聚丙烯纖維混凝土的性能與應(yīng)用趨勢

劉逸馬勇（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院；廣州大學(xué)工程抗震中心）

聚丙烯纖維混凝土的性能與應(yīng)用趨勢

劉逸1馬勇2
（1廣州大學(xué)土木工程學(xué)院；2廣州大學(xué)工程抗震中心）

介紹了聚丙烯纖維基本物理性質(zhì)，分析了聚丙烯纖維對(duì)混凝土的作用機(jī)理，介紹總結(jié)了聚丙烯纖維混凝土抗收縮性、抗沖擊性、抗?jié)B性、抗凍融性、耐磨損性，并提出聚丙烯纖維高性能混凝土發(fā)展方向與重點(diǎn)，為聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用前景提供了參考意見。

聚丙烯纖維；混凝土；高性能；發(fā)展前景

自上世紀(jì)70年代以后,纖維在提高混凝土性能方面的作用越來越重要，鋼纖維、玻璃纖維、合成纖維等纖維材料應(yīng)用于水泥混凝土中,均顯示了其在混凝土中的優(yōu)勢。其中聚丙烯纖維應(yīng)用于混凝土中，具有的摻加工藝簡單、性能優(yōu)越、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使其在土木工程領(lǐng)域具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

1 聚丙烯纖維

聚丙烯纖維是半透明的白色束狀或者網(wǎng)狀單絲結(jié)構(gòu)。具體材料性能見表1。

表1 聚丙烯纖維的物理性質(zhì)

2 聚丙烯纖維混凝土的主要突出性能

聚丙烯纖維被稱為混凝土的“次要增強(qiáng)筋”［3］，是一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，其對(duì)混凝土產(chǎn)生的影響可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1抗收縮性

由于聚丙烯纖維短切亂向分布，形成了網(wǎng)面一樣的機(jī)理，從而阻止了混凝土小顆粒的沉降和分層，大大減少了混凝土中由于水作用形成的細(xì)小孔道，于是降低了泌水現(xiàn)象出現(xiàn)的概率，所以使混凝土在塑性狀態(tài)下的收縮率也大大降低。重慶大學(xué)梁寧慧研究表明［5］，在聚丙烯摻量相同時(shí)，在早期抗裂性上，長徑相比于較小者要強(qiáng)；在塑性混凝土狀態(tài)下，細(xì)纖維抗裂作用上要優(yōu)于粗纖維，但在硬化階段粗纖維在抗裂效應(yīng)中更為優(yōu)越。在體積摻量0.7%的l/d=50/63纖維可以使裂縫縮小40%左右，在l/d=19/15纖維則可以基本消除1mm寬的裂縫［6］。0.1%體積摻量的聚丙烯纖維的混凝土裂縫面積和砂漿裂縫面積均有顯著降低。

2.2抗沖擊性

東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉衛(wèi)東采用落錘法進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)［10］，試驗(yàn)時(shí)，將2kg重的落錘從900mm高度自由落下，沖擊錘中線與試件中心線對(duì)齊。依據(jù)ACI44委員會(huì)推薦的方法計(jì)算沖擊能量：

W=n·mgh

式中：

W——沖擊能量，N·m；

n——錘擊次數(shù)；

h——沖擊錘下落高度，m；

m——沖擊錘重量，kg；

g——重力加速度，m/s2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)聚丙烯纖維摻量0.6kg/m3時(shí)，相比普通混凝土的抗沖擊能力提高近一倍，當(dāng)摻量0.9kg/m3時(shí)，抗沖擊能力提高三倍以上，然而摻量為1.2kg/m3時(shí)，抗沖擊能力反下降，由此可知聚丙烯混凝土的抗沖擊能力隨聚丙烯纖維摻量的多少而變化，但其中存在一個(gè)峰值，在峰值左側(cè)呈上升趨勢，右側(cè)則反之［10］。聚丙烯纖維的彈性模量較普通混凝土彈性模量低，其斷裂伸長率比普通混凝土伸長率大，根據(jù)復(fù)合材料理論，聚丙烯纖維混凝土的力學(xué)性能是兩者共同作用的結(jié)果，其彈性模量遠(yuǎn)低于混凝土的彈性模量（約普通混凝土1/10～1/2)［6］，所以聚丙烯混凝土的延性較普通混凝土好，如此一來就很好的控制了裂縫的數(shù)量以及阻止了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，大幅提高了混凝土開裂還能承受的承載力，使得聚丙烯混凝土的抗沖擊韌性得到增強(qiáng)。

