聚丙烯纤维水泥基材料的研究新进展

张 权 段仲沅（南华大学城市建设学院，湖南 衡阳421001）

聚丙烯工程纤维是一种应用于建设工程的人工合成纤维。 1984 年，美国军方为解决基地受军事打击的混凝土抗碎问题，与合成工业公司混凝土专家合作，成功研制出世界上第一种混凝土聚丙烯纤维（FIBERMESH）。发展至今，FIBERMESH 以良好的工程性能和低廉的价格，已经成为建筑、道桥、给排水、港口及岩土工程中日益重要的一种掺合料。聚丙烯纤维分为纤维丝和纤维网两种，作为一种柔性纤维应用于现代工程的20 多年间，其工程性能良好，没有发生重大事故。其与传统的钢纤维相比，搅拌和泵送不需要特殊机械，而且工程性能相近，造价更低，具有广阔的应用前景。

聚丙烯是一种强度较高，弹性模量较低的柔性纤维。在混凝土中加入聚丙烯纤维可以有效的增加其使用寿命，而且可以弥补混凝土发生脆性破坏。它可以提高混凝土抗拉、抗折强度，聚丙烯的韧性可以降低混凝土形成初期的干缩而产生的裂缝。在道路工程中加入聚丙烯纤维的路面比一般路面耐磨。在防水及地下工程中，聚丙烯因有效减少混凝土的裂缝而有效防渗。其实，在刚性混凝土中加入柔性的聚丙烯纤维能整体提高混凝土工程综合性能，实现混凝土的“刚柔并济”。

1 聚丙烯纤维材料性能

聚丙烯（俗称丙纶）作为结晶聚合物的一种，为典型的主体规整结构，分子量为10-15 万。比重：0.9-0.91，成型收缩率：1.0%-2.5%，成型温度：160-220℃，其生产工艺相对简单，投资少，效率高。生产过程一般要经过喷丝和机械拉伸两个过程，其纤维分子链是沿着纤维轴心线方向优先分布的，故能在轴心方向上承受很大的拉应力。

成型的聚丙烯纤维长度一般为12-51mm，直径一般在6000-26000 丹尼尔之间，1Kg 细纤维首尾相连总长度可以绕地球十几圈，说明了其具有很大的长径比，使其与水泥基具有化学和机械粘接力，这种粘结力决定了纤维混凝土性能的好坏，增加其粘结力的方法有增加长径比和提高纤维表面粗糙度，使纤维不会被轻易的从水泥基中拔出[1]。

聚丙烯纤维抗碱和无机酸性能良好，憎水，在最大湿度下强度没有降低，熔点为160-170℃，燃点为580℃，虽然熔点比较高，但是耐火性能不好。受阳光和氧气影响容易老化。弹性模量为3500MPa 左右。其实在混凝土中的聚丙烯纤维受大气环境影响非常小，通过酸或碱溶液处理后的纤维可以有效的增加聚丙烯纤维表面粗糙程度及亲水性，实验表明未处理、1M NAOH处理、1M HCL 处理的水和纤维的接触角（前进角）分别为115.2。、82.2。、78.1。[2]。说明通过酸碱处理的聚丙烯纤维在没有改变本身性能的情况下能与水泥基拥有更好的粘结力，低温等离子体处理聚丙烯纤维可以明显改善其吸湿性，通过DBD等离子改性手段得到的样本不仅有很大的比表面能，而且生成了亲水性基团（-COOH）[3]。即使未通过特殊处理，聚丙烯纤维混凝土的工作性能也很乐观。

2 聚丙烯纤维水泥基材料的基本力学性能

现代混凝土及砂浆作为一种以水泥基作为粘结胶的凝胶材料，水泥基硬化期间硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙等碱骨料与水反应成C-S-H及C3AH6（有石膏下AFt 或AFm）。期间水化反应放出大量的热量，生成凝胶材料后体积缩小，由于混凝土和砂浆水化初期并没有很高抗拉强度，在温度变化及外部约束条件下使混凝土内部容易被拉裂，而无法彻底消除的微小裂缝的产生，在大体积的混凝土工程中的重视程度往往决定了工程的好坏。在混凝土形成后期由于变形及温度引起的裂缝也决定了其耐久性和力学性能。聚丙烯纤维的加入可以在材料水化时提供有效的抗拉强度，使内部塑性裂缝不能延伸。据大量的研究及工程应用表明，加入0.9Kg/m3聚丙烯纤维的砂浆的早期裂缝完全消失。

在后期工作期间，由于水泥复合材料（梁、地下内混凝土墙、抹面砂浆等）抗拉强度只有抗压强度1/10 左右，其破坏往往是受拉区因为抗拉强度不足而引起的。聚丙烯纤维（直径0.02-0.1mm）细度要比钢纤维大很多，在一般掺量的情况下，聚丙烯纤维根数可以达到每公斤水泥基材料上千万根，研究证明聚丙烯纤维抗裂能力与纤维本身强度、弹性模量并无直接关系，但其随着纤维的细度增大、间隙的减少和不定向分布增大而增大[4]。

