摻聚丙烯纖維對(duì)改善高強(qiáng)混凝土性能的研究

韓軼多，謝 靜

（太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，山西 太原 030024）

混凝土是目前建筑工程中應(yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，與木材、鋼材等建筑材料相比，混凝土有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)。高強(qiáng)混凝土更是以其高抗壓強(qiáng)度、高抗變形能力、低孔隙率等優(yōu)越性，在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)以及某些特殊結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。但是，高強(qiáng)混凝土也存在著明顯的缺點(diǎn)，如韌性差、抗高溫性能差等。隨著高強(qiáng)混凝土越來越廣泛的應(yīng)用，改善及提高高強(qiáng)混凝土的物理力學(xué)性能，提高其耐久性，延長(zhǎng)其使用壽命，成為當(dāng)前工程界亟需解決的問題。目前，摻聚丙烯纖維是改善高強(qiáng)混凝土性能的重要手段之一，研究摻聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土性能的改善具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 聚丙烯纖維混凝土的發(fā)展

國外對(duì)聚丙烯纖維混凝土的研究較早，大概開始于20世紀(jì)60年代。最開始的時(shí)候，英國在制造某些墻板、浮體、樁殼等預(yù)制品時(shí)，將少量（摻量＜0.05%）短切的膜裂纖維摻入到混凝土中，用于提高混凝土的抗沖擊性能，效果明顯。經(jīng)過短短幾年的發(fā)展，聚丙烯纖維混凝土就已經(jīng)得到國際科研學(xué)者的重視，在1975年的國際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(huì)論文集《纖維增強(qiáng)水泥與混凝土》中，有關(guān)聚丙烯纖維混凝土的各項(xiàng)性能、計(jì)算方法、施工技術(shù)等均有較全面的論述[1]。1989年，墨西哥在其最大的建筑項(xiàng)目——墨西哥市高級(jí)購物中心的板、梁、柱等所有的混凝土結(jié)構(gòu)中都摻入了纖維網(wǎng)，用于提高建筑物的抗地震破壞能力，取得了比較理想的效果。近年來，美國以及加拿大在混凝土工程中，廣泛使用摻入少量合成纖維的預(yù)制混凝土，用于改善混凝土制品的各種性能，其中聚丙烯單絲纖維以其化學(xué)耐腐蝕性高、價(jià)格低廉、來源較廣等特點(diǎn)尤為引人關(guān)注[2]。

國內(nèi)對(duì)聚丙烯纖維混凝土的研究起步較晚。20世紀(jì)90年代初，廣州至佛山的高速公路部分路段試用了聚丙烯纖維混凝土，取得了比較好的效果，之后聚丙烯纖維混凝土開始在土木工程領(lǐng)域廣泛使用。2001年，吉林省梅河口市的渠道防滲護(hù)砌試驗(yàn)工程，采用了改性聚丙烯纖維混凝土[3]。重慶世界貿(mào)易中心特大型轉(zhuǎn)換層大梁采用了聚丙烯纖維混凝土技術(shù)，解決了高強(qiáng)度大體積混凝土施工中提高韌性和抗裂的難題。短短十?dāng)?shù)年的時(shí)間，聚丙烯纖維混凝土在道路、水利以及橋梁工程中均取得了良好的實(shí)踐效果。采用聚丙烯纖維混凝土的工程實(shí)例在我國境內(nèi)已經(jīng)數(shù)以萬計(jì)，工程類型幾乎包含工業(yè)與民用建筑工程中所有用到混凝土的場(chǎng)合[4]。

2 聚丙烯纖維的物理性能

聚丙烯纖維是一種塑料纖維，白色、半透明狀，呈網(wǎng)狀或束狀單絲結(jié)構(gòu)，見圖1，在混凝土中攪拌時(shí)分散成絲狀。

聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要加強(qiáng)筋”，其具有如下特點(diǎn)：性能穩(wěn)定、安全無毒、分散性好、握裹力強(qiáng)、高耐酸堿、抗凍抗裂、施工簡(jiǎn)易、經(jīng)濟(jì)可靠。束狀單絲聚丙烯纖維的主要性能指標(biāo)見表1。

圖1

表1 束狀單絲聚丙烯纖維主要性能指標(biāo)

3 聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土性能的改善及作用機(jī)理

高強(qiáng)混凝土性能的改善，除了要解決脆性大、易開裂和抗沖擊性能差等問題外，還對(duì)抗裂、抗?jié)B、抗凍和抗沖耐磨性能有更高的要求。摻入適量的聚丙烯纖維，能在以下幾個(gè)方面對(duì)混凝土性能有所改善。

3.1 改善高強(qiáng)混凝土的脆性

在高強(qiáng)混凝土中合理摻入聚丙烯纖維，由于其較好的分散性，聚丙烯纖維會(huì)在混凝土內(nèi)部均勻分散，形成縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效抑制由塑性收縮、干縮、溫度變化等因素引起的混凝土微裂縫的擴(kuò)展，并延緩新裂縫的出現(xiàn)。材料內(nèi)部連續(xù)性的增強(qiáng)，使沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中程度減小，這在很大程度上改善了高強(qiáng)混凝土的脆性[5]。

