聚丙烯纖維混凝土基本力學性能分析

李銀波

摘要：隨著社會的進步和國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們在日常生產(chǎn)及生活實踐中對建筑產(chǎn)品的需求越來越高，對建筑結(jié)構(gòu)強度提出了更高的要求。在工程實踐中，對聚丙烯纖維的合理利用，能夠有效優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)的力學性能，提高其整體強度和抗?jié)B性能，為建筑工程整體質(zhì)量形成良好保障。本文主要分析了聚丙烯纖維混凝土的基本力學性能。

關鍵詞：聚丙烯纖維;混凝土;力學性能

目前，聚丙烯纖維已經(jīng)成為建筑工程中十分常用的一種建筑材料，具有良好的應用性能，對提高混凝土整體力學特性起到重要的促進作用。在工程實踐中，怎樣對聚丙烯纖維材料加以更為合理的應用，在最大程度上拓展混凝土的力學性能，提高混凝土結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，以促進工程經(jīng)濟效益和社會效益的提升，值得廣大建筑工作者更為深入的探索[1]。

一、聚丙烯纖維混凝土的材料組成

聚丙烯混凝土當中除了纖維之外，還包含水泥、碎石、砂以及水等材料，還要依據(jù)工程建設實際需求適當加入一些外加劑。

（一）水泥

混凝土結(jié)構(gòu)屬于大部分建筑工程項目的主體構(gòu)件，水泥材料用量較大，通常選用普通硅酸鹽水泥。通常情況下，混凝土水泥的用量不應該低于300kg/m3，而纖維混凝土中的水泥用量通常要高于400kg/m3，以大幅提升纖維混凝土的整體強度。

（二）碎石與砂

在混凝土中加入碎石和砂，能夠起到控制收縮的作用，以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體積。通過對不同級配碎石與砂的添加，對空隙加以有效填充，繼而形成密實的堆積效果。此外，還能對混凝土拌合物起到一定粘聚與保水作用，優(yōu)質(zhì)的級配選擇，能夠在一定程度上避免離析與嚴重泌水。相比之下，對碎石和砂的合理添加，能夠縮減混凝土結(jié)構(gòu)成本[2]。

（三）水

通常采用飲用水或者天然無污染水源。在利用非飲用水時，其硫酸鹽含量需要低于2.7mg/cm3，含鹽量不高于5mg/cm3，pH大于4。

（四）聚丙烯纖維

聚丙烯主要是由丙烯（化學式子為CH3-CH=CH2）經(jīng)過聚合所獲得的一種高分子化合物，是一種具有規(guī)整結(jié)構(gòu)的結(jié)晶性聚合物，呈乳白色，無臭、無味、無毒，質(zhì)量較低，屬于熱塑性塑料。聚丙烯材料密度是0.9-0.91g/cm3，是目前應用樹脂材料中最輕的一種。聚丙烯材料不溶于水，具有良好的耐熱性能，在121-160℃條件下可以連續(xù)耐熱，熔點為165-170℃。聚丙烯屬于非極性聚合物，具有優(yōu)質(zhì)的電絕緣性能，其介電常數(shù)為2.25，具有較強的化學穩(wěn)定性。聚丙烯幾乎不會吸水，和大部分化學品，比如酸、堿、有機溶劑等接觸不會發(fā)生反應。此外，聚丙烯材具有良好的物理力學性能，其抗張強度為3.3×107-4.14×107Pa，抗壓強度為4.14×107-5.51×107Pa，伸長率為200%-700%，所以聚丙烯材料具有非常優(yōu)質(zhì)的加工性能[3]。

二、聚丙烯纖維混凝土基本力學性能

在建筑工程中，將不同纖維摻入到水泥混凝土當中，能夠在不同程度上改善其力學性能指標，包括混凝土韌性、耐久性以及強度，而這些正是提高混凝土荷載能力的重要指標。目前應用范圍較廣的纖維主要有鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維以及聚丙烯纖維等。將聚丙烯纖維摻入到水泥基體當中，從理論上講可以對混凝土形成以下幾個方面的影響：

（一）混凝土強度

與普通混凝土相比，在加入聚丙烯纖維之后，其抗拉及抗彎強度更強，而抗壓強度會相應減小。實際變化量主要和纖維添加量、混凝土配合比以及試驗方法等因素有關，在具體項目建設中要針對工程需求進行具體分析，在符合混凝土力學性能需求的前提下，合理縮減成本投入。

