聚丙烯纖維混凝土及其應(yīng)用

惠彥章 韓清春

混凝土或砂漿的纖維增強(qiáng)原理在很早以前就得到廣泛應(yīng)用，尤其是在房屋的建造方面。隨著近代科學(xué)理論和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，各種人工合成材料的出現(xiàn)特別是那些力學(xué)性能優(yōu)良又適合大量生產(chǎn)的纖維材料給建筑施工帶來了不少的變化。像用于加固的碳纖維、用于混凝土抗裂的杜拉纖維等等。作為添加材料摻入混凝土的纖維材料使混凝土的力學(xué)性能得到進(jìn)一步的提高。

1 纖維產(chǎn)品所面臨的環(huán)境的要求

1)高耐堿性?；炷羶?nèi)部是堿性的，纖維產(chǎn)品必須有足夠的抗堿能力去應(yīng)對堿性集料和水泥堿性水化物的侵襲。2)自分散性。纖維混凝土的纖維只有均勻的分布在水泥基體中才能發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此纖維產(chǎn)品應(yīng)有很好的自分散性，不能結(jié)團(tuán)成束否則纖維混凝土的力學(xué)性能就會(huì)打折扣。3)安全無害。纖維混凝土中所摻加的纖維必須對人體無害。這就是說纖維的安全性能也是必須要考慮的。由于施工場地條件的限制，纖維很容易被工人吸入體內(nèi)，劇毒或是強(qiáng)致癌物質(zhì)應(yīng)當(dāng)被禁用。4)規(guī)?；a(chǎn)。能夠使用于實(shí)際工程的纖維混凝土，所摻加的纖維必須是高度商品化的產(chǎn)品。要求纖維規(guī)?；a(chǎn)，并非是純粹的材料技術(shù)問題，更多的其實(shí)是強(qiáng)調(diào)纖維的批次穩(wěn)定性，及不同時(shí)間得到的纖維產(chǎn)品性能必須完全相同。從生產(chǎn)組織的角度來說，還要強(qiáng)調(diào)纖維產(chǎn)品供應(yīng)渠道的穩(wěn)定性，保證所用纖維能夠及時(shí)到達(dá)工地與施工現(xiàn)場。5)抗拉強(qiáng)度。纖維在混凝土中要發(fā)揮作用，必須具有比較高的抗拉強(qiáng)度。與水泥基體的抗拉強(qiáng)度相比，至少要高出兩個(gè)數(shù)量級。6)變形能力。纖維應(yīng)具有較高的變形能力，即其受拉時(shí)的極限伸長率與水泥基體的極限伸長率相比，至少要高出一個(gè)數(shù)量級，只有這樣的纖維加入混凝土中才有利于復(fù)合體韌性與抗沖擊能力的提高。7)粘結(jié)強(qiáng)度。纖維與水泥基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于纖維本身材質(zhì)的特點(diǎn)，還受到纖維表面形狀和粗糙程度的影響。8)彈性模量。纖維與水泥基體的彈性模量相比，其比值越高則受荷時(shí)纖維所分擔(dān)的應(yīng)力就越大，纖維的作用也就越加明顯。9)價(jià)格合理。與任何建筑材料一樣，對纖維混凝土中摻加的纖維也需要進(jìn)行性價(jià)分析。必須采用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的分析方法和手段，以不同纖維產(chǎn)品之間的性能價(jià)格比進(jìn)行比較，不能僅僅盯住以重量為單位的單價(jià)。

2 杜拉纖維的性能

在纖維混凝土中用于抗裂的杜拉纖維學(xué)名聚丙烯纖維。聚丙烯是一種結(jié)構(gòu)規(guī)整結(jié)晶性聚合物，乳白色、無味、無臭、無毒、質(zhì)輕，是熱塑性塑料。聚丙烯材料是一種非極性聚合物，有良好的電絕緣性能，有較好的化學(xué)穩(wěn)定性。聚丙烯幾乎不吸水，與大多數(shù)化學(xué)品如酸堿有機(jī)溶劑接觸不發(fā)生作用。聚丙烯材料物理力學(xué)性能良好，抗張拉強(qiáng)度 3.3×107Pa～4.14×107Pa，抗壓強(qiáng)度

