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混凝土的發(fā)展已有100多年的歷史，以其可以就地取材，易于成型、成本低廉、適用性強等諸多優(yōu)點，被廣泛地應用于土建工程，是當前最大宗的人造材料。但作為多孔材料，混凝土也有脆性大、抗拉強度低、抗沖擊能力差、易開裂等缺點。從混凝土應用的歷史來看，實際工程中大量的鋼筋混凝土結構由于混凝土的耐久性不足導致建筑物破壞甚至不能使用。國內(nèi)外大量資料表明，由此而造成的經(jīng)濟損失是非常巨大的[1]。
混凝土的耐久性，是指混凝土在自然環(huán)境、使用環(huán)境及材料內(nèi)部因素的作用下，在設計要求的目標使用期內(nèi)，不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力?；炷量估瓘姸鹊汀⒁组_裂的缺點是導致其耐久性降低的一個重要因素。為了提高水泥基材料的耐久性，長期以來研究人員不斷研究減少材料中微裂紋的產(chǎn)生及阻止裂縫的發(fā)展，包括提高其抗拉性能，增強韌性和延性的各種方法和途徑。纖維混凝土技術的應用和開發(fā)就較好地改善了混凝土的這些缺點，而聚丙烯纖維是目前建筑市場上應用最為廣泛的一種合成纖維。
1 聚丙烯纖維
聚丙烯纖維是以丙烯單體在一定條件下聚合而成的結構規(guī)整的結晶型聚合物，屬于合成纖維的一種，它的商品名是丙綸?；咎匦允?乳白色、無味、無溴、無毒、質輕、不吸濕、不溶于水、耐腐蝕、抗拉強度高。
20世紀60年代中期人們開始研究用合成纖維作水泥砂漿增強材料的可能性，發(fā)現(xiàn)尼龍、聚丙烯、聚乙烯等纖維有助于提高砂漿的抗沖擊性。隨后合成纖維混凝土技術快速發(fā)展。Zollo[2]等的實驗結果表明，若在混凝土中摻加體積率為0.1-0.3%的聚丙烯纖維時，可使混凝土的塑性收縮減少12-25%。由于聚丙烯纖維生產(chǎn)原料比較豐富，生產(chǎn)過程比較簡短，因此生產(chǎn)成本相對于其他品種纖維較低。實踐證明,從性能價格比上看, 目前最可行的當屬有機纖維中的聚丙烯纖維。
但是普通聚丙烯纖維,在摻入水泥混凝土中拌合的時候，往往出現(xiàn)在水泥漿中難于分散、結團現(xiàn)象嚴重、纖維與水泥漿的握裹力差、抗老化能力差等缺點。因此土建工程中所用的聚丙烯纖維必須經(jīng)過改性處理。改性聚丙烯纖維具有良好的工程性能。在生產(chǎn)中經(jīng)過特殊處理,使其表面具有一定的活性,這樣就大大增加了纖維在混凝土中的分散性;噴制成的單絲改性聚丙烯纖維是非等徑的或者在纖維表面出現(xiàn)一些微孔結構,這就增加了纖維與水泥漿的握裹力;同時纖維的抗老化、抗紫外線能力得到加強。改性聚丙烯纖維的物理化學性能參見表1。
目前，土建工程中常用的幾種聚丙烯纖維有經(jīng)表面改性的束狀單絲纖維，如美國希爾兄弟化工公司的杜拉纖維(Durafiber)和丹麥的克裂速纖維(Cemfiber);有三維結構的網(wǎng)狀纖維，如美國纖維網(wǎng)公司(Fibermesh)生產(chǎn)的束狀網(wǎng)式纖維;有微孔纖維，如中國吉林水利實業(yè)公司產(chǎn)的改性聚丙烯纖維;另外，還有采用膜裂工藝生產(chǎn)出的原纖化的膜裂纖維，摻如混凝土中纖維與混凝土基體的粘結強度較高，可以起到增韌、阻裂的綜合效果[3]。
表1 改性聚丙烯纖維的物理化學性能
| 各項指標 | 進口美國杜拉纖維 | 某國產(chǎn)纖維 |
| 材料 | 聚丙烯 | 聚丙烯 |
| 密度（Kg/m3） | 910 | 910 |
| 彈性模量(MPa) | 3800 | 3500 |
| 抗拉強度(MPa) | 270 | 280 |
| 拉伸極限(%) | 15 | 8 |
| 熔點(℃) | 160 | 160 |
| 抗酸堿性 | 強 | 強 |
| 吸水性 | 無 | 無 |
| 導電性 | 極低 | 低 |
