聚丙烯纤维混凝土研究综述

刘 波 张绪涛 尹瑞杰 高 跃

Cement and concrete production 水泥与混凝土生产

聚丙烯纤维混凝土研究综述

刘 波1张绪涛1尹瑞杰1高 跃2

（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）

纤维混凝土作为一种新型高性能混凝土建筑材料，在建筑工程领域已经得到了广泛的应用。从聚丙烯纤维混凝土力学性能与耐久性能两个方面综述了近些年来国内外学者关于聚丙烯纤维混凝土相关研究，分析并总结了聚丙烯纤维对混凝土的力学结构性能和耐久使用性能方面的影响，并针对下一步的研究方向提出了相关的看法与建议。

聚丙烯纤维混凝土；力学性能；耐久性能

0 前言

自水泥问世以来，混凝土材料便成为土木工程领域用量最大、应用范围最广的工程材料。其原料丰富、价格低廉、制备简单、造型方便，而且耐久、耐火性能好、维护费低等优点，使其在土木建筑材料中占有着极其重要的地位。随着社会的发展和科技的不断进步，各类建筑工程对于材料的各方面性能的需求变得更高，混凝土的缺陷也日渐显露，主要是抗拉强度低、变形量小、易发生脆性破坏等。众所周知，混凝土的抗拉强度相对于抗压强度要低得多，其抗拉强度仅为抗压强度的10%左右，受拉应力时混凝土容易出现裂缝，这是由于沉降和塑性收缩裂缝会穿过新拌混凝土，形成软弱面，降低了混凝土结构的整体性。而裂缝控制对于混凝土的施工寿命起着至关重要的作用。

纤维增强混凝土简称纤维混凝土，是以混凝土为基底，加入非连续的短纤维或连续的长纤维作为混凝土的增强材料，经过搅拌混合后而成的水泥基复合材料。由于聚丙烯纤维自身的优点：质量轻，弹性模量大，密度小，延展性好，阻裂性强，并且无味、无毒，能够有效地分散在混凝土中，使得聚丙烯纤维成为混凝土中应用最广泛的纤维之一，并且聚丙烯纤维混凝土以其优越的物理和力学性能被广泛应用于桥梁、房屋结构、路面、隧道等土木工程领域。

1 聚丙烯纤维混凝土力学性能研究

在聚丙烯纤维混凝土的技术发展和实用化过程中，力学性能是研究的重要方向之一。近几年学者对聚丙烯混凝土的研究主要集中在以下几个方面：选择不同的聚丙烯纤维掺量，通过对比混凝土的性能得到最佳纤维掺入量；研究聚丙烯纤维增强混凝土的力学结构性能，聚丙烯纤维对于混凝土结构的延性、韧性和抗弯承载力的增强作用都是当前研究的重点。在混凝土中加入钢纤维、玻璃纤维等，与聚丙烯纤维组合形成混杂纤维混凝土，研究混杂纤维混凝土的力学性能的影响；对纤维混凝土的内部结构的研究集中在宏观和细观方面。

张悦[1]分别对纤维掺量为0 kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3的聚丙烯混凝土试件进行了立方体抗压强度试验。试验结果发现：随着纤维掺量增加，聚丙烯纤维混凝土的抗压强度呈现先增后降的趋势，并且在纤维掺量超过0.9kg/m3时聚丙烯混凝土的抗压强度开始降低。王乾玺等[2]人研究发现聚丙烯纤维混凝土抗压强度提高幅度约为3.0％~5.3％，抗劈裂和抗折强度提高幅度约为14.2％~17.5％。Ede等[3]通过对聚丙烯纤维含量为0.25%、0.5%、0.75%和1%的混凝土试件进行了破坏性、非破坏性抗压强度试验和破坏性抗弯强度试验，并分别对不同组混凝土试件进行了7天、14天、21天和28天的标准养护。试验结果发现：聚丙烯纤维可以使混凝土28天立方体抗压强度提高约9%，并且聚丙烯纤维的最佳比例在0.25%和0.5%之间，聚丙烯纤维增强混凝土的效果在纤维掺量为0.25％时达到最优，其抗弯强度提高约为65％。