4.14 ×107Pa～5.51×107Pa，伸長200%～700%，洛氏硬度R85～R 110，因此有良好的加工性能。早期纖維混凝土所摻用的丙綸短絲產(chǎn)品，大多是由聚丙烯薄膜經(jīng)高倍拉伸后，再經(jīng)針輥穿刺而制成的束狀合成纖維，習(xí)慣上稱為“聚丙烯膜裂纖維”。杜拉纖維不是以膜裂方式生產(chǎn)的，它是直接拉絲制成的聚丙烯單絲纖維的束狀集合體，每一束中有許多根纖維單絲，在投入攪拌時(shí)自動(dòng)分散開來。為了增加纖維與混凝土的表面結(jié)合力以及纖維單絲之間的互斥力，杜拉纖維在生產(chǎn)過程中經(jīng)過了特殊的表面處理。杜拉纖維與砂漿或混凝土中水泥水化物之間的粘結(jié)，以及杜拉纖維在砂漿或混凝土當(dāng)中自由分散的性質(zhì)，是至關(guān)重要的兩個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，也是杜拉纖維在世界各國建筑行業(yè)中成功應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

3 杜拉纖維的應(yīng)用

3.1 杜拉纖維在抗?jié)B防水方面的應(yīng)用

杜拉纖維在提高混凝土的抗?jié)B性能方向上起了很大的作用。水灰比是影響水泥抗?jié)B性能的決定性因素。增大水灰比，混凝土的密實(shí)度降低，相對滲透系數(shù)就顯著增大?；炷恋臐B透系數(shù)比水泥石的滲透系數(shù)大 100倍以上。這是由于在集料和水泥石的界面處存在裂縫以及在集料下方形成的孔穴等原因構(gòu)成了水的通道造成的。在水灰比相同時(shí)，粗集料的粒徑越大混凝土的滲透性就越大。養(yǎng)護(hù)方法對混凝土的滲透性也有影響。

3.2 杜拉纖維可以提高混凝土的耐久性

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是指結(jié)構(gòu)對氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其他破壞過程的抵抗能力。耐久的混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)暴露在使用環(huán)境中時(shí)，具有保持原有形狀，質(zhì)量和適用性的能力，不會(huì)由于保護(hù)層碳化或裂縫寬度過大而引起鋼筋腐蝕，不會(huì)發(fā)生混凝土嚴(yán)重腐蝕而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命等破壞情況?；炷敛牧系淖陨硖匦耘c混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量是決定其耐久性的內(nèi)因條件?；炷潦怯伤?、水、粗細(xì)骨料和某些外加劑經(jīng)攪拌、澆筑振搗和養(yǎng)護(hù)硬化等過程形成的人工復(fù)合材料。由于環(huán)境作用，必定以某種方式施加于混凝土材料，所以相對于混凝土材料的耐久性來說是影響結(jié)構(gòu)耐久性的外部因素。外界環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，是環(huán)境因素對混凝土結(jié)構(gòu)物理化學(xué)作用的結(jié)果。由于杜拉纖維優(yōu)良的熱工性能、抗?jié)B阻裂性能、耐火性能和耐磨性能使杜拉纖維混凝土的耐久性得到了保證。杜拉纖維混凝土拌合物的制備非常簡便。杜拉纖維本身具有非常穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)，不會(huì)和混凝土中的骨料、外加劑、摻合料和水泥發(fā)生反應(yīng)，對攪拌設(shè)備也沒有特殊的要求。無論是在混凝土攪拌站還是在現(xiàn)場施工都非常方便，養(yǎng)護(hù)也沒有額外的要求，對施工環(huán)境有很好的適應(yīng)。