3 聚丙烯纤维水泥基材料的研究进展

3.1 抗压抗拉性能研究

汤寄予，齐新华等人[5]对高性能混凝土做抗压强度研究表明：在高强混凝土中掺入0.6Kg/m3-1.0Kg/m3（工程常用掺量）聚丙烯纤维对抗压强度影响不大，基本可取高强混凝土相同值。张慧莉， 田堪良[6]试验研究表明：聚丙烯纤维掺量的增加降低了矿渣混凝土（矿渣掺量75%）的抗压强度和弹性模量，但增加其泊松比。当矿渣掺量不超55%，掺入0.6%聚丙烯纤维混凝土抗压强度不减反增。聚羧酸系超塑化剂、矿渣、聚丙烯纤维同时掺入混凝土中会改善其抗脆性，提高其抗压性能。

黄功学，赵军等[7]试验研究表明：掺入聚丙烯纤维混凝土比一般混凝土的抗压性能提高15%左右，抗弯韧性、劈拉韧性则又较大幅度提高。王晓飞，丁一宁[8]采用环氧粘贴法对聚丙烯粗纤维（直径0.8mm）混凝土作轴心抗拉试验，研究表明：掺量为9Kg/m3的聚丙烯粗纤维混凝土与素混凝土相比抗拉强度提高了43%，抗拉强度曲线峰值应变提高了41%。

聚丙烯的掺入对混凝土而言，抗压强度变化不明显，但抗拉强度明显提高，由于聚丙烯纤维犹如钢索一样，是一种典型的“只拉不压”的柔韧性材料，故其对混凝土的抗压性能贡献并不很明显，但是能明显改善其抗拉性能和韧性。

3.2 抗疲劳性能研究

在结构构件加入聚丙烯纤维可以提高韧性，这与纤维本身韧性有密切关系。胡金生，周早生，唐德高等人[9]采用改进SHPB 装置对分离式Hopkinson 压杆进行了冲击压缩试验，结果表明，在高应变率冲击压缩荷载条件下，聚丙烯纤维混凝土与素混凝土抗压强度相同，但前者韧性明显好于后者。

杨启斌，罗素蓉[10]采用Instron 电液伺服式疲劳试验机对室内小梁进行弯拉疲劳试验，在循环荷载下把掺入聚丙烯纤维与未掺入聚丙烯纤维高强混凝土的疲劳性能作对比分析。研究表明掺入纤维的高强混凝土的抗疲劳性能显著增强。

张伟[11]对改性聚丙烯纤维混凝土抗疲劳试验研究，与一般混凝土相比，其劈裂强度、抗折强度和弯曲疲劳性能有显著提高。在不同的纤维掺量下考虑试件强度和疲劳性能试验结果，决定纤维的最优掺量为0.10%（体积分数）。

分析其原因，可能与聚丙烯纤维本身韧性有关，可以吸收冲击荷载所产生的能量，较大弹性模量的纤维的抗疲劳能力会更加显著。

3.3 抗裂性能研究

边坡加固中，在砂浆中掺入一定配比的聚丙烯纤维，可以提高锚固段与围岩的粘结力，刘润，闫澍旺，罗强等人[12]采用弹塑性有限元方法模拟锚索的工作过程，研究表明这种纤维砂浆能够改善锚固段的受力变形特征，增强砂浆的抗裂性，提高锚索的锚固能力。

杨世聪，王福敏[13]在《纤维混凝土技术规程》及《混凝土结构耐久性设计施工指南》规定下，对不同纤维砂浆做了早期抗裂试验，研究表明：在水泥：砂：水：纤维配合比为1：1.5：0.5：0.6的条件下得出第一条名义裂缝面积降低率为68.30%，说明掺0.6Kg/m3聚丙烯纤维延缓了水泥砂浆的开裂时间和最大裂缝宽度。

付春松[14]作聚丙烯纤维现浇混凝土楼板在非荷载裂缝影响试验，研究表明：随着聚丙烯纤维掺量的增加，楼板的抗裂效果显著增强，掺量为0.6Kg/m3的现浇楼板抗裂性能效果明显，当掺量到达1.0 Kg/m3时已经非常显著。合理掺量（细纤维）在0.6Kg/m3-1.2Kg/m3之间，若掺量过多纤维不能有效分散，从而对工程造成不利影响。

3.4 抗渗性能研究

混凝土的抗渗防水性能很大程度上取决于材料的自密实度和裂缝（尤其与外在连通裂缝），掺入聚丙烯可以明显减少裂缝产生，提高抗渗防水效果。

尹明干[15]通过试验研究表明；在聚丙烯纤维掺量在1.0Kg/m3之下时，随着掺量的增加，砂浆渗透系数降低，抗渗性能越好，当掺量超过1.0Kg/m3时，纤维可能含量过多引起打结分散不良的现象，对水泥砂浆抗渗性提高甚微，合理的掺量为1.0Kg/m3。

