖維是高分子材料，韌性良好，可以提升混凝土的材料韌性。在混凝土材料中添加聚丙烯纖維，可以抵消內(nèi)應(yīng)力，緩解干縮問(wèn)題。在提升纖維添加量后，還可以分散收縮能量，避免過(guò)度收縮。

3.5混凝土強(qiáng)度的影響

在加入聚丙烯纖維后，會(huì)降低混凝土抗壓強(qiáng)度。當(dāng)纖維含量為1.2kg/m3時(shí)，抗壓強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。加入纖維后，有助于加強(qiáng)混凝土抗彎折強(qiáng)度。當(dāng)纖維含量為0.9kg/m3，會(huì)顯著提升混凝土抗彎折強(qiáng)度，數(shù)值約為44%。由于纖維的延展性良好，具備較強(qiáng)的抗形變能力，可以有效結(jié)合混凝土。若混凝土表面產(chǎn)生裂紋，纖維可以阻止裂紋擴(kuò)展，同時(shí)消耗內(nèi)部應(yīng)力。混凝土抗彎折性能會(huì)直接影響建筑物安全性，當(dāng)遭受外部作用力影響時(shí)，會(huì)加快混凝土失效時(shí)間，產(chǎn)生強(qiáng)烈的破壞力。然而將纖維添加到混凝土材料中，可以加強(qiáng)作用力抵抗效果，同時(shí)可以對(duì)作用力進(jìn)行分散吸收，避免破壞建筑物。

4、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，混凝土材料是建筑施工常用材料，由于建設(shè)施工水平不斷提升，傳統(tǒng)混凝土無(wú)法滿足建筑要求。將聚丙烯纖維添加到混凝土中，可以提升混凝土抗凍性能、化學(xué)性能、抗?jié)B性能及耐疲勞性能。相比于傳統(tǒng)混凝土，添加纖維材料后，可以穩(wěn)定混凝土的化學(xué)性能和物理性能，應(yīng)用價(jià)值比較高，已經(jīng)成為混凝土復(fù)合材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]成張佳寧.纖維品種和摻量對(duì)橋面板高性能混凝土耐久性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].公路工程，2019，44（06）：183-190+233.

[2]陳倩.聚丙烯纖維和粗骨料對(duì)超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度的影響研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019，17（06）：113-116+199.

[3]劉敬，周利丹，革明海，李北星.嘉魚大橋主墩承臺(tái)高性能聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)及抗裂性能研究[J].工程技術(shù)研究，2018（09）：152-153+214.

[4]陳建國(guó)，吳光軍，孫桂山，濮琦.硅灰和聚丙烯纖維凈漿界面劑對(duì)新老混凝土粘結(jié)力學(xué)性能的影響研究[J].新型建筑材料，2018，45（04）：52-55.

[5]李建.短切玄武巖纖維對(duì)礦渣粉煤灰混凝土力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響[J].硅酸鹽通報(bào)，2017，36（02）：727-732+737.