徐礼华等[4]通过对不同长径比和不同纤维掺量的聚丙烯混凝土试件分别进行力学性能试验，得出的试验结果表明：对长径比为167，聚丙烯纤维掺量分别为0.05％、1.0％、1.5％和2.0％的混凝土试件进行立方体抗压试验，其混凝土抗压强度和普通混凝土相比分别增加了2.12％、12.12％、15.84％、18.55％；对聚丙烯纤维掺量为1.0％，长径比分别为167、280、369的混凝土试件进行抗压试验，其抗压强度与普通混凝土相比分别增加了12.12％、14.80％、5.41％。余春[5]通过进行劈拉试验，测出不同纤维掺量聚丙烯混凝土的抗劈裂抗拉强度，研究发现聚丙烯纤维掺量为0.5kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3的纤维混凝土的劈裂抗拉强度分别为5.24Mpa、5.58Mpa、5.68Mpa和5.65Mpa，由于聚丙烯纤维在混凝土受拉时发挥抗拉作用效果,承担一部分了受拉荷载,使得聚丙烯纤维混凝土的抗劈拉强度随增加。宗荣等[6]研究表明，当聚丙烯纤维的掺入量达到0.9kg/m³时，混凝土抗折强度可以降低2％左右，掺量为1.8kg/m³时，抗折强度降低9％左右。张慧莉，田堪良等[7]人对聚丙烯纤维混凝土进行了弯曲疲劳性能与机理研究，试验结果表明：在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以有效提高混凝土的疲劳强度和使用寿命.获得对水泥砂浆界面过渡区复合补强效果。但是随着纤维掺入的过多，混凝土的疲劳强度反而降低，在恒定应力水平下，较高的加载频率使的降低疲劳强度更加显著。

对上述研究成果综合分析可发现，聚丙烯纤维的掺入能够有效改善混凝土内部缺陷.提高混凝土各项性能，抑制裂缝产生。聚丙烯纤维通过提高混凝土的拉伸性能和桥接形成裂缝来减缓塑性收缩和早期干燥收缩，聚丙烯纤维具有较低的杨氏模量，因此在高应力水平下不能防止裂纹的形成和扩展，但可以桥接较大的裂纹。聚丙烯纤维体积掺量的增加能提高混凝土的力学性能，增加混凝土的延性和韧性；随聚丙烯纤维掺入量的继续增高，混凝土的力学性能达到峰值后降低，但聚丙烯纤维混对混凝土的弹性模量、峰值强度、峰值应变和塑性应变影响均不明显。

2 聚丙烯纤维混凝土耐久性能研究

混凝土的耐久性，除了力学性能外最重要的性能之一，混凝土除了满足应具有的设计要求强度外，还要在不同的环境中，具备长期正常使用的性能，涵盖了包括抗冻性、抗渗性等方面。

滕飞等[8]通过研究表明掺入聚丙烯纤维能够在结构上阻碍混凝土内部水压力的渗透，从而提高混凝土的抗冻性能；并且随着聚丙烯纤维掺量越来越高，混凝土结构的质量损失率和动弹模量的损失率会随着冻融循环次数的累积而变得缓慢，这一现象说明了由于聚丙烯纤维的掺入，混凝土的抗冻性能相较于普通混凝土有很大提升。黄功学等[9]学者试验研究发现：通过对聚丙烯纤维混凝土试件分别进行50天、100天和150天的冻融循环，得到的试验结果表明，聚丙烯纤维的掺量在0.9％时，混凝土试件的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度降低的损失会达到最低，此时为纤维增强混凝土抗冻性最优掺量。Okan Karahan等[10]通过试验研究发现：在粉煤灰混凝体中掺入纤维体积分数分别为0%、0.05%、0.10%、0.20%的聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与粉煤灰的相互作用使掺加粉煤灰的纤维混凝土的干缩率最低，聚丙烯纤维混凝土的抗冻融性能比无纤维混凝土略有提高。

在混凝土抗渗性能方面，程云虹等[11]采用了渗水高度法测定了不同种类纤维混凝土的抗渗性能，实验结果表明最优选是聚丙烯纤维。徐晓雷等[12]通过抗渗试验和渗水高度试验得到结果为，当聚丙烯纤维掺量为0.15％时，其抗渗性能约为普通混凝土的2倍。赵兵兵等[13]采用通过渗水高度法研究玄武岩-聚丙烯纤维混凝土耐久性能，通过试验得出结果发现：混杂纤维掺入率为0.9％以下时，其抗渗性能相较于普通混凝土有所提高，并且在玄武岩-聚丙烯的掺和比例为2∶1，掺入率0.3％时，混凝土的抗渗性能提高幅度最大，即纤维的最优掺率为0.3％，但是当混杂纤维掺率达到1.2％时，纤维混凝土的抗渗性能出现下降。

