聚丙烯纤维混凝土及其应用

惠彦章 韩清春

混凝土或砂浆的纤维增强原理在很早以前就得到广泛应用，尤其是在房屋的建造方面。随着近代科学理论和应用技术的发展，各种人工合成材料的出现特别是那些力学性能优良又适合大量生产的纤维材料给建筑施工带来了不少的变化。像用于加固的碳纤维、用于混凝土抗裂的杜拉纤维等等。作为添加材料掺入混凝土的纤维材料使混凝土的力学性能得到进一步的提高。

1 纤维产品所面临的环境的要求

1)高耐碱性。混凝土内部是碱性的，纤维产品必须有足够的抗碱能力去应对碱性集料和水泥碱性水化物的侵袭。2)自分散性。纤维混凝土的纤维只有均匀的分布在水泥基体中才能发挥应有的作用。因此纤维产品应有很好的自分散性，不能结团成束否则纤维混凝土的力学性能就会打折扣。3)安全无害。纤维混凝土中所掺加的纤维必须对人体无害。这就是说纤维的安全性能也是必须要考虑的。由于施工场地条件的限制，纤维很容易被工人吸入体内，剧毒或是强致癌物质应当被禁用。4)规模化生产。能够使用于实际工程的纤维混凝土，所掺加的纤维必须是高度商品化的产品。要求纤维规模化生产，并非是纯粹的材料技术问题，更多的其实是强调纤维的批次稳定性，及不同时间得到的纤维产品性能必须完全相同。从生产组织的角度来说，还要强调纤维产品供应渠道的稳定性，保证所用纤维能够及时到达工地与施工现场。5)抗拉强度。纤维在混凝土中要发挥作用，必须具有比较高的抗拉强度。与水泥基体的抗拉强度相比，至少要高出两个数量级。6)变形能力。纤维应具有较高的变形能力，即其受拉时的极限伸长率与水泥基体的极限伸长率相比，至少要高出一个数量级，只有这样的纤维加入混凝土中才有利于复合体韧性与抗冲击能力的提高。7)粘结强度。纤维与水泥基体之间的粘结强度主要取决于纤维本身材质的特点，还受到纤维表面形状和粗糙程度的影响。8)弹性模量。纤维与水泥基体的弹性模量相比，其比值越高则受荷时纤维所分担的应力就越大，纤维的作用也就越加明显。9)价格合理。与任何建筑材料一样，对纤维混凝土中掺加的纤维也需要进行性价分析。必须采用技术经济的分析方法和手段，以不同纤维产品之间的性能价格比进行比较，不能仅仅盯住以重量为单位的单价。

2 杜拉纤维的性能

在纤维混凝土中用于抗裂的杜拉纤维学名聚丙烯纤维。聚丙烯是一种结构规整结晶性聚合物，乳白色、无味、无臭、无毒、质轻，是热塑性塑料。聚丙烯材料是一种非极性聚合物，有良好的电绝缘性能，有较好的化学稳定性。聚丙烯几乎不吸水，与大多数化学品如酸碱有机溶剂接触不发生作用。聚丙烯材料物理力学性能良好，抗张拉强度 3.3×107Pa～4.14×107Pa，抗压强度

4.14 ×107Pa～5.51×107Pa，伸长200%～700%，洛氏硬度R85～R 110，因此有良好的加工性能。早期纤维混凝土所掺用的丙纶短丝产品，大多是由聚丙烯薄膜经高倍拉伸后，再经针辊穿刺而制成的束状合成纤维，习惯上称为“聚丙烯膜裂纤维”。杜拉纤维不是以膜裂方式生产的，它是直接拉丝制成的聚丙烯单丝纤维的束状集合体，每一束中有许多根纤维单丝，在投入搅拌时自动分散开来。为了增加纤维与混凝土的表面结合力以及纤维单丝之间的互斥力，杜拉纤维在生产过程中经过了特殊的表面处理。杜拉纤维与砂浆或混凝土中水泥水化物之间的粘结，以及杜拉纤维在砂浆或混凝土当中自由分散的性质，是至关重要的两个技术特点，也是杜拉纤维在世界各国建筑行业中成功应用的关键所在。

3 杜拉纤维的应用

3.1 杜拉纤维在抗渗防水方面的应用

杜拉纤维在提高混凝土的抗渗性能方向上起了很大的作用。水灰比是影响水泥抗渗性能的决定性因素。增大水灰比，混凝土的密实度降低，相对渗透系数就显著增大。混凝土的渗透系数比水泥石的渗透系数大 100倍以上。这是由于在集料和水泥石的界面处存在裂缝以及在集料下方形成的孔穴等原因构成了水的通道造成的。在水灰比相同时，粗集料的粒径越大混凝土的渗透性就越大。养护方法对混凝土的渗透性也有影响。