（二）阻裂作用

將聚丙烯纖維加入混凝土，能夠起到一定的阻裂作用，可以分為塑性混凝土與硬化混凝土兩個部分，其具體作用機理為：

1.塑性混凝土

在工程建設中，混凝土由攪拌到澆筑，再到硬化完成以前均呈現(xiàn)為塑性狀態(tài)，可以將其稱之為塑性混凝土。而在其中加入聚丙烯纖維，能夠顯著縮減（甚至消除）混凝土在澆筑之后處在塑性狀態(tài)下所形成的裂縫問題。而利用膨脹劑或鋼絲網(wǎng)片很難起到此種良好的效果。第一，聚丙烯纖維均勻的散布于混凝土當中，呈現(xiàn)為三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，能夠起到對集料的支撐作用，對粗集料和細集料的沉降過程加以阻止，也就是粗集料先下沉，隨后細集料下沉。此外，因為聚丙烯纖維的作用，能夠降低混凝土表面水分析出效果?；炷廉斨辛?、水分離的現(xiàn)象稱作為離析，其不僅會影響到混凝土整體的均質(zhì)性，還會由于混凝土表面層水泥凈漿較多，亦或是含有細集料的砂漿，導致表層失水迅速，從而出現(xiàn)較大收縮，最終造成混凝土表面裂縫的出現(xiàn)，此種裂縫一般被稱作為“沉降裂縫”。因為加入聚丙烯纖維能夠有效抑制與防治混凝土離析傾向的出現(xiàn)，因此能夠在很大程度上避免混凝土表面出現(xiàn)裂縫，保證混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。第二，聚丙烯纖維處于塑性狀態(tài)的混凝土當中會受到因干縮所形成的拉應力作用，繼而縮減裂縫數(shù)量。其主要原因在于混凝土在塑性狀態(tài)之下強度非常低，在水分蒸發(fā)的情況下，混凝土會由于收縮形成拉應力，非常容易導致裂縫的出現(xiàn)，而在混凝土中均勻而大量的摻入聚丙烯纖維，能夠?qū)崿F(xiàn)對這種拉應力的抵抗作用，繼而減少或防止裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展[4]。

2.硬化混凝土

在混凝土硬化的過程中，通常會出現(xiàn)三種收縮情況，即干燥收縮、溫度收縮以及碳化收縮。第一，混凝土的毛細孔道當中水分蒸發(fā)，形成毛細管壓力，導致水泥基體出現(xiàn)干燥收縮。而在混凝土結(jié)構(gòu)當中所形成的拉應力大于混凝土自身抗拉強度時，便會使混凝土出現(xiàn)大量裂縫。通常情況下，經(jīng)過水養(yǎng)之后的混凝土在完全失水的情況下，其干燥率能夠達到600×10-8-900×10-8。第二，混凝土結(jié)構(gòu)在實際使用過程中受到環(huán)境溫度驟冷驟熱作用，或者外界溫度下降而造成冷縮。在混凝土受約束的情況之下，溫度變化會讓混凝土內(nèi)部形成溫度應力（也就是拉應力）繼而使混凝土形成大量裂縫。而溫度收縮裂縫形成的初期較為細小，其寬度通常不超過0.05mm，而在經(jīng)歷反復干縮與冷縮之后，裂縫會逐漸增大。第三，碳化收縮是指混凝土當中的水泥在水化之后產(chǎn)出氫氧化鈣，而空氣當中二氧化碳經(jīng)過混凝土內(nèi)部毛細孔道后，可能會和氫氧化鈣之間發(fā)生反應而產(chǎn)生碳酸鈣。相比之下，碳酸鈣體積大小會減小約12%。而體積減小，便會造成混凝土的收縮，即使處于約束條件之下，也會造成混凝土當中裂縫的出現(xiàn)。而值得關注的是，形成碳化反應的條件是混凝土毛細孔道當中含有水分，否則不會出現(xiàn)碳化情況。

