聚丙烯纖維水泥基材料的研究新進(jìn)展

張 權(quán) 段仲沅（南華大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng)421001）

聚丙烯工程纖維是一種應(yīng)用于建設(shè)工程的人工合成纖維。 1984 年，美國(guó)軍方為解決基地受軍事打擊的混凝土抗碎問(wèn)題，與合成工業(yè)公司混凝土專家合作，成功研制出世界上第一種混凝土聚丙烯纖維（FIBERMESH）。發(fā)展至今，F(xiàn)IBERMESH 以良好的工程性能和低廉的價(jià)格，已經(jīng)成為建筑、道橋、給排水、港口及巖土工程中日益重要的一種摻合料。聚丙烯纖維分為纖維絲和纖維網(wǎng)兩種，作為一種柔性纖維應(yīng)用于現(xiàn)代工程的20 多年間，其工程性能良好，沒有發(fā)生重大事故。其與傳統(tǒng)的鋼纖維相比，攪拌和泵送不需要特殊機(jī)械，而且工程性能相近，造價(jià)更低，具有廣闊的應(yīng)用前景。

聚丙烯是一種強(qiáng)度較高，彈性模量較低的柔性纖維。在混凝土中加入聚丙烯纖維可以有效的增加其使用壽命，而且可以彌補(bǔ)混凝土發(fā)生脆性破壞。它可以提高混凝土抗拉、抗折強(qiáng)度，聚丙烯的韌性可以降低混凝土形成初期的干縮而產(chǎn)生的裂縫。在道路工程中加入聚丙烯纖維的路面比一般路面耐磨。在防水及地下工程中，聚丙烯因有效減少混凝土的裂縫而有效防滲。其實(shí)，在剛性混凝土中加入柔性的聚丙烯纖維能整體提高混凝土工程綜合性能，實(shí)現(xiàn)混凝土的“剛?cè)岵?jì)”。

1 聚丙烯纖維材料性能

聚丙烯（俗稱丙綸）作為結(jié)晶聚合物的一種，為典型的主體規(guī)整結(jié)構(gòu)，分子量為10-15 萬(wàn)。比重：0.9-0.91，成型收縮率：1.0%-2.5%，成型溫度：160-220℃，其生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，投資少，效率高。生產(chǎn)過(guò)程一般要經(jīng)過(guò)噴絲和機(jī)械拉伸兩個(gè)過(guò)程，其纖維分子鏈?zhǔn)茄刂w維軸心線方向優(yōu)先分布的，故能在軸心方向上承受很大的拉應(yīng)力。

成型的聚丙烯纖維長(zhǎng)度一般為12-51mm，直徑一般在6000-26000 丹尼爾之間，1Kg 細(xì)纖維首尾相連總長(zhǎng)度可以繞地球十幾圈，說(shuō)明了其具有很大的長(zhǎng)徑比，使其與水泥基具有化學(xué)和機(jī)械粘接力，這種粘結(jié)力決定了纖維混凝土性能的好壞，增加其粘結(jié)力的方法有增加長(zhǎng)徑比和提高纖維表面粗糙度，使纖維不會(huì)被輕易的從水泥基中拔出[1]。

聚丙烯纖維抗堿和無(wú)機(jī)酸性能良好，憎水，在最大濕度下強(qiáng)度沒有降低，熔點(diǎn)為160-170℃，燃點(diǎn)為580℃，雖然熔點(diǎn)比較高，但是耐火性能不好。受陽(yáng)光和氧氣影響容易老化。彈性模量為3500MPa 左右。其實(shí)在混凝土中的聚丙烯纖維受大氣環(huán)境影響非常小，通過(guò)酸或堿溶液處理后的纖維可以有效的增加聚丙烯纖維表面粗糙程度及親水性，實(shí)驗(yàn)表明未處理、1M NAOH處理、1M HCL 處理的水和纖維的接觸角（前進(jìn)角）分別為115.2。、82.2。、78.1。[2]。說(shuō)明通過(guò)酸堿處理的聚丙烯纖維在沒有改變本身性能的情況下能與水泥基擁有更好的粘結(jié)力，低溫等離子體處理聚丙烯纖維可以明顯改善其吸濕性，通過(guò)DBD等離子改性手段得到的樣本不僅有很大的比表面能，而且生成了親水性基團(tuán)（-COOH）[3]。即使未通過(guò)特殊處理，聚丙烯纖維混凝土的工作性能也很樂(lè)觀。