3.2 杜拉纤维可以提高混凝土的耐久性

混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。耐久的混凝土结构当暴露在使用环境中时，具有保持原有形状，质量和适用性的能力，不会由于保护层碳化或裂缝宽度过大而引起钢筋腐蚀，不会发生混凝土严重腐蚀而影响结构的使用寿命等破坏情况。混凝土材料的自身特性与混凝土结构的设计施工质量是决定其耐久性的内因条件。混凝土是由水泥、水、粗细骨料和某些外加剂经搅拌、浇筑振捣和养护硬化等过程形成的人工复合材料。由于环境作用，必定以某种方式施加于混凝土材料，所以相对于混凝土材料的耐久性来说是影响结构耐久性的外部因素。外界环境因素对混凝土结构的破坏，是环境因素对混凝土结构物理化学作用的结果。由于杜拉纤维优良的热工性能、抗渗阻裂性能、耐火性能和耐磨性能使杜拉纤维混凝土的耐久性得到了保证。杜拉纤维混凝土拌合物的制备非常简便。杜拉纤维本身具有非常稳定的物理和化学性质，不会和混凝土中的骨料、外加剂、掺合料和水泥发生反应，对搅拌设备也没有特殊的要求。无论是在混凝土搅拌站还是在现场施工都非常方便，养护也没有额外的要求，对施工环境有很好的适应。

3.3 杜拉纤维在泵送混凝土中的应用

泵送混凝土，即泵送商品混凝土在工程中被广泛应用。但泵送混凝土工程出现早期裂缝有日益增加的趋势。所谓早期裂缝，主要是指混凝土结构在尚未施加使用负荷以前就出现的裂纹。它既出现在建筑工程的地上和地下部位，也出现在桥梁结构工程中;既出现在大体积混凝土结构，也出现在断面只有几十厘米的梁、板结构。所有混凝土结构的破坏，都是从裂缝的扩展开始的。由此往往引起人们对裂缝的恐惧感，这是可以理解的。针对商品混凝土而言，由于泵送商品混凝土工程存在早期裂缝，甚至会导致建设单位拒绝支付商品混凝土工程款，形成不易调解的纠纷。泵送商品混凝土工程一般采用新法烧制的水泥。这种水泥比表面积大，早期水化迅速，由于水泥用量大，再加上使用保水性较好的萘系减水剂，使得采用这种水泥的商品混凝土形成水化快、水化热发展快、拌合物保水性强、泌水性小。于是混凝土表面水分的蒸发速率大于泌水速率，但表面水分得不到补充而施工场地养护条件有限，基本沿用过去的简单养护模式不能有效的避免裂缝的产生。杜拉纤维的加入能有效减少裂缝的产生，而对泵送混凝土的坍落度影响不大，不会对商品混凝土的泵送带来不便。

3.4 杜拉纤维在高强混凝土的应用

钢管混凝土柱应用在高层建筑中有明显的实用性与优越性。为配合高强钢板做螺旋卷管在工程中采用C 70，C 80高强混凝土，这样可使钢管混凝土柱的优越性得到充分发挥。但是，由于高强混凝土材料在力学性能上存在明显的脆性，受压时表现出较小的塑性和较大的脆性，所以设计高强混凝土时必须保证构件能有必要的延性。另一方面由于钢管混凝土柱高强混凝土浇筑时通常采用混凝土高位抛落法，这样浇筑的混凝土气孔率较高，影响高强混凝土的密实度及承载力，现场虽然可利用高强混凝土不易离析、不易过振等特点，用振捣器在钢管内加以振动，确保混凝土密实，但高强混凝土的气孔率仍偏高，加上高强混凝土的极限应变值仅为 0.003，较普通混凝土的极限应变值小，容易产生劈裂现象，明显影响高强混凝土的使用并对抗震不利。通过掺加聚丙烯纤维能大大提高混凝土抗裂性能和韧性，对克服高强混凝土的脆性有比较理想的作用。此外，杜拉纤维掺加在钢管混凝土中可以明显改善混凝土的物理性能，使混凝土的延性增强减少劈裂的产生，混凝土的抗冲击力和抗震性能也有一定的提高。通过上述对纤维混凝土及杜拉纤维本身性能特点的了解，可见其作用效果相当明显，但美中不足的是杜拉纤维是美国希尔兄弟公司生产的产品，质量虽然能得到保证但要在工程中普遍采用就需要大量进口，同为聚丙烯材料的国内纤维产品因表面处理相对落后，纤维的分散性及力学性能较杜拉纤维有所欠缺，希望国内纤维生产企业能够加强自身创新能力，生产出更具特色的优质产品，推动我国建设工程的快速发展。

[1] 龚 益，沈荣熹，李清海.杜拉纤维在土建工程中的应用[M].北京:机械工业出版社，2002.

[2] 徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[3] 张 昉，齐 静，陈鹏柱.聚丙烯长纤维混凝土的抗弯曲韧性试验研究[J].山西建筑，2009，35(7):179-180.