聚丙烯纤维混凝土性能的研究和应用

摘要：聚丙烯纤维以其良好技术经济性能，在水泥基材料中得到日益广泛的应用。本文系统介绍了用于改善混凝土缺陷的聚丙烯纤维的特点及主要性能，对聚丙烯纤维对混凝土各种性能的影响以及目前国内的研究概况作了详细的分析和综述。

关键词：聚丙烯纤维；纤维增强混凝土；力学性能；抗渗性；抗裂性

Research and appliance on the capability of polypropylene fibre concrete

wang long chen liang liu rengguagn

(1.qingdao technological university,2.laiyang agricultural college)

Abstract: Polypropylene fibre have good technical and oecumenical capability ,which makes it possible to be widely used in cement.The paper introduces the specialty and capability of polypropylene fibre, and analyzes general situation of influence on concrete of polypropylene fibre.

Key words: polypropylene fibre, concrete, mechanical capability, barrier property , crack resistance

前言

混凝土的发展已有100多年的历史，以其可以就地取材，易于成型、成本低廉、适用性强等诸多优点，被广泛地应用于土建工程，是当前最大宗的人造材料。但作为多孔材料，混凝土也有脆性大、抗拉强度低、抗冲击能力差、易开裂等缺点。从混凝土应用的历史来看，实际工程中大量的钢筋混凝土结构由于混凝土的耐久性不足导致建筑物破坏甚至不能使用。国内外大量资料表明，由此而造成的经济损失是非常巨大的[1]。

混凝土的耐久性，是指混凝土在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土抗拉强度低、易开裂的缺点是导致其耐久性降低的一个重要因素。为了提高水泥基材料的耐久性，长期以来研究人员不断研究减少材料中微裂纹的产生及阻止裂缝的发展，包括提高其抗拉性能，增强韧性和延性的各种方法和途径。纤维混凝土技术的应用和开发就较好地改善了混凝土的这些缺点，而聚丙烯纤维是目前建筑市场上应用最为广泛的一种合成纤维。

1 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是以丙烯单体在一定条件下聚合而成的结构规整的结晶型聚合物，属于合成纤维的一种，它的商品名是丙纶。基本特性是:乳白色、无味、无溴、无毒、质轻、不吸湿、不溶于水、耐腐蚀、抗拉强度高。

20世纪60年代中期人们开始研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。随后合成纤维混凝土技术快速发展。Zollo[2]等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1-0.3%的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少12-25%。由于聚丙烯纤维生产原料比较丰富，生产过程比较简短，因此生产成本相对于其他品种纤维较低。实践证明,从性能价格比上看, 目前最可行的当属有机纤维中的聚丙烯纤维。

但是普通聚丙烯纤维,在掺入水泥混凝土中拌合的时候，往往出现在水泥浆中难于分散、结团现象严重、纤维与水泥浆的握裹力差、抗老化能力差等缺点。因此土建工程中所用的聚丙烯纤维必须经过改性处理。改性聚丙烯纤维具有良好的工程性能。在生产中经过特殊处理,使其表面具有一定的活性,这样就大大增加了纤维在混凝土中的分散性；喷制成的单丝改性聚丙烯纤维是非等径的或者在纤维表面出现一些微孔结构,这就增加了纤维与水泥浆的握裹力；同时纤维的抗老化、抗紫外线能力得到加强。改性聚丙烯纤维的物理化学性能参见表1。

目前，土建工程中常用的几种聚丙烯纤维有经表面改性的束状单丝纤维，如美国希尔兄弟化工公司的杜拉纤维（Durafiber）和丹麦的克裂速纤维（Cemfiber）；有三维结构的网状纤维，如美国纤维网公司（Fibermesh）生产的束状网式纤维；有微孔纤维，如中国吉林水利实业公司产的改性聚丙烯纤维；另外，还有采用膜裂工艺生产出的原纤化的膜裂纤维，掺如混凝土中纤维与混凝土基体的粘结强度较高，可以起到增韧、阻裂的综合效果[3]。

表1 改性聚丙烯纤维的物理化学性能

2 改性聚丙烯纤维混凝土的增强机理

在混凝土内掺入专用的聚丙烯纤维并经搅拌后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地混凝土材料混合，分布均匀，能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。在混凝土硬化过程时，由于水泥浆的化学收缩，使水泥浆与骨料之间的粘结面处产生拉应力，所以混凝土中存在着大量的极细小的微裂缝，这些微裂缝在混凝土受力时极易产生应力集中而导致破坏。在纤维加入到混凝土中后，当水泥基体收缩时，由于纤维这些微细配筋的作用而消耗了能量，可以抑制混凝土开裂的过程，有效地减少混凝土干缩时所引起的微小裂缝，大大提高了硬化后混凝土的抗裂能力和韧性，对克服高强混凝土的脆性有较理想的效果[4]。