2 聚丙烯纖維水泥基材料的基本力學(xué)性能

現(xiàn)代混凝土及砂漿作為一種以水泥基作為粘結(jié)膠的凝膠材料，水泥基硬化期間硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣等堿骨料與水反應(yīng)成C-S-H及C3AH6（有石膏下AFt 或AFm）。期間水化反應(yīng)放出大量的熱量，生成凝膠材料后體積縮小，由于混凝土和砂漿水化初期并沒有很高抗拉強(qiáng)度，在溫度變化及外部約束條件下使混凝土內(nèi)部容易被拉裂，而無(wú)法徹底消除的微小裂縫的產(chǎn)生，在大體積的混凝土工程中的重視程度往往決定了工程的好壞。在混凝土形成后期由于變形及溫度引起的裂縫也決定了其耐久性和力學(xué)性能。聚丙烯纖維的加入可以在材料水化時(shí)提供有效的抗拉強(qiáng)度，使內(nèi)部塑性裂縫不能延伸。據(jù)大量的研究及工程應(yīng)用表明，加入0.9Kg/m3聚丙烯纖維的砂漿的早期裂縫完全消失。

在后期工作期間，由于水泥復(fù)合材料（梁、地下內(nèi)混凝土墻、抹面砂漿等）抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度1/10 左右，其破壞往往是受拉區(qū)因?yàn)榭估瓘?qiáng)度不足而引起的。聚丙烯纖維（直徑0.02-0.1mm）細(xì)度要比鋼纖維大很多，在一般摻量的情況下，聚丙烯纖維根數(shù)可以達(dá)到每公斤水泥基材料上千萬(wàn)根，研究證明聚丙烯纖維抗裂能力與纖維本身強(qiáng)度、彈性模量并無(wú)直接關(guān)系，但其隨著纖維的細(xì)度增大、間隙的減少和不定向分布增大而增大[4]。

3 聚丙烯纖維水泥基材料的研究進(jìn)展

3.1 抗壓抗拉性能研究

湯寄予，齊新華等人[5]對(duì)高性能混凝土做抗壓強(qiáng)度研究表明：在高強(qiáng)混凝土中摻入0.6Kg/m3-1.0Kg/m3（工程常用摻量）聚丙烯纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大，基本可取高強(qiáng)混凝土相同值。張慧莉， 田堪良[6]試驗(yàn)研究表明：聚丙烯纖維摻量的增加降低了礦渣混凝土（礦渣摻量75%）的抗壓強(qiáng)度和彈性模量，但增加其泊松比。當(dāng)?shù)V渣摻量不超55%，摻入0.6%聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度不減反增。聚羧酸系超塑化劑、礦渣、聚丙烯纖維同時(shí)摻入混凝土中會(huì)改善其抗脆性，提高其抗壓性能。

黃功學(xué)，趙軍等[7]試驗(yàn)研究表明：摻入聚丙烯纖維混凝土比一般混凝土的抗壓性能提高15%左右，抗彎韌性、劈拉韌性則又較大幅度提高。王曉飛，丁一寧[8]采用環(huán)氧粘貼法對(duì)聚丙烯粗纖維（直徑0.8mm）混凝土作軸心抗拉試驗(yàn)，研究表明：摻量為9Kg/m3的聚丙烯粗纖維混凝土與素混凝土相比抗拉強(qiáng)度提高了43%，抗拉強(qiáng)度曲線峰值應(yīng)變提高了41%。

