聚丙烯纖維混凝土研究綜述

劉 波 張緒濤 尹瑞杰 高 躍

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產

聚丙烯纖維混凝土研究綜述

劉 波1張緒濤1尹瑞杰1高 躍2

（聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000）

纖維混凝土作為一種新型高性能混凝土建筑材料，在建筑工程領域已經得到了廣泛的應用。從聚丙烯纖維混凝土力學性能與耐久性能兩個方面綜述了近些年來國內外學者關于聚丙烯纖維混凝土相關研究，分析并總結了聚丙烯纖維對混凝土的力學結構性能和耐久使用性能方面的影響，并針對下一步的研究方向提出了相關的看法與建議。

聚丙烯纖維混凝土；力學性能；耐久性能

0 前言

自水泥問世以來，混凝土材料便成為土木工程領域用量最大、應用范圍最廣的工程材料。其原料豐富、價格低廉、制備簡單、造型方便，而且耐久、耐火性能好、維護費低等優點，使其在土木建筑材料中占有著極其重要的地位。隨著社會的發展和科技的不斷進步，各類建筑工程對于材料的各方面性能的需求變得更高，混凝土的缺陷也日漸顯露，主要是抗拉強度低、變形量小、易發生脆性破壞等。眾所周知，混凝土的抗拉強度相對于抗壓強度要低得多，其抗拉強度僅為抗壓強度的10%左右，受拉應力時混凝土容易出現裂縫，這是由于沉降和塑性收縮裂縫會穿過新拌混凝土，形成軟弱面，降低了混凝土結構的整體性。而裂縫控制對于混凝土的施工壽命起著至關重要的作用。

纖維增強混凝土簡稱纖維混凝土，是以混凝土為基底，加入非連續的短纖維或連續的長纖維作為混凝土的增強材料，經過攪拌混合后而成的水泥基復合材料。由于聚丙烯纖維自身的優點：質量輕，彈性模量大，密度小，延展性好，阻裂性強，并且無味、無毒，能夠有效地分散在混凝土中，使得聚丙烯纖維成為混凝土中應用最廣泛的纖維之一，并且聚丙烯纖維混凝土以其優越的物理和力學性能被廣泛應用于橋梁、房屋結構、路面、隧道等土木工程領域。

1 聚丙烯纖維混凝土力學性能研究

在聚丙烯纖維混凝土的技術發展和實用化過程中，力學性能是研究的重要方向之一。近幾年學者對聚丙烯混凝土的研究主要集中在以下幾個方面：選擇不同的聚丙烯纖維摻量，通過對比混凝土的性能得到最佳纖維摻入量；研究聚丙烯纖維增強混凝土的力學結構性能，聚丙烯纖維對于混凝土結構的延性、韌性和抗彎承載力的增強作用都是當前研究的重點。在混凝土中加入鋼纖維、玻璃纖維等，與聚丙烯纖維組合形成混雜纖維混凝土，研究混雜纖維混凝土的力學性能的影響；對纖維混凝土的內部結構的研究集中在宏觀和細觀方面。

張悅[1]分別對纖維摻量為0 kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3的聚丙烯混凝土試件進行了立方體抗壓強度試驗。試驗結果發現：隨著纖維摻量增加，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強度呈現先增后降的趨勢，并且在纖維摻量超過0.9kg/m3時聚丙烯混凝土的抗壓強度開始降低。王乾璽等[2]人研究發現聚丙烯纖維混凝土抗壓強度提高幅度約為3.0％~5.3％，抗劈裂和抗折強度提高幅度約為14.2％~17.5％。Ede等[3]通過對聚丙烯纖維含量為0.25%、0.5%、0.75%和1%的混凝土試件進行了破壞性、非破壞性抗壓強度試驗和破壞性抗彎強度試驗，并分別對不同組混凝土試件進行了7天、14天、21天和28天的標準養護。試驗結果發現：聚丙烯纖維可以使混凝土28天立方體抗壓強度提高約9%，并且聚丙烯纖維的最佳比例在0.25%和0.5%之間，聚丙烯纖維增強混凝土的效果在纖維摻量為0.25％時達到最優，其抗彎強度提高約為65％。