根据对上述学者们的研究成果进行综合分析可知，在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维能够有效提高混凝土的密实程度，减少混凝土内部的孔隙率，提高混凝土的抗渗性能；并且通过掺入聚丙烯纤维，减少水的渗透量和吸收部分未冻水，减小混凝土内部的静水压力，从而提高了混凝土的抗冻性能。但是当聚丙烯纤维掺量过多时，混凝土内部容易出现打团的现象，并且由于纤维分布不均匀，导致不同孔隙率增大，内部结构多空疏松，反而降低了混凝土的抗冻性能。

3 结语

本文综述了近些年国内外学者关于聚丙烯纤维在改善混凝土的力学与耐久性方面的一些研究成果，通过进行大量实验研究证明：聚丙烯纤维的加入，能够使混凝土在抗压、抗拉、抗折、抗弯曲、抗冲击等力学性能方面以及抗冻性、抗渗性、抗碳化等耐久性能方面均优于普通混凝土。聚丙烯纤维对在提升混凝土抗压强度方面作用影响较小，在抗劈拉以及抗弯折强度方面提升较大。在混凝土的耐久性能实验中，聚丙烯纤维能有效提高混凝土的抗冻性，抗渗性等性能，但是如果掺入过量的聚丙烯纤维，则会适得其反。

我们可以看到，目前国内外学者针对聚丙烯纤维混凝土的研究集中在单一聚丙烯纤维或两种混杂纤维的方向，对两种纤维混杂的混凝土或多尺度纤维混凝土方向没有过多研究；并且目前的研究探讨多为单一因素的影响，但在实际工程中遇到单一因素影响的情况较少，因此在今后的研究工作中，将研究方向重点放在多因素作用下，聚丙烯混凝土的力学性能所产生的变化，我们可以通过对聚丙烯混凝土进行力学性能试验，测定聚丙烯纤维混凝土的基本力学性能，分析试验所得出的应力-应变曲线，通过有限差分模拟软件进行相应数值模拟，结合应力-应变曲线对聚丙烯纤维混凝土本构模型进行拟合，这样所得到的试验结果更贴近工程实际，试验数据也更具有价值。

[1]张悦.聚丙烯纤维混凝土力学性能及损伤破坏形态研究[D].西安:西安理工大学.2019.

[2]王乾玺.纤维对混凝土抗氯离子和抗碳化性能的试验研究[D]银川:宁夏大学.2013.

[3]Ede A,Oluwabambi Ige A.Optimal polypropylene fiber content for improved compressive and flexural strength of concrete[J]. IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering,2014, 11(03): 129-135.

[4]徐礼华,黄彪,李彪,池寅,李长宁,时豫川.循环荷载作用下聚丙烯纤维混凝土受压应力-应变关系研究[J].土木工程学报,2019.52(04):1-12.

[5]余春.高性能聚丙烯纤维混凝土性能研究[D].重庆:重庆交通大学.2009.

[6]宗荣.聚丙烯纤维混凝土使用性能研究[D].西安:长安大学, 2004.

[7]张慧莉,田堪良.矿渣聚丙烯纤维混凝土抗弯疲劳性能[J].浙江大学学报（工学版）.2011.45(04):699-707.

[8]滕飞,聚丙烯纤维混凝土冻融循环作用下的损伤模型研究[D]湖北:湖北工业大学. 2015.

[9]黄功学,赵军,高丹盈.聚丙烯纤维混凝土冻融后力学性能试验研究[J].人民黄河,2009, 31(5):105-106, 108.

[10]Okan Karahan,Cengiz Duran Atis.The durability properties of polypropylene fiber reinforced fly ash concrete[J].Materials and Design,2011(32):1044-1049

[11]程云虹，王宏伟,王元.纤维增强混凝土抗冻性试验研究[J].公路,2012(3): 179-182.

[12]徐晓雷,何小兵,易志坚.聚丙烯纤维混凝土的抗渗性试验和机理分析[J].中国市政工程, 2010(6): 6-7,75.

[13]赵兵兵,贺晶晶,王学志等.玄武岩-聚丙烯混杂纤维混凝土抗冻性试验[J].辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2015,34(12):1402-1407.

刘波（1993- ），男，硕士研究生，研究方向：岩土工程。

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