| 導熱性 | 極低 | 低 |
2 改性聚丙烯纖維混凝土的增強機理
在混凝土內(nèi)摻入專用的聚丙烯纖維并經(jīng)攪拌后，由于聚丙烯纖維與水泥基集料有極強的結合力，可以迅速而輕易地混凝土材料混合，分布均勻，能在混凝土內(nèi)部構成一種均勻的亂向支撐體系。在混凝土硬化過程時，由于水泥漿的化學收縮，使水泥漿與骨料之間的粘結面處產(chǎn)生拉應力，所以混凝土中存在著大量的極細小的微裂縫，這些微裂縫在混凝土受力時極易產(chǎn)生應力集中而導致破壞。在纖維加入到混凝土中后，當水泥基體收縮時，由于纖維這些微細配筋的作用而消耗了能量，可以抑制混凝土開裂的過程，有效地減少混凝土干縮時所引起的微小裂縫，大大提高了硬化后混凝土的抗裂能力和韌性，對克服高強混凝土的脆性有較理想的效果[4]。
3 聚丙烯纖維對混凝土性能的影響
3.1對抗壓、抗拉和抗折強度的影響
同濟大學混凝土材料研究國家重點實驗室做了不同彈性模量纖維對高強混凝土力學性能影響的實驗。通過在水灰比為0.3的混凝土中摻入體積摻量為0.4%鋼、維綸、聚丙烯纖維，研究摻入不同纖維后混凝土的抗壓、劈裂抗拉、斷裂能三個力學性能指標的變化。實驗結果表明，摻0.4%低彈性模量的聚丙烯纖維使混凝土的28d抗壓強度降低18.2%,但劈裂抗拉強度僅降低了5%[5]。
研究結果表明,在水灰比都為0.4的條件下，摻加3.0Kg/m3的聚丙烯纖維能夠使混凝土的7d抗壓強度增大，但28d抗壓強度降低，劈裂抗拉強度有所提高;摻2.5Kg/ m3的美國聚丙烯纖維網(wǎng)使混凝土的不同齡期抗壓強度均提高10～20%。
綜合各種研究結果表明，與鋼纖維等高彈性模量的纖維不同，聚丙烯纖維屬于低彈性模量、高延伸率的聚合物纖維，摻人混凝土后對混凝土的抗壓強度改善作用不顯著，甚至有時還略有降低。但混凝土的抗拉強度和抗折強度的均得到了一定程度的改善。
3.2聚丙烯纖維混凝土的抗沖擊性能
提高混凝土的抗沖擊性能是纖維增強混凝土的共同特點。在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量增高，混凝土的抗沖擊強度也提高。與其他纖維相比，經(jīng)過改性的聚丙烯纖維對混凝土的增韌效果更加顯著。
所做的實驗研究表明，在摻量為0.1～0.2%的情況下，聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊能力提高4～6倍。實驗結果表明，摻0.6Kg/m3的聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊強度提高31～37%，摻入1.0 Kg/m3的聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊強度提高41%。
3.3聚丙烯纖維對混凝土抗裂性能的影響
經(jīng)過改性的聚丙烯纖維以很小的摻量摻人混凝土中，就可取得顯著的抗裂效果。原因在于，混凝土產(chǎn)生裂紋源之后，高度分散的聚丙烯纖維在混凝土基體中充分發(fā)揮搭接作用和牽制作用，起到“次級加強筋”的效果，從而有效抵制裂紋的進一步擴展。
研究結果都表明，聚丙烯纖維能有效控制砂漿的早期塑性收縮裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，對混凝土中的裂縫具有細化作用，能夠降低裂縫的寬度和長度。此外，混凝土中摻入硅灰、礦粉也能改善纖維一水泥基體的粘結狀況而提高纖維的增強抗裂作用。
3.4聚丙烯纖維對混凝土收縮變形的影響
改性聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部可起到傳遞應力的作用,承受由基體收縮引起的內(nèi)部應力，同時，纖維可以壓擠毛細管，甚至將其阻塞，這樣又使混凝土表面失水面積有所減少,水分遷移困難，從而使毛細管失水形成的張力有所降低，達到降低混凝土收縮變形的目的。
