掺聚丙烯纤维对改善高强混凝土性能的研究

韩轶多，谢 静

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024）

混凝土是目前建筑工程中应用最为广泛的建筑材料之一，与木材、钢材等建筑材料相比，混凝土有着十分显著的优点。高强混凝土更是以其高抗压强度、高抗变形能力、低孔隙率等优越性，在大跨度桥梁结构、高层建筑结构以及某些特殊结构中广泛应用。但是，高强混凝土也存在着明显的缺点，如韧性差、抗高温性能差等。随着高强混凝土越来越广泛的应用，改善及提高高强混凝土的物理力学性能，提高其耐久性，延长其使用寿命，成为当前工程界亟需解决的问题。目前，掺聚丙烯纤维是改善高强混凝土性能的重要手段之一，研究掺聚丙烯纤维对高强混凝土性能的改善具有十分重要的现实意义。

1 聚丙烯纤维混凝土的发展

国外对聚丙烯纤维混凝土的研究较早，大概开始于20世纪60年代。最开始的时候，英国在制造某些墙板、浮体、桩壳等预制品时，将少量（掺量＜0.05%）短切的膜裂纤维掺入到混凝土中，用于提高混凝土的抗冲击性能，效果明显。经过短短几年的发展，聚丙烯纤维混凝土就已经得到国际科研学者的重视，在1975年的国际材料与结构实验室联合会论文集《纤维增强水泥与混凝土》中，有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、计算方法、施工技术等均有较全面的论述[1]。1989年，墨西哥在其最大的建筑项目——墨西哥市高级购物中心的板、梁、柱等所有的混凝土结构中都掺入了纤维网，用于提高建筑物的抗地震破坏能力，取得了比较理想的效果。近年来，美国以及加拿大在混凝土工程中，广泛使用掺入少量合成纤维的预制混凝土，用于改善混凝土制品的各种性能，其中聚丙烯单丝纤维以其化学耐腐蚀性高、价格低廉、来源较广等特点尤为引人关注[2]。

国内对聚丙烯纤维混凝土的研究起步较晚。20世纪90年代初，广州至佛山的高速公路部分路段试用了聚丙烯纤维混凝土，取得了比较好的效果，之后聚丙烯纤维混凝土开始在土木工程领域广泛使用。2001年，吉林省梅河口市的渠道防渗护砌试验工程，采用了改性聚丙烯纤维混凝土[3]。重庆世界贸易中心特大型转换层大梁采用了聚丙烯纤维混凝土技术，解决了高强度大体积混凝土施工中提高韧性和抗裂的难题。短短十数年的时间，聚丙烯纤维混凝土在道路、水利以及桥梁工程中均取得了良好的实践效果。采用聚丙烯纤维混凝土的工程实例在我国境内已经数以万计，工程类型几乎包含工业与民用建筑工程中所有用到混凝土的场合[4]。

2 聚丙烯纤维的物理性能

聚丙烯纤维是一种塑料纤维，白色、半透明状，呈网状或束状单丝结构，见图1，在混凝土中搅拌时分散成丝状。

聚丙烯纤维被称为混凝土的“次要加强筋”，其具有如下特点：性能稳定、安全无毒、分散性好、握裹力强、高耐酸碱、抗冻抗裂、施工简易、经济可靠。束状单丝聚丙烯纤维的主要性能指标见表1。

图1

表1 束状单丝聚丙烯纤维主要性能指标

3 聚丙烯纤维对高强混凝土性能的改善及作用机理

高强混凝土性能的改善，除了要解决脆性大、易开裂和抗冲击性能差等问题外，还对抗裂、抗渗、抗冻和抗冲耐磨性能有更高的要求。掺入适量的聚丙烯纤维，能在以下几个方面对混凝土性能有所改善。

3.1 改善高强混凝土的脆性

在高强混凝土中合理掺入聚丙烯纤维，由于其较好的分散性，聚丙烯纤维会在混凝土内部均匀分散，形成纵横交错的网状结构，有效抑制由塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的混凝土微裂缝的扩展，并延缓新裂缝的出现。材料内部连续性的增强，使冲击波被阻断引起的局部应力集中程度减小，这在很大程度上改善了高强混凝土的脆性[5]。