3.3 杜拉纖維在泵送混凝土中的應(yīng)用

泵送混凝土，即泵送商品混凝土在工程中被廣泛應(yīng)用。但泵送混凝土工程出現(xiàn)早期裂縫有日益增加的趨勢。所謂早期裂縫，主要是指混凝土結(jié)構(gòu)在尚未施加使用負(fù)荷以前就出現(xiàn)的裂紋。它既出現(xiàn)在建筑工程的地上和地下部位，也出現(xiàn)在橋梁結(jié)構(gòu)工程中;既出現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)，也出現(xiàn)在斷面只有幾十厘米的梁、板結(jié)構(gòu)。所有混凝土結(jié)構(gòu)的破壞，都是從裂縫的擴(kuò)展開始的。由此往往引起人們對裂縫的恐懼感，這是可以理解的。針對商品混凝土而言，由于泵送商品混凝土工程存在早期裂縫，甚至?xí)?dǎo)致建設(shè)單位拒絕支付商品混凝土工程款，形成不易調(diào)解的糾紛。泵送商品混凝土工程一般采用新法燒制的水泥。這種水泥比表面積大，早期水化迅速，由于水泥用量大，再加上使用保水性較好的萘系減水劑，使得采用這種水泥的商品混凝土形成水化快、水化熱發(fā)展快、拌合物保水性強(qiáng)、泌水性小。于是混凝土表面水分的蒸發(fā)速率大于泌水速率，但表面水分得不到補(bǔ)充而施工場地養(yǎng)護(hù)條件有限，基本沿用過去的簡單養(yǎng)護(hù)模式不能有效的避免裂縫的產(chǎn)生。杜拉纖維的加入能有效減少裂縫的產(chǎn)生，而對泵送混凝土的坍落度影響不大，不會(huì)對商品混凝土的泵送帶來不便。

3.4 杜拉纖維在高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用

鋼管混凝土柱應(yīng)用在高層建筑中有明顯的實(shí)用性與優(yōu)越性。為配合高強(qiáng)鋼板做螺旋卷管在工程中采用C 70，C 80高強(qiáng)混凝土，這樣可使鋼管混凝土柱的優(yōu)越性得到充分發(fā)揮。但是，由于高強(qiáng)混凝土材料在力學(xué)性能上存在明顯的脆性，受壓時(shí)表現(xiàn)出較小的塑性和較大的脆性，所以設(shè)計(jì)高強(qiáng)混凝土?xí)r必須保證構(gòu)件能有必要的延性。另一方面由于鋼管混凝土柱高強(qiáng)混凝土澆筑時(shí)通常采用混凝土高位拋落法，這樣澆筑的混凝土氣孔率較高，影響高強(qiáng)混凝土的密實(shí)度及承載力，現(xiàn)場雖然可利用高強(qiáng)混凝土不易離析、不易過振等特點(diǎn)，用振搗器在鋼管內(nèi)加以振動(dòng)，確?；炷撩軐?shí)，但高強(qiáng)混凝土的氣孔率仍偏高，加上高強(qiáng)混凝土的極限應(yīng)變值僅為 0.003，較普通混凝土的極限應(yīng)變值小，容易產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，明顯影響高強(qiáng)混凝土的使用并對抗震不利。通過摻加聚丙烯纖維能大大提高混凝土抗裂性能和韌性，對克服高強(qiáng)混凝土的脆性有比較理想的作用。此外，杜拉纖維摻加在鋼管混凝土中可以明顯改善混凝土的物理性能，使混凝土的延性增強(qiáng)減少劈裂的產(chǎn)生，混凝土的抗沖擊力和抗震性能也有一定的提高。通過上述對纖維混凝土及杜拉纖維本身性能特點(diǎn)的了解，可見其作用效果相當(dāng)明顯，但美中不足的是杜拉纖維是美國希爾兄弟公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，質(zhì)量雖然能得到保證但要在工程中普遍采用就需要大量進(jìn)口，同為聚丙烯材料的國內(nèi)纖維產(chǎn)品因表面處理相對落后，纖維的分散性及力學(xué)性能較杜拉纖維有所欠缺，希望國內(nèi)纖維生產(chǎn)企業(yè)能夠加強(qiáng)自身創(chuàng)新能力，生產(chǎn)出更具特色的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，推動(dòng)我國建設(shè)工程的快速發(fā)展。

[1] 龔 益，沈榮熹，李清海.杜拉纖維在土建工程中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2] 徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[3] 張 昉，齊 靜，陳鵬柱.聚丙烯長纖維混凝土的抗彎曲韌性試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2009，35(7):179-180.