徐禮華等[4]通過對不同長徑比和不同纖維摻量的聚丙烯混凝土試件分別進行力學性能試驗，得出的試驗結果表明：對長徑比為167，聚丙烯纖維摻量分別為0.05％、1.0％、1.5％和2.0％的混凝土試件進行立方體抗壓試驗，其混凝土抗壓強度和普通混凝土相比分別增加了2.12％、12.12％、15.84％、18.55％；對聚丙烯纖維摻量為1.0％，長徑比分別為167、280、369的混凝土試件進行抗壓試驗，其抗壓強度與普通混凝土相比分別增加了12.12％、14.80％、5.41％。余春[5]通過進行劈拉試驗，測出不同纖維摻量聚丙烯混凝土的抗劈裂抗拉強度，研究發現聚丙烯纖維摻量為0.5kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3的纖維混凝土的劈裂抗拉強度分別為5.24Mpa、5.58Mpa、5.68Mpa和5.65Mpa，由于聚丙烯纖維在混凝土受拉時發揮抗拉作用效果,承擔一部分了受拉荷載,使得聚丙烯纖維混凝土的抗劈拉強度隨增加。宗榮等[6]研究表明，當聚丙烯纖維的摻入量達到0.9kg/m3時，混凝土抗折強度可以降低2％左右，摻量為1.8kg/m3時，抗折強度降低9％左右。張慧莉，田堪良等[7]人對聚丙烯纖維混凝土進行了彎曲疲勞性能與機理研究，試驗結果表明：在混凝土中加入聚丙烯纖維，可以有效提高混凝土的疲勞強度和使用壽命.獲得對水泥砂漿界面過渡區復合補強效果。但是隨著纖維摻入的過多，混凝土的疲勞強度反而降低，在恒定應力水平下，較高的加載頻率使的降低疲勞強度更加顯著。

對上述研究成果綜合分析可發現，聚丙烯纖維的摻入能夠有效改善混凝土內部缺陷.提高混凝土各項性能，抑制裂縫產生。聚丙烯纖維通過提高混凝土的拉伸性能和橋接形成裂縫來減緩塑性收縮和早期干燥收縮，聚丙烯纖維具有較低的楊氏模量，因此在高應力水平下不能防止裂紋的形成和擴展，但可以橋接較大的裂紋。聚丙烯纖維體積摻量的增加能提高混凝土的力學性能，增加混凝土的延性和韌性；隨聚丙烯纖維摻入量的繼續增高，混凝土的力學性能達到峰值后降低，但聚丙烯纖維混對混凝土的彈性模量、峰值強度、峰值應變和塑性應變影響均不明顯。

2 聚丙烯纖維混凝土耐久性能研究

混凝土的耐久性，除了力學性能外最重要的性能之一，混凝土除了滿足應具有的設計要求強度外，還要在不同的環境中，具備長期正常使用的性能，涵蓋了包括抗凍性、抗滲性等方面。

滕飛等[8]通過研究表明摻入聚丙烯纖維能夠在結構上阻礙混凝土內部水壓力的滲透，從而提高混凝土的抗凍性能；并且隨著聚丙烯纖維摻量越來越高，混凝土結構的質量損失率和動彈模量的損失率會隨著凍融循環次數的累積而變得緩慢，這一現象說明了由于聚丙烯纖維的摻入，混凝土的抗凍性能相較于普通混凝土有很大提升。黃功學等[9]學者試驗研究發現：通過對聚丙烯纖維混凝土試件分別進行50天、100天和150天的凍融循環，得到的試驗結果表明，聚丙烯纖維的摻量在0.9％時，混凝土試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度和抗折強度降低的損失會達到最低，此時為纖維增強混凝土抗凍性最優摻量。Okan Karahan等[10]通過試驗研究發現：在粉煤灰混凝體中摻入纖維體積分數分別為0%、0.05%、0.10%、0.20%的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維與粉煤灰的相互作用使摻加粉煤灰的纖維混凝土的干縮率最低，聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能比無纖維混凝土略有提高。

在混凝土抗滲性能方面，程云虹等[11]采用了滲水高度法測定了不同種類纖維混凝土的抗滲性能，實驗結果表明最優選是聚丙烯纖維。徐曉雷等[12]通過抗滲試驗和滲水高度試驗得到結果為，當聚丙烯纖維摻量為0.15％時，其抗滲性能約為普通混凝土的2倍。趙兵兵等[13]采用通過滲水高度法研究玄武巖-聚丙烯纖維混凝土耐久性能，通過試驗得出結果發現：混雜纖維摻入率為0.9％以下時，其抗滲性能相較于普通混凝土有所提高，并且在玄武巖-聚丙烯的摻和比例為2∶1，摻入率0.3％時，混凝土的抗滲性能提高幅度最大，即纖維的最優摻率為0.3％，但是當混雜纖維摻率達到1.2％時，纖維混凝土的抗滲性能出現下降。

