聚丙烯纖維和織物混凝土的研究綜述

李楨怡，王 成，2，李曦彤，戎澤斌，薛 山

（1.塔里木大學 水利與建筑工程學院，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾 843399；2.塔里木大學 南疆巖土工程研究中心，新疆維吾爾自治區(qū) 阿拉爾 843399）

混凝土自身抗拉與抗壓強度的不對稱性、脆性、干縮性等特性，導致混凝土在澆筑完成或受到荷載作用后總會出現(xiàn)裂縫，這些裂縫的產(chǎn)生和擴展是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能和力學性能顯著下降的主要原因之一。

與普通混凝土相比，纖維的摻入能夠在很大程度上阻止裂縫的產(chǎn)生和繼續(xù)擴大，它能讓壓應(yīng)力集中在裂縫的最上端，從而提高混凝土的抗拉強度和由主拉應(yīng)力控制的剪切性能及彎曲性能。聚丙烯纖維的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢，具備了較強的阻裂性，質(zhì)地軟，密度不高，在混凝土內(nèi)保持了良好的均勻性，不易出現(xiàn)結(jié)團問題，因此該材料廣泛應(yīng)用到了混凝土生產(chǎn)中。

聚丙烯纖維混凝土除了應(yīng)用在混凝土中，還廣泛應(yīng)用在衣物制品、家庭裝飾材料、工業(yè)用布等方面。聚丙烯纖維織物類損耗量巨大，垃圾站中聚丙烯纖維織物里的加入光穩(wěn)定劑的聚丙烯纖維很難自然降解，可以對廢棄的織物再生利用，對廢棄的織物是否能和原料纖維一樣增強混凝土進行研究。

1 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用

1.1 聚丙烯纖維混凝土的抗凍性能

混凝土工程中，會在很大程度上影響工程質(zhì)量的因素就有溫度高低，徐傅晶針對溫度變化對于混凝土的影響進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在添加適量聚丙烯纖維之后降低了溫度對于混凝土的不利影響，有效抑制了裂縫的形成。姚文杰等采用凍融實驗進行了研究，驗證了將聚丙烯纖維摻加到混凝土之后的抗凍效果。根據(jù)得到的試驗結(jié)果可知，在摻入量不同時混凝土的抗凍效果存在差異性，最佳效果是的摻入量是0.9 kg/m3。另外還發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)次數(shù)達到200之后，聚丙烯纖維的摻入對于相對動彈性模量會產(chǎn)生顯著的良好影響。除了上述研究之外，王晨飛同樣在該領(lǐng)域進行了深入探索，并且對聚丙烯纖維混凝土做了100次的鹽凍，之后，又針對性地開展了SEM電鏡掃描，研究發(fā)現(xiàn)，雖然聚丙烯纖維占比增加，可以使其密實度進一步降低，然而在凍融時能夠有效抑制裂縫的擴展。

1.2 聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能

姚武指出將一定量的聚丙烯纖維添加到混凝土結(jié)構(gòu)中能夠減小孔隙率，抑制了裂縫的形成與發(fā)展，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。姜雪潔研究發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，如果混凝土中摻入較多的改性聚丙烯纖維，則能夠達到更好的抗?jié)B性能，但可能使其坍落度進一步下降。付長海對此進行了長期的探索，他表示，聚丙烯纖維摻入會在很大程度上影響到抗?jié)B性能，增強抗?jié)B性能的同時，還可以防止試件內(nèi)部出現(xiàn)貫通性的滲漏通道，從而達到較高的密實性。

1.3 聚丙烯纖維混凝土的抗裂性能

從混凝土抗拉強度來看，摻聚丙烯纖維混凝土與不摻聚丙烯纖維混凝土相比，前者的早期抗拉強度要比后者的早期抗拉強度高，有利于抵抗由于混凝土早期收縮而引起的裂縫出現(xiàn)。張建華發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維混凝土梁裂縫開展的速度比普通混凝土梁裂縫開展的速度緩慢，裂縫穩(wěn)定時期的荷載高于普通混凝土梁裂縫穩(wěn)定時期的荷載。張磊對此進行了大量的試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的摻入，可以使裂縫寬度、收縮變形進一步減小，使其抗裂性大幅增強，會在很大程度上影響到其早期抗裂性；持續(xù)提升纖維摻量，會使抗裂性增長速率不斷減小，其抗壓強度同樣也在不斷減弱；達到1.0kg/m3的情況下，就會產(chǎn)生最好的抗收縮、抗裂效果，同時也不會較大地影響到其強度。

1.4 聚丙烯纖維的增強延性

通過聚丙烯纖維，能夠使混凝土韌性得到有效改良，使其抗裂性能不斷增強，還能使其脆性得到明顯的改善。鄭文忠長期致力于該領(lǐng)域的探索，他開展了大量的實驗發(fā)現(xiàn)，當摻量為0.1%、0.2%的情況下，并沒有對顯著抑制到其高溫爆裂，如果摻量達到0.3%，就能對爆裂的情況進行有效的預防；當溫度高于200℃時，隨著聚丙烯纖維的增加，可以有效提升混凝土力學性能。黃桐的研究結(jié)果顯示，聚丙烯纖維混凝土在混凝土中處于亂序分布狀態(tài)，可以改善混凝土塑性收縮的問題；聚丙烯纖維還能增加混凝土的韌性，在荷載作用下，抑制了混凝土結(jié)構(gòu)微裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展；數(shù)量巨大的纖維單絲在混凝土內(nèi)部形成一個支撐體系，減緩了骨料離析的問題。