2.3抗?jié)B性

對(duì)于混凝土的早期塑性收縮開裂及離析裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，聚丙烯纖維具有很有效的抑制作用，對(duì)收縮裂縫特別是連通裂縫的產(chǎn)生也有很顯著的減少的效果。聚丙烯纖維在混凝土中使骨料均勻分布，提高了混凝土的密實(shí)性，降低了孔隙率也減少了有害孔的數(shù)量，阻礙了水分從混凝土內(nèi)部向表面遷移速率，因而聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性得到大幅度提高。南京水利科學(xué)院盧安琪的研究表明，雖然聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土的水灰比要大，但加壓到2.1MPa時(shí)，聚丙烯纖維混凝土的滲水高度比普通混凝土要少16%～19%，相比之下其抗?jié)B性要遠(yuǎn)優(yōu)于普通混凝土［14］。在工程實(shí)際運(yùn)用過程中，摻入聚丙烯纖維的混凝土將減少由于養(yǎng)護(hù)和溫差等原因引起的裂縫，提高了混凝土的致密性，使建筑結(jié)構(gòu)的的抗?jié)B和耐久性得到增強(qiáng)。

2.4抗凍融性

凍融破壞是混凝土在寒冷地區(qū)水工混凝土建筑物所需面對(duì)的問題，有關(guān)試驗(yàn)表明，在摻入一定劑量范圍的聚丙烯纖維，混凝土質(zhì)量損失率增大的同時(shí)會(huì)使得動(dòng)彈模量和相對(duì)動(dòng)彈模量增加明顯，依據(jù)混凝土凍融破壞的有關(guān)準(zhǔn)則，聚丙烯纖維混凝土在凍融環(huán)境下使用壽命得到增加，提高了混凝土的抗凍性能。摻加聚丙烯纖維增加了剝落現(xiàn)象的發(fā)生，但在反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于混凝土硬化過程中多余水分減少、孔隙率減少，聚丙烯纖維抑制了混凝土內(nèi)部裂縫的發(fā)展，使得混凝土在凍融條件下的使用性能仍然維持在較高的水平［7］。

2.5耐磨損性

耐磨損性也是聚丙烯纖維混凝土一項(xiàng)重要的指標(biāo)，劉衛(wèi)東試驗(yàn)表明［10］，聚丙烯纖維混凝土的耐磨損性與纖維的摻量有關(guān)，其中磨耗量以下式計(jì)算：

G=(m1-m2)/0.0125

式中：

G——單位面積的磨耗量（kg/m2）；

m1——試件的原始質(zhì)量；

m2——試件磨損后的質(zhì)量。

在一定的聚丙烯纖維摻量范圍內(nèi)，摻量越大的混凝土耐磨性越好，磨耗量也越低，不同型的纖維摻入混凝土，其耐磨性也不同［10］。

3 聚丙烯纖維混凝土的發(fā)展方向及應(yīng)用前景

發(fā)展高性能混凝土是現(xiàn)代社會(huì)的必然趨勢，高性能混凝土應(yīng)該具有高強(qiáng)度、高使用性、高流動(dòng)性及顯著的耐久性。但是，聚丙烯雖已然具備高性能混凝土的許多特性，其在流動(dòng)性及可攪拌性上還是具有明顯的短板，所以在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的今天，可以依托各種手段在不大幅增加造價(jià)的情況下改善聚丙烯纖維混凝土的流動(dòng)性，可攪拌性等性能差的缺陷，如此既能提高建筑物的耐久性延長建筑物的使用壽命，也能為節(jié)省造價(jià)費(fèi)用做出積極的貢獻(xiàn)。另一方面，隨著建筑物復(fù)雜程度和其高度的增加，對(duì)建筑的防火性能也提出了考驗(yàn)，而在高性能混凝土中加入聚丙烯纖維，當(dāng)溫度超過165℃時(shí)[17]，聚丙烯纖維熔融揮發(fā)，于是混凝土中會(huì)空出許多孔道，這對(duì)建筑物高溫所產(chǎn)生的氣體等的排放會(huì)非常有幫助，基于這些設(shè)想，聚丙烯纖維混凝土在現(xiàn)代建筑中必將有廣闊的發(fā)展前景。

另一方面，由于聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能優(yōu)越，應(yīng)用于渠道防滲，水壩修建，港區(qū)及碼頭的修建，其中在我國的農(nóng)村水利中，渠道防滲還僅僅是起步階段，專業(yè)的修砌和維護(hù)可以顯著提高混凝土的抗?jié)B和抗凍性能，進(jìn)而提高使用壽命和工程效益，能使綜合經(jīng)濟(jì)效益得到明顯的提升，這對(duì)我國水利工程建設(shè)的積極作用也十分明顯。

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