三種收縮出現(xiàn)而導致混凝土裂縫出現(xiàn)時，聚丙烯纖維能在硬化混凝土當中發(fā)揮一定的阻裂作用。在混凝土當中摻入適量聚丙烯纖維，能夠縮減微裂縫尖端應力集中情況，以緩解微裂縫的拓展，并能在很大程度上避免連通裂縫的出現(xiàn)。在混凝土結(jié)構(gòu)中有裂縫出現(xiàn)時，由于裂縫前端跟纖維相交，會削弱或消除所受到的拉應力。此外，因為混凝土當中的聚丙烯纖維呈現(xiàn)為三維亂向分布，因此能夠有效控制裂縫的發(fā)展，尤其是能大量縮減寬度超過0.05mm裂縫的數(shù)量，從而實現(xiàn)抗裂的目的[5]。

（三）混凝土耐久性

相關研究表明，在混凝土中加入聚丙烯纖維，能夠有效改善其耐久性，并能大幅增強砂漿的防水抗?jié)B能力。對大量微細纖維的摻加，可以實現(xiàn)對混凝土早期干縮裂縫以及離析裂紋形成與發(fā)展的抑制作用，從而減少混凝土收縮裂縫，特別是抑制連通裂縫的形成。大量纖維在混凝土內(nèi)部均勻分布、彼此相連，對骨料加以承托，繼而降低混凝土表面析水和集料離析情況，使混凝土內(nèi)部50-100納米及超過100納米直徑的孔隙含量大幅降低，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)整體抗?jié)B能力。工程實踐表明，在混凝土中摻入0.05%體積的聚丙烯纖維，能使其抗?jié)B能力提高約60%-70%。

除此之外，聚丙烯纖維對于混凝土性能所形成的改善作用還包括：降低混凝土泌水，改善混凝土表面質(zhì)量，使混凝土抗凍性、抗鹽性、抗化學腐蝕性等耐久性指標明顯增強。

（四）混凝土韌性及抗沖擊能力

在混凝土中摻入聚丙烯纖維并凝固之后，高強度纖維絲會相互粘連形成亂向分布而致密的網(wǎng)狀增強系統(tǒng)，從而對裂縫的形成與發(fā)展加以控制，提高混凝土整體韌性。此外，因為其泌水性得到有效改善，能夠為混凝土結(jié)構(gòu)早期維護提供較大便利。水泥固化初期，與普通混凝土相比，摻入聚丙烯纖維的混凝土能夠保持更多水分，使水泥水化反應更完全，降低骨料離析，級配均勻，使表面強度增加。在實際應用中，聚丙烯纖維表面處理工藝能使纖維和水泥基料之間緊密結(jié)合，大幅增加混凝土整體強度，在混凝土結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊作用的情況下，聚丙烯纖維可以吸收其中的大部分能量，繼而降低應力集中效果，阻止混凝土裂縫迅速擴散，使混凝土具有強大的抗沖擊能力。此特性對經(jīng)常受沖擊疲勞的混凝土結(jié)構(gòu)，比如道路、機場、倉庫地面、停車場以及國防設施等具有非常積極的作用。

三、結(jié)語

總而言之，在建筑工程中對聚丙烯纖維的合理應用，結(jié)合工程建設需求將其摻入到混凝土材料當中，對于提高工程整體力學性能具有非常重要的促進作用。作為一名工程技術人員，應該在日常工作中積極探索，對國內(nèi)外的一些先進應用技術和理念加以借鑒，繼而與我國建筑工程行業(yè)的整體情況相結(jié)合，創(chuàng)建出一套更加符合我國國情的纖維材料應用體系，為國家經(jīng)濟建設注入源源不斷的活力。

參考文獻：

[1]羅洪林，楊鼎宜，周興宇，等.聚丙烯纖維長徑比對混凝土力學性能的影響研究[J].混凝土，2019（09）：25-30.

[2]肖科.聚丙烯纖維混凝土高溫后的殘余力學性能[J].消防科學與技術，2019，38（07）：990.

[3]李一，張廣泰，田虎學，等.鋰渣聚丙烯纖維混凝土基本力學性能試驗[J].河南科技大學學報（自然科學版），2016，37（04）：60-65+7.

[4]劉逸，馬勇.聚丙烯纖維混凝土的性能與應用趨勢[J].廣東建材，2016，32（03）：4-6.

[5]杜曦，陳有亮，劉松明，等.高溫后聚丙烯纖維混凝土力學性能試驗研究[J].力學季刊，2014，35（02）：335-340.