結(jié)合以上分析可知，在混凝土內(nèi)添加適量聚丙烯纖維有助于改善其性能，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的韌性，抑制了裂縫的形成?；炷亮W性能隨著聚丙烯纖維添加量增加表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢。另外，在摻入聚丙烯纖維之后能夠有效提升混凝土密實度，從而達到更高的抗?jié)B性能。但是在摻入量過大時也會產(chǎn)生不利的影響，會導致纖維結(jié)團現(xiàn)象越來越明顯，結(jié)團的數(shù)量也越來越多，混凝土的致密結(jié)構(gòu)會受到破壞，受力就會越來越不均勻，最終降低了劈裂抗拉強度。

2 織物混凝土的應(yīng)用

2.1 織物增強混凝土的粘結(jié)機理

在研究中發(fā)現(xiàn)，纖維編織網(wǎng)和混凝土間存在的界面粘結(jié)力總體可以劃分為多個部分，包括膠結(jié)力、機械咬合力以及摩擦阻力。而扯出纖維同樣涉及到了多個過程，首先是加載的前、后期兩個階段，其中在第一個階段中，在多個方向?qū)纬梢欢ǖ牧押? 在第二個階段內(nèi)會形成裂痕發(fā)展區(qū)，在此過程中新形成的裂痕與原有裂縫之間會逐步貫通，并進一步在結(jié)構(gòu)內(nèi)部擴展。在上述兩個階段結(jié)束之后會發(fā)展到第三個階段，此時脫黏區(qū)域?qū)⒊掷m(xù)延伸到試件中，最終導致構(gòu)件受力性能顯著降低，由此可以扯出材料內(nèi)的纖維束。

2.2 織物混凝土力學性能研究方面

織物混凝土(Textile Reinforced Concrete，TRC)是通過將整張織物網(wǎng)預埋在混凝土基體中，從而提高其抗彎、抗剪以及斷裂韌度的混凝土材料。Messiry研究了織物結(jié)構(gòu)的不同致密性和組成材料的不同對混凝土力學性能的影響，試驗使用了6種致密性不同但組成成分相同的織物和3種致密性相同但組成成分不同的織物，用這些材料制備混凝土，對混凝土試件進行抗彎和抗拉試驗，研究發(fā)現(xiàn)，織物長度越長韌性越大，更容易提高混凝土的抗彎、抗剪強度。杜玉兵同樣對此進行了長期的探索，他將織物混凝土作為研究對象，對其中的預應(yīng)力、外荷載影響抗蝕性能的情況進行了分析，結(jié)果表明預應(yīng)力法可以有效改善抗蝕性能。潘永燦針對織物和混凝土基體界面黏結(jié)性能進行了大量的研究，在研究中發(fā)現(xiàn)織物的彈性模量越高，界面黏結(jié)性能就越好；當織物進行浸膠處理后，可以使織物和基體界面黏結(jié)性能大幅提升。荀勇對纖維、織物、預應(yīng)力織物開展了深入探索，并且針對性地分析了它們對力學性能影響的情況，發(fā)現(xiàn)當沖擊荷載作用到織物混凝土薄板時，應(yīng)力能快速從混凝土基體傳遞至織物的空間結(jié)構(gòu)，彈性模量、強度都會在很大程度上影響到材料性能，通過控制混凝土基體的收縮可以顯著影響織物增強混凝土的力學性能。另外，荀勇對使用前復合材料中的織物進行浸膠處理，以及在織物混凝土薄板制作中在織物上施加預拉力，經(jīng)過試驗表明通過這樣的方式，可以對基體、織物產(chǎn)生很大影響，使二者間的黏結(jié)強度大幅提高，對混凝土力學性能的提高作用明顯。Yoo研究結(jié)果表明，織物混凝土試件在強度、韌性和殘余承載力方面表現(xiàn)優(yōu)良，各項性能的極值均高于鋼纖維混凝土；具有聚合物涂層的織物增強混凝土在強度、韌性和殘余承載能力等方面表現(xiàn)出良好的性能，其彎曲性能大于等于體積摻量為2%的鋼纖維混凝土?？椢锘炷翉澢鷱姸鹊膽?yīng)變敏感性與鋼纖維混凝土類似。

2.3 織物混凝土加固方面的研究

尹紅宇研究了織物混凝土對混凝土柱力學性能的提高機理，發(fā)現(xiàn)由于織物混凝土的約束作用，提高了構(gòu)件的強度，降低了側(cè)向變形能力；被織物混凝土加固的混凝土柱受到軸向壓力作用時，破壞形態(tài)主要是腰鼓狀剪壓破壞，并且承載力與織物摻量之間表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。肖保輝通過軸壓試驗驗證了織物混凝土加固的有效性，結(jié)果顯示該方法改善了柱體延性，此外還發(fā)現(xiàn)基體起裂荷載以及峰值荷載均會受到織物網(wǎng)層數(shù)的影響，具體表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系。

對上述研究成果綜合分析可發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)科研工作者研究的織物混凝土，是先把纖維用紡織的方法織成一張織物網(wǎng)，再把織物網(wǎng)放在混凝土中，養(yǎng)護后進行試驗。這些試驗對廢棄的聚丙烯纖維織物混凝土的研究提供了指導。

3 結(jié)束語

文章針對聚丙烯纖維混凝土發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，盡管當前在此領(lǐng)域的研究較多，并取得了大量的成果。然而很少涉及到多尺度纖維混凝土等相關(guān)的內(nèi)容。為了研究內(nèi)容更加貼近現(xiàn)實，需要針對多因素影響下的聚丙烯混凝土力學性能進行研究和分析。除了上述方向之外，在未來的研究中還應(yīng)涉及到織物混凝土耐高溫和耐久性等領(lǐng)域，繼而為其應(yīng)用提供足夠的支持。