3 聚丙烯纤维对混凝土性能的影响

3.1对抗压、抗拉和抗折强度的影响

同济大学混凝土材料研究国家重点实验室做了不同弹性模量纤维对高强混凝土力学性能影响的实验。通过在水灰比为0.3的混凝土中掺入体积掺量为0.4%钢、维纶、聚丙烯纤维，研究掺入不同纤维后混凝土的抗压、劈裂抗拉、断裂能三个力学性能指标的变化。实验结果表明，掺0.4%低弹性模量的聚丙烯纤维使混凝土的28d抗压强度降低18.2%,但劈裂抗拉强度仅降低了5%[5]。

付华[6]的研究结果表明,在水灰比都为0.4的条件下，掺加3.0Kg/m3的聚丙烯纤维能够使混凝土的7d抗压强度增大，但28d抗压强度降低，劈裂抗拉强度有所提高；掺2.5Kg/ m3的美国聚丙烯纤维网使混凝土的不同龄期抗压强度均提高10～20％。

综合各种研究结果表明，与钢纤维等高弹性模量的纤维不同，聚丙烯纤维属于低弹性模量、高延伸率的聚合物纤维，掺人混凝土后对混凝土的抗压强度改善作用不显著，甚至有时还略有降低。但混凝土的抗拉强度和抗折强度的均得到了一定程度的改善。

3.2聚丙烯纤维混凝土的抗冲击性能

提高混凝土的抗冲击性能是纤维增强混凝土的共同特点。在一定范围内，随着纤维掺量增高，混凝土的抗冲击强度也提高。与其他纤维相比，经过改性的聚丙烯纤维对混凝土的增韧效果更加显著。

曹诚、刘家彬[7]所做的实验研究表明，在掺量为0.1～0.2％的情况下，聚丙烯纤维能使混凝土的抗冲击能力提高4～6倍。李光伟、杨元慧[8]的实验结果表明，掺0.6Kg/m3的聚丙烯纤维能使混凝土的抗冲击强度提高31～37％，掺入1.0 Kg/m3的聚丙烯纤维能使混凝土的抗冲击强度提高41％。

3.3聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响

经过改性的聚丙烯纤维以很小的掺量掺人混凝土中，就可取得显著的抗裂效果。原因在于，混凝土产生裂纹源之后，高度分散的聚丙烯纤维在混凝土基体中充分发挥搭接作用和牵制作用，起到“次级加强筋”的效果，从而有效抵制裂纹的进一步扩展。

研究结果都表明，聚丙烯纤维能有效控制砂浆的早期塑性收缩裂缝的产生、发展，对混凝土中的裂缝具有细化作用，能够降低裂缝的宽度和长度。此外，混凝土中掺入硅灰、矿粉也能改善纤维一水泥基体的粘结状况而提高纤维的增强抗裂作用。

3.4聚丙烯纤维对混凝土收缩变形的影响

改性聚丙烯纤维在混凝土内部可起到传递应力的作用,承受由基体收缩引起的内部应力，同时，纤维可以压挤毛细管，甚至将其阻塞，这样又使混凝土表面失水面积有所减少,水分迁移困难，从而使毛细管失水形成的张力有所降低，达到降低混凝土收缩变形的目的。

李光伟[17]所做的聚丙烯纤维混凝土收缩变形试验结果表明，掺入一定量的聚丙烯纤维可以明显地减少混凝土的收缩变形。葛其荣、郑子祥等[11]的研究结果表明，掺与不掺聚丙烯纤维，在28d内，混凝土的干缩率基本相同，但60d到90d时，聚丙烯纤维混凝土的干缩量比普通混凝土减少5～7％。杨继强[11]的试验结果表明，在砂浆中加入聚丙烯纤维能有效控制砂浆的早期干缩,聚丙烯纤维对砂浆的干缩主要影响因素是纤维的掺量,砂浆中加入0.9Kg/m3的聚丙烯纤维时,干缩率降低了31.6％。

3.5聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能

抗渗性是混凝土耐久性的关键问题，作为抗裂增强材料的聚丙烯纤维，它对混凝土抗渗性能的影响直接关系到工程的使用安全和耐久性。一般认为，在混凝土中掺人聚丙烯纤维，可以有效地抑制混凝土早期开裂以及微裂纹的进一步扩展，减少混凝土的收缩裂纹，特别是有效抑制贯通裂纹的产生，降低混凝土的孔隙率，从而提高混凝土的密实度和防水性能。

冷发光等[12]对两种聚丙烯纤维混凝土的抗氯离子渗透性能作了实验研究，结果表明，水灰比较低时，掺入纤维可以提高混凝土抗氯离子渗透能力，水灰比较高时，掺入纤维使混凝土抗氯离子渗透能力稍有降低，从总体看，掺人纤维对混凝土的氯离子渗透性影响不大。曹芳等[13]对美国杜拉纤维混凝土的抗渗性能作了研究，结果表明杜拉纤维不能提高混凝土的抗渗性能。