根據對上述學者們的研究成果進行綜合分析可知，在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維能夠有效提高混凝土的密實程度，減少混凝土內部的孔隙率，提高混凝土的抗滲性能；并且通過摻入聚丙烯纖維，減少水的滲透量和吸收部分未凍水，減小混凝土內部的靜水壓力，從而提高了混凝土的抗凍性能。但是當聚丙烯纖維摻量過多時，混凝土內部容易出現打團的現象，并且由于纖維分布不均勻，導致不同孔隙率增大，內部結構多空疏松，反而降低了混凝土的抗凍性能。

3 結語

本文綜述了近些年國內外學者關于聚丙烯纖維在改善混凝土的力學與耐久性方面的一些研究成果，通過進行大量實驗研究證明：聚丙烯纖維的加入，能夠使混凝土在抗壓、抗拉、抗折、抗彎曲、抗沖擊等力學性能方面以及抗凍性、抗滲性、抗碳化等耐久性能方面均優于普通混凝土。聚丙烯纖維對在提升混凝土抗壓強度方面作用影響較小，在抗劈拉以及抗彎折強度方面提升較大。在混凝土的耐久性能實驗中，聚丙烯纖維能有效提高混凝土的抗凍性，抗滲性等性能，但是如果摻入過量的聚丙烯纖維，則會適得其反。

我們可以看到，目前國內外學者針對聚丙烯纖維混凝土的研究集中在單一聚丙烯纖維或兩種混雜纖維的方向，對兩種纖維混雜的混凝土或多尺度纖維混凝土方向沒有過多研究；并且目前的研究探討多為單一因素的影響，但在實際工程中遇到單一因素影響的情況較少，因此在今后的研究工作中，將研究方向重點放在多因素作用下，聚丙烯混凝土的力學性能所產生的變化，我們可以通過對聚丙烯混凝土進行力學性能試驗，測定聚丙烯纖維混凝土的基本力學性能，分析試驗所得出的應力-應變曲線，通過有限差分模擬軟件進行相應數值模擬，結合應力-應變曲線對聚丙烯纖維混凝土本構模型進行擬合，這樣所得到的試驗結果更貼近工程實際，試驗數據也更具有價值。

[1]張悅.聚丙烯纖維混凝土力學性能及損傷破壞形態研究[D].西安:西安理工大學.2019.

[2]王乾璽.纖維對混凝土抗氯離子和抗碳化性能的試驗研究[D]銀川:寧夏大學.2013.

[3]Ede A,Oluwabambi Ige A.Optimal polypropylene fiber content for improved compressive and flexural strength of concrete[J]. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering,2014, 11(03): 129-135.

[4]徐禮華,黃彪,李彪,池寅,李長寧,時豫川.循環荷載作用下聚丙烯纖維混凝土受壓應力-應變關系研究[J].土木工程學報,2019.52(04):1-12.

[5]余春.高性能聚丙烯纖維混凝土性能研究[D].重慶:重慶交通大學.2009.

[6]宗榮.聚丙烯纖維混凝土使用性能研究[D].西安:長安大學, 2004.

[7]張慧莉,田堪良.礦渣聚丙烯纖維混凝土抗彎疲勞性能[J].浙江大學學報（工學版）.2011.45(04):699-707.

[8]滕飛,聚丙烯纖維混凝土凍融循環作用下的損傷模型研究[D]湖北:湖北工業大學. 2015.

[9]黃功學,趙軍,高丹盈.聚丙烯纖維混凝土凍融后力學性能試驗研究[J].人民黃河,2009, 31(5):105-106, 108.

[10]Okan Karahan,Cengiz Duran Atis.The durability properties of polypropylene fiber reinforced fly ash concrete[J].Materials and Design,2011(32):1044-1049

[11]程云虹，王宏偉,王元.纖維增強混凝土抗凍性試驗研究[J].公路,2012(3): 179-182.

[12]徐曉雷,何小兵,易志堅.聚丙烯纖維混凝土的抗滲性試驗和機理分析[J].中國市政工程, 2010(6): 6-7,75.

[13]趙兵兵,賀晶晶,王學志等.玄武巖-聚丙烯混雜纖維混凝土抗凍性試驗[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2015,34(12):1402-1407.

劉波（1993- ），男，碩士研究生，研究方向：巖土工程。

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