向阳开，蓝祥雨[16]为了进一步研究聚丙烯纤维隧道防水衬砌材料抗渗性能，通过断裂力学原理和细观结构的力学分析，推导出混凝土内部裂缝处纤维应力强度因子及与水泥基之间闭合力，给出聚丙烯增强混凝土抗渗性机理。结合试验证明聚丙烯纤维混凝土抗渗性能优于微膨胀混凝土，采用双掺（0.9Kg/m3聚丙烯纤维和10%UEA-H）混凝土抗渗性能最佳。

3.5 耐久性能研究

王彤，鲁纯，王先伟[17]对聚丙烯纤维混凝土路面做了室内耐久性实验研究，据不同纤维体积掺量对路面抗裂性及抗冻性分析，表明当纤维体积掺量到1.8%时基本没有质量损失，经过100次冻融循环后抗折强度和抗压强度的损失率分别为0.38%和0.57%，其损失率低于一般混凝土路面的标准。如果在长期冻融循环情况下，聚丙烯混凝土路面的耐久性要明显好于一般路面。

寇晓峰，徐胜[18]针对严寒地区桥面铺设要求，对不同掺量聚丙烯纤维混凝土做冻融循环和冻融-氯盐共同作用下耐久性研究，研究结果表明：0.5 Kg/m3-1.0Kg/m3低掺量聚丙烯纤维桥面铺装混凝土可很大程度上提高抗冻、抗裂性能，并且不需要特殊搅拌装置。

由于聚丙烯纤维应用到工程领域比较晚，对其耐久性研究需要进一步研究。水泥基材料耐久性是工程界非常重要的研究课题，其直接决定了工程有效的“续航”能力。影响水泥基耐久性的材料因数有：碳化、氯离子腐蚀、循环冻融破坏、碱骨料反应、钢筋锈蚀。在水泥基材料掺入聚丙烯纤维改变了材料微观结构，减少了内部裂缝，增加了材料的密实性及韧性，从而改善了其耐久性。

4 结论及展望

1)聚丙烯纤维熔点和燃点都不高，掺入聚丙烯纤维可以改善混凝土的耐火性能，尤其是高性能混凝土，国内做耐火性实验比较少，应加以关注。

2)聚丙烯纤维与水泥基粘结能力差，这与纤维表面光滑和亲水性差有关，如何提高纤维的抗拔能力是研究的重点

3)聚丙烯纤维在水泥基材料中的工作机理十分复杂，当有裂缝产生时的应力集中问题仍为难点，采用大型模拟分析软件-ABAQUS 分析其工作机理可能是一条有效途径。

(4) 需要对聚丙烯纤维几何参数试验研究，确定最适长度及最优长细比。

(5) 新型材料的研究，传统聚丙烯耐久性有些仍不尽人意，某些地下工程后期会发生漏水开裂现象，具体失效的原因需要深入研究。

[1]陈润锋,张国防,顾国芳. 我国合成纤维混凝土研究与应用现状[J]. 建筑材料学报,2001,4(2):167-173.

[2]XuLi Fu, Weiming Lu and D.D.L Chung A Comparative Study of the Wettability of Steel, Carbon, and Polyethylene Fibers by water. C.C.R Vol.28 聚 丙 烯783-786.1998.

[3]刘松涛. 利用低温等离子体技术改善聚丙烯纤维吸湿性能的研究[D]. 硕士学位论文,东华大学,2004.

[4]尹正刚,王坚.聚丙烯纤维增强水泥基材料性能技术应用及研究的现状[J].建筑材料,2007 ,(48):43-44.

[5]汤寄予,齐新华,刘丽娜,等. 聚丙烯纤维高强混凝土抗压性能研究[J]. 河南建材,2008,(5):26-27.

[6]张慧莉,田堪良. 矿渣聚丙烯纤维混凝土的抗压性能[J]. 四川大学学报,2011,43(3):49-55.

[7]黄功学,赵军,高丹盈. 聚丙烯纤维混凝土抗拉性能试验研究[J]. 灌溉排水学报,2009,28(3):58-60.

[8]王晓飞,丁一宁. 聚丙烯粗纤维混凝土轴拉性能的试验研究[J]. 混凝土,2011,(1):81-84.

[9]胡金生,周早生,唐德高,等. 聚丙烯纤维增强混凝土分离式Hopkinson 压杆压缩试验研究[J]. 土木工程学报,2004,37(6):12-15.

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[13]杨世聪,王福敏. 不同柔性纤维砂浆在凝固过程中裂缝开展性能比较[J]. 重庆交通大学学报,2009,28(1):45-48.

[14]付春松. 聚丙烯纤维对现浇混凝土楼板非荷载裂缝影响的试验研究[D]. 硕士学位论文,广西大学,2006.

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[17]王彤,鲁纯,王先伟. 聚丙烯纤维混凝土路面耐久性实验研究[J]. 玻璃纤维,2006,(1):24-26.

[18]寇晓峰,徐胜. 低掺聚丙烯纤维混凝土桥面铺装耐久性分析[J]. 交通科技与经济, 2011,(4):37-40.