3.2 對(duì)混凝土拌和物具有增稠作用

摻入聚丙烯纖維后，混凝土拌和物中的水泥漿會(huì)包裹纖維表面，使得用于包裹粗、細(xì)集料以及自由流動(dòng)的水泥漿相應(yīng)減少，從而減小了拌和物的流動(dòng)性能。又由于聚丙烯纖維表面積較大、表面摩擦系數(shù)較高，增大了拌和物流動(dòng)時(shí)的相對(duì)摩擦力，使混凝土拌和物的黏聚性增大，增大的幅度隨纖維長(zhǎng)度及摻量的增加而加大。黏聚性的增加會(huì)改善混凝土拌和物的離析及泌水情況，使混凝土的整體性得到改善，稠度得到提高[6]。

3.3 提高高強(qiáng)混凝土劈拉強(qiáng)度

聚丙烯纖維具有高抗拉性能，混凝土中亂向分布的纖維在試件劈裂受拉時(shí)發(fā)揮了抗拉效果，承擔(dān)了部分荷載，使得抗拉性能得到一定的提高。然而，纖維長(zhǎng)度過短或過長(zhǎng)，均起不到承擔(dān)荷載的作用。纖維摻入過量，會(huì)使混凝土難以均勻拌和，導(dǎo)致纖維在混凝土內(nèi)部分散不均，引起混凝土過渡區(qū)缺陷的增加，最終會(huì)降低混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。所以，只有適當(dāng)?shù)睦w維長(zhǎng)度及摻量可以提高高強(qiáng)混凝土劈拉強(qiáng)度。

3.4 對(duì)高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

目前，摻入纖維后高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律并不一致。摻入聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗壓性能有兩方面的影響：一方面，在受壓過程中，由于摻入纖維，混凝土的橫向膨脹受到約束，推遲了破壞進(jìn)程，有利于混凝土抗壓強(qiáng)度的提高；另一方面，摻入纖維減小了混凝土受壓面積，當(dāng)摻量較低時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化不大，而當(dāng)纖維摻量增大、有效受壓面積減小到一定程度時(shí)，其抗壓強(qiáng)度會(huì)顯著降低。在這兩種因素的作用下，利于抗壓性能的作用大于不利作用，就會(huì)使纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高，否則，抗壓強(qiáng)度降低。

3.5 緩解高強(qiáng)混凝土的高溫爆裂情況

高強(qiáng)混凝土受高溫后內(nèi)部產(chǎn)生大量水蒸氣，由于高強(qiáng)混凝土具有較強(qiáng)的密實(shí)性，水蒸氣無法快速逸出，內(nèi)部蒸氣壓急劇升高，容易發(fā)生爆裂現(xiàn)象?；炷翉钠浣Y(jié)構(gòu)表面剝落或分離成若干碎塊，暴露的鋼筋快速軟化屈服，造成突然猛烈的脆性破壞。而摻入了聚丙烯纖維的高強(qiáng)混凝土在遇到高溫作用的時(shí)候，由于聚丙烯纖維熔點(diǎn)為160～180℃，內(nèi)部均勻分散的聚丙烯纖維會(huì)很快汽化，在混凝土中留下孔道，為高溫汽化的水分提供逸出的通道，抑制混凝土內(nèi)部蒸氣壓的增加，從而緩解了高強(qiáng)混凝土的爆裂情況。

3.6 聚丙烯纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能的影響

吳剛、李希龍等人通過試驗(yàn)得出結(jié)論：聚丙烯纖維可以改善混凝土的抗?jié)B性能[7]?；炷翐饺脒m量聚丙烯纖維后，抑制了早期干縮裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，從而提高了混凝土的密實(shí)性，使混凝土抗?jié)B能力大幅度提高?？?jié)B性能的提高能增強(qiáng)混凝土的抗腐蝕性、抗碳化性以及抗凍能力等，直接或者間接地影響混凝土的使用壽命，是混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，提高了抗?jié)B性能即是改善了混凝土的耐久性能。

4 結(jié)束語

綜上所述，合理直徑及長(zhǎng)度的聚丙烯纖維，在適當(dāng)?shù)膿搅肯?，可以改善高?qiáng)混凝土的脆性，對(duì)混凝土拌和物具有增稠作用，并可提高高強(qiáng)混凝土的劈拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、防爆裂性能以及抗?jié)B性能。施工實(shí)踐證明，摻加聚丙烯纖維已成為改善高強(qiáng)混凝土性能最為廣泛使用的方法之一。隨著我國高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用，對(duì)高強(qiáng)混凝土的性能要求也越來越高，高強(qiáng)度與高性能的結(jié)合，必將是未來混凝土發(fā)展的趨勢(shì)與方向，聚丙烯纖維混凝土將具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李果，戴靠山，袁迎曙.鋼筋混凝土耐久性試驗(yàn)方法研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，11（3）:56-59.

[2]單風(fēng)枝.聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能及其在橋面鋪裝中的應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué),2005.

[3]李果,戴靠山,袁迎曙.鋼筋混凝土耐久性試驗(yàn)方法研究[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),2002,11(3):56-59.

[4]冉千平等.聚狡酸類高效減水劑現(xiàn)狀及研究方向[J].化學(xué)建材，2001.

[5]馬一平,談慕華.聚丙烯纖維水泥基復(fù)合材料物理力學(xué)性能研究（I）——抗塑性干縮開裂性能[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2000（1）.

[6]C.D.Lawrence.Sulphate Attack Arising from Delayed Ettringite Form-ation.Interim Technical.A.Khajuria{K.Bohra}P.Balaguru.Long-Term Durability of Synthetic Fibersic Concrete.American Concrete Tnstitute.1999.

[7]吳剛，李希龍，史麗華，王軍.聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性能的研究.混凝土，2010（7），95-101.