聚丙烯的摻入對(duì)混凝土而言，抗壓強(qiáng)度變化不明顯，但抗拉強(qiáng)度明顯提高，由于聚丙烯纖維猶如鋼索一樣，是一種典型的“只拉不壓”的柔韌性材料，故其對(duì)混凝土的抗壓性能貢獻(xiàn)并不很明顯，但是能明顯改善其抗拉性能和韌性。

3.2 抗疲勞性能研究

在結(jié)構(gòu)構(gòu)件加入聚丙烯纖維可以提高韌性，這與纖維本身韌性有密切關(guān)系。胡金生，周早生，唐德高等人[9]采用改進(jìn)SHPB 裝置對(duì)分離式Hopkinson 壓桿進(jìn)行了沖擊壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，在高應(yīng)變率沖擊壓縮荷載條件下，聚丙烯纖維混凝土與素混凝土抗壓強(qiáng)度相同，但前者韌性明顯好于后者。

楊啟斌，羅素蓉[10]采用Instron 電液伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)室內(nèi)小梁進(jìn)行彎拉疲勞試驗(yàn)，在循環(huán)荷載下把摻入聚丙烯纖維與未摻入聚丙烯纖維高強(qiáng)混凝土的疲勞性能作對(duì)比分析。研究表明摻入纖維的高強(qiáng)混凝土的抗疲勞性能顯著增強(qiáng)。

張偉[11]對(duì)改性聚丙烯纖維混凝土抗疲勞試驗(yàn)研究，與一般混凝土相比，其劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和彎曲疲勞性能有顯著提高。在不同的纖維摻量下考慮試件強(qiáng)度和疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果，決定纖維的最優(yōu)摻量為0.10%（體積分?jǐn)?shù)）。

分析其原因，可能與聚丙烯纖維本身韌性有關(guān)，可以吸收沖擊荷載所產(chǎn)生的能量，較大彈性模量的纖維的抗疲勞能力會(huì)更加顯著。

3.3 抗裂性能研究

邊坡加固中，在砂漿中摻入一定配比的聚丙烯纖維，可以提高錨固段與圍巖的粘結(jié)力，劉潤(rùn)，閆澍旺，羅強(qiáng)等人[12]采用彈塑性有限元方法模擬錨索的工作過(guò)程，研究表明這種纖維砂漿能夠改善錨固段的受力變形特征，增強(qiáng)砂漿的抗裂性，提高錨索的錨固能力。

楊世聰，王福敏[13]在《纖維混凝土技術(shù)規(guī)程》及《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)施工指南》規(guī)定下，對(duì)不同纖維砂漿做了早期抗裂試驗(yàn)，研究表明：在水泥：砂：水：纖維配合比為1：1.5：0.5：0.6的條件下得出第一條名義裂縫面積降低率為68.30%，說(shuō)明摻0.6Kg/m3聚丙烯纖維延緩了水泥砂漿的開裂時(shí)間和最大裂縫寬度。

付春松[14]作聚丙烯纖維現(xiàn)澆混凝土樓板在非荷載裂縫影響試驗(yàn)，研究表明：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，樓板的抗裂效果顯著增強(qiáng)，摻量為0.6Kg/m3的現(xiàn)澆樓板抗裂性能效果明顯，當(dāng)摻量到達(dá)1.0 Kg/m3時(shí)已經(jīng)非常顯著。合理?yè)搅浚?xì)纖維）在0.6Kg/m3-1.2Kg/m3之間，若摻量過(guò)多纖維不能有效分散，從而對(duì)工程造成不利影響。

3.4 抗?jié)B性能研究

混凝土的抗?jié)B防水性能很大程度上取決于材料的自密實(shí)度和裂縫（尤其與外在連通裂縫），摻入聚丙烯可以明顯減少裂縫產(chǎn)生，提高抗?jié)B防水效果。