3.2 对混凝土拌和物具有增稠作用

掺入聚丙烯纤维后，混凝土拌和物中的水泥浆会包裹纤维表面，使得用于包裹粗、细集料以及自由流动的水泥浆相应减少，从而减小了拌和物的流动性能。又由于聚丙烯纤维表面积较大、表面摩擦系数较高，增大了拌和物流动时的相对摩擦力，使混凝土拌和物的黏聚性增大，增大的幅度随纤维长度及掺量的增加而加大。黏聚性的增加会改善混凝土拌和物的离析及泌水情况，使混凝土的整体性得到改善，稠度得到提高[6]。

3.3 提高高强混凝土劈拉强度

聚丙烯纤维具有高抗拉性能，混凝土中乱向分布的纤维在试件劈裂受拉时发挥了抗拉效果，承担了部分荷载，使得抗拉性能得到一定的提高。然而，纤维长度过短或过长，均起不到承担荷载的作用。纤维掺入过量，会使混凝土难以均匀拌和，导致纤维在混凝土内部分散不均，引起混凝土过渡区缺陷的增加，最终会降低混凝土劈裂抗拉强度。所以，只有适当的纤维长度及掺量可以提高高强混凝土劈拉强度。

3.4 对高强混凝土抗压强度的影响

目前，掺入纤维后高强混凝土抗压强度的变化规律并不一致。掺入聚丙烯纤维对混凝土抗压性能有两方面的影响：一方面，在受压过程中，由于掺入纤维，混凝土的横向膨胀受到约束，推迟了破坏进程，有利于混凝土抗压强度的提高；另一方面，掺入纤维减小了混凝土受压面积，当掺量较低时，抗压强度变化不大，而当纤维掺量增大、有效受压面积减小到一定程度时，其抗压强度会显著降低。在这两种因素的作用下，利于抗压性能的作用大于不利作用，就会使纤维混凝土抗压强度提高，否则，抗压强度降低。

3.5 缓解高强混凝土的高温爆裂情况

高强混凝土受高温后内部产生大量水蒸气，由于高强混凝土具有较强的密实性，水蒸气无法快速逸出，内部蒸气压急剧升高，容易发生爆裂现象。混凝土从其结构表面剥落或分离成若干碎块，暴露的钢筋快速软化屈服，造成突然猛烈的脆性破坏。而掺入了聚丙烯纤维的高强混凝土在遇到高温作用的时候，由于聚丙烯纤维熔点为160～180℃，内部均匀分散的聚丙烯纤维会很快汽化，在混凝土中留下孔道，为高温汽化的水分提供逸出的通道，抑制混凝土内部蒸气压的增加，从而缓解了高强混凝土的爆裂情况。

3.6 聚丙烯纤维对高强混凝土抗渗性能的影响

吴刚、李希龙等人通过试验得出结论：聚丙烯纤维可以改善混凝土的抗渗性能[7]。混凝土掺入适量聚丙烯纤维后，抑制了早期干缩裂缝的产生和发展，从而提高了混凝土的密实性，使混凝土抗渗能力大幅度提高。抗渗性能的提高能增强混凝土的抗腐蚀性、抗碳化性以及抗冻能力等，直接或者间接地影响混凝土的使用寿命，是混凝土耐久性的一个重要指标，提高了抗渗性能即是改善了混凝土的耐久性能。

4 结束语

综上所述，合理直径及长度的聚丙烯纤维，在适当的掺量下，可以改善高强混凝土的脆性，对混凝土拌和物具有增稠作用，并可提高高强混凝土的劈拉强度、抗压强度、防爆裂性能以及抗渗性能。施工实践证明，掺加聚丙烯纤维已成为改善高强混凝土性能最为广泛使用的方法之一。随着我国高强高性能混凝土的应用，对高强混凝土的性能要求也越来越高，高强度与高性能的结合，必将是未来混凝土发展的趋势与方向，聚丙烯纤维混凝土将具有广阔的应用前景。

[1]李果，戴靠山，袁迎曙.钢筋混凝土耐久性试验方法研究[J].淮海工学院学报，2002，11（3）:56-59.

[2]单风枝.聚丙烯纤维混凝土的力学性能及其在桥面铺装中的应用研究[D].西南交通大学,2005.

[3]李果,戴靠山,袁迎曙.钢筋混凝土耐久性试验方法研究[J].淮海工学院学报,2002,11(3):56-59.

[4]冉千平等.聚狡酸类高效减水剂现状及研究方向[J].化学建材，2001.

[5]马一平,谈慕华.聚丙烯纤维水泥基复合材料物理力学性能研究（I）——抗塑性干缩开裂性能[J].建筑材料学报，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]吴刚，李希龙，史丽华，王军.聚丙烯纤维混凝土抗渗性能的研究.混凝土，2010（7），95-101.