所做的聚丙烯纖維混凝土收縮變形試驗結果表明，摻入一定量的聚丙烯纖維可以明顯地減少混凝土的收縮變形。的研究結果表明，摻與不摻聚丙烯纖維，在28d內(nèi)，混凝土的干縮率基本相同，但60d到90d時，聚丙烯纖維混凝土的干縮量比普通混凝土減少5～7%。楊繼強[11]的試驗結果表明，在砂漿中加入聚丙烯纖維能有效控制砂漿的早期干縮,聚丙烯纖維對砂漿的干縮主要影響因素是纖維的摻量,砂漿中加入0.9Kg/m3的聚丙烯纖維時,干縮率降低了31.6%。
3.5聚丙烯纖維混凝土的抗?jié)B性能
抗?jié)B性是混凝土耐久性的關鍵問題，作為抗裂增強材料的聚丙烯纖維，它對混凝土抗?jié)B性能的影響直接關系到工程的使用安全和耐久性。一般認為，在混凝土中摻人聚丙烯纖維，可以有效地抑制混凝土早期開裂以及微裂紋的進一步擴展，減少混凝土的收縮裂紋，特別是有效抑制貫通裂紋的產(chǎn)生，降低混凝土的孔隙率，從而提高混凝土的密實度和防水性能。
冷發(fā)光等]對兩種聚丙烯纖維混凝土的抗氯離子滲透性能作了實驗研究，結果表明，水灰比較低時，摻入纖維可以提高混凝土抗氯離子滲透能力，水灰比較高時，摻入纖維使混凝土抗氯離子滲透能力稍有降低，從總體看，摻人纖維對混凝土的氯離子滲透性影響不大。曹芳等[13]對美國杜拉纖維混凝土的抗?jié)B性能作了研究，結果表明杜拉纖維不能提高混凝土的抗?jié)B性能。
所做的聚丙烯纖維混凝土滲透性實驗結果則表明，摻聚丙烯纖維可以改善混凝土的抗?jié)B透能力，并且隨著纖維摻量的增加與纖維長度的增加，混凝土的滲透系數(shù)也越小。王瑞興[14]、李順凱和陳德玉的試驗結果都表明，混凝土中摻入一定量的改性聚丙烯纖維，可以有效地控制裂縫的產(chǎn)生，提高混凝土的抗?jié)B性能，抵御外界氯離子的侵蝕，保護鋼筋、防止銹蝕。
3.6聚丙烯纖維對混凝土的抗凍性能的影響
混凝土的抗凍性，就是在飽水狀態(tài)下多次凍融循環(huán)時保持混凝土強度的能力。改善混凝土抗凍性的一個途徑就是增加其密實度，改變混凝土的孔結構，特別是盡可能地增加毛細孔的比例。而在混凝土中摻入聚丙烯纖維可以改善混凝上內(nèi)部的孔結構，毛細孔百分含量增加，大孔百分含量減少，從而在一定程度上改善了混凝土的抗凍性能。
改性聚丙烯纖維混凝土的抗凍性試驗結果表明，混凝土中摻0.68Kg/m3改性聚丙烯纖維，經(jīng)25次凍融循環(huán)后混凝土的強度損失率分別為7.0%和6.2% ,質量損失率為1.1%和0.8%;而在混凝土中摻0.9Kg/m3改性聚丙烯纖維，強度損失率為分別為3.8%和4.1% ,質量損失率均為0.5%?？梢姡瑩饺胍欢康母男跃郾├w維后，纖維亂向分布形式有助于減少混凝土砂漿的塑性裂縫，混凝土的抗凍性明顯提高。但也有試驗結果表明[14]，聚丙烯纖維對提高混凝土的抗凍性能不能起到積極的作用，相反還略有負面影響。試驗還發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維混凝土凍融循環(huán)后的表面剝落現(xiàn)象明顯減少，能夠保持混凝土外觀的完整性。因此，這方面需要進行更為深入的研究。
4 結語
聚丙烯纖維以其優(yōu)越的技術經(jīng)濟性能在對抗裂性和抗沖擊等有較高要求的混凝土工程中得到了迅速的推廣應用。目前，在我國很多重大工程中都采用了聚丙烯混凝土來達到防滲抗裂的目的。如1996年上海瑞安廣場地下工程采用聚丙烯纖維混凝土，效果良好，沒有發(fā)現(xiàn)因干縮而引起的微裂紋和滲漏現(xiàn)象。2000年10月，在上海，復旦大學體育中心游泳館露天游泳池采用聚丙烯纖維混凝土，成功解決了超長無遮蓋架空式混凝土結構的技術難題。2000年12月，寧波白溪水庫二期工程采用聚丙烯纖維混凝土澆注面板壩獲得成功，不僅為提高白溪水庫面板壩的質量和耐久性起到了重要的作用，也是我國水利工程混凝土技術的一項具有創(chuàng)新意義的突破。
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