而李光伟[9]所做的聚丙烯纤维混凝土渗透性实验结果则表明，掺聚丙烯纤维可以改善混凝土的抗渗透能力，并且随着纤维掺量的增加与纤维长度的增加，混凝土的渗透系数也越小。王瑞兴[14]、李顺凯和陈德玉的试验结果都表明，混凝土中掺入一定量的改性聚丙烯纤维，可以有效地控制裂缝的产生，提高混凝土的抗渗性能，抵御外界氯离子的侵蚀，保护钢筋、防止锈蚀。

3.6聚丙烯纤维对混凝土的抗冻性能的影响

混凝土的抗冻性，就是在饱水状态下多次冻融循环时保持混凝土强度的能力。改善混凝土抗冻性的一个途径就是增加其密实度，改变混凝土的孔结构，特别是尽可能地增加毛细孔的比例。而在混凝土中掺入聚丙烯纤维可以改善混凝上内部的孔结构，毛细孔百分含量增加，大孔百分含量减少，从而在一定程度上改善了混凝土的抗冻性能。

改性聚丙烯纤维混凝土的抗冻性试验结果表明，混凝土中掺0.68Kg/m3改性聚丙烯纤维，经25次冻融循环后混凝土的强度损失率分别为7.0％和6.2％ ,质量损失率为1.1％和0.8％；而在混凝土中掺0.9Kg/m3改性聚丙烯纤维，强度损失率为分别为3.8％和4.1％ ,质量损失率均为0.5％。可见，掺入一定量的改性聚丙烯纤维后，纤维乱向分布形式有助于减少混凝土砂浆的塑性裂缝，混凝土的抗冻性明显提高。但也有试验结果表明[14]，聚丙烯纤维对提高混凝土的抗冻性能不能起到积极的作用，相反还略有负面影响。试验还发现，聚丙烯纤维混凝土冻融循环后的表面剥落现象明显减少，能够保持混凝土外观的完整性。因此，这方面需要进行更为深入的研究。

4 结语

聚丙烯纤维以其优越的技术经济性能在对抗裂性和抗冲击等有较高要求的混凝土工程中得到了迅速的推广应用。目前，在我国很多重大工程中都采用了聚丙烯混凝土来达到防渗抗裂的目的。如1996年上海瑞安广场地下工程采用聚丙烯纤维混凝土，效果良好，没有发现因干缩而引起的微裂纹和渗漏现象。2000年10月，在上海，复旦大学体育中心游泳馆露天游泳池采用聚丙烯纤维混凝土，成功解决了超长无遮盖架空式混凝土结构的技术难题。2000年12月，宁波白溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土浇注面板坝获得成功，不仅为提高白溪水库面板坝的质量和耐久性起到了重要的作用，也是我国水利工程混凝土技术的一项具有创新意义的突破。

但总的说来，由于我国在改性聚丙烯纤维以及聚丙烯纤维增强混凝土的应用研究领域起步较晚，一些研究结论还不够统一，甚至出现矛盾的现象，目前所完成的研究特别是理论研究还不够深入和系统，因此仍将有大量的研究和开发工作亟待展开。

参考文献：

1 金伟良，赵羽习.混凝土结构耐久性.北京科学出版社.2002:1－2

2 龚益，沈荣熹，李清海.杜拉纤维在土建工程中的应用.机械工业出版社.2002

3 阎利,万朝均等.聚丙烯纤维增强混凝土概述.新型建筑材料.2003(1):52-55

4 朱江.聚丙烯纤维与高强高性能混凝.混凝土.2000，127(5):49-51

5 姚武，李杰，周钟鸣.聚丙烯纤维对混凝土抗拉强度的影响.混凝土.2001 (10):40-43

6 付华.三峡加纤维抗冲耐磨混凝土研究.中国三峡建筑.2001(3):20-22

7 曹诚，刘家彬.聚丙烯纤维对混凝土动力学特性的影响研究.混凝土.2000(5)：43-45

8 李光伟，杨元慧.聚丙烯纤维混凝土性能的试验研究.水利水电科技进展.2001，21(5):14-16

9 李光伟.聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响.水电站设计.2002，18(2)：98-101

10 葛其荣,郑子祥.宁波白溪水库二期面板聚丙烯纤维混凝土试验研究.建筑结构.2001, 31(9):63-66

11 杨继强.聚丙烯纤维对砂浆早期干缩性能影响的试验研究.天津城市建设学院学报.2004,10(2):125-128

12 冷发光,韩跃伟.克裂速纤维增强混凝土耐久性实验研究.云南水力发电.2001, 17(3)

13 曹芳,马保国.混凝土的渗透性能及测试方法的对比分析.混凝土.2002年第10期

14 王瑞兴,钱春香.聚丙烯纤维对混凝土性能的改善研究.混凝土与水泥制品.2004年第1期：41－43