尹明干[15]通過(guò)試驗(yàn)研究表明；在聚丙烯纖維摻量在1.0Kg/m3之下時(shí)，隨著摻量的增加，砂漿滲透系數(shù)降低，抗?jié)B性能越好，當(dāng)摻量超過(guò)1.0Kg/m3時(shí)，纖維可能含量過(guò)多引起打結(jié)分散不良的現(xiàn)象，對(duì)水泥砂漿抗?jié)B性提高甚微，合理的摻量為1.0Kg/m3。

向陽(yáng)開，藍(lán)祥雨[16]為了進(jìn)一步研究聚丙烯纖維隧道防水襯砌材料抗?jié)B性能，通過(guò)斷裂力學(xué)原理和細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析，推導(dǎo)出混凝土內(nèi)部裂縫處纖維應(yīng)力強(qiáng)度因子及與水泥基之間閉合力，給出聚丙烯增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性機(jī)理。結(jié)合試驗(yàn)證明聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性能優(yōu)于微膨脹混凝土，采用雙摻（0.9Kg/m3聚丙烯纖維和10%UEA-H）混凝土抗?jié)B性能最佳。

3.5 耐久性能研究

王彤，魯純，王先偉[17]對(duì)聚丙烯纖維混凝土路面做了室內(nèi)耐久性實(shí)驗(yàn)研究，據(jù)不同纖維體積摻量對(duì)路面抗裂性及抗凍性分析，表明當(dāng)纖維體積摻量到1.8%時(shí)基本沒有質(zhì)量損失，經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的損失率分別為0.38%和0.57%，其損失率低于一般混凝土路面的標(biāo)準(zhǔn)。如果在長(zhǎng)期凍融循環(huán)情況下，聚丙烯混凝土路面的耐久性要明顯好于一般路面。

寇曉峰，徐勝[18]針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)橋面鋪設(shè)要求，對(duì)不同摻量聚丙烯纖維混凝土做凍融循環(huán)和凍融-氯鹽共同作用下耐久性研究，研究結(jié)果表明：0.5 Kg/m3-1.0Kg/m3低摻量聚丙烯纖維橋面鋪裝混凝土可很大程度上提高抗凍、抗裂性能，并且不需要特殊攪拌裝置。

由于聚丙烯纖維應(yīng)用到工程領(lǐng)域比較晚，對(duì)其耐久性研究需要進(jìn)一步研究。水泥基材料耐久性是工程界非常重要的研究課題，其直接決定了工程有效的“續(xù)航”能力。影響水泥基耐久性的材料因數(shù)有：碳化、氯離子腐蝕、循環(huán)凍融破壞、堿骨料反應(yīng)、鋼筋銹蝕。在水泥基材料摻入聚丙烯纖維改變了材料微觀結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部裂縫，增加了材料的密實(shí)性及韌性，從而改善了其耐久性。

4 結(jié)論及展望

1)聚丙烯纖維熔點(diǎn)和燃點(diǎn)都不高，摻入聚丙烯纖維可以改善混凝土的耐火性能，尤其是高性能混凝土，國(guó)內(nèi)做耐火性實(shí)驗(yàn)比較少，應(yīng)加以關(guān)注。

2)聚丙烯纖維與水泥基粘結(jié)能力差，這與纖維表面光滑和親水性差有關(guān)，如何提高纖維的抗拔能力是研究的重點(diǎn)

3)聚丙烯纖維在水泥基材料中的工作機(jī)理十分復(fù)雜，當(dāng)有裂縫產(chǎn)生時(shí)的應(yīng)力集中問(wèn)題仍為難點(diǎn)，采用大型模擬分析軟件-ABAQUS 分析其工作機(jī)理可能是一條有效途徑。

(4) 需要對(duì)聚丙烯纖維幾何參數(shù)試驗(yàn)研究，確定最適長(zhǎng)度及最優(yōu)長(zhǎng)細(xì)比。

(5) 新型材料的研究，傳統(tǒng)聚丙烯耐久性有些仍不盡人意，某些地下工程后期會(huì)發(fā)生漏水開裂現(xiàn)象，具體失效的原因需要深入研究。

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