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混凝土的高強化是百多年來的努力方向，作為重要的結(jié)構(gòu)材料，強度一直是混凝土的主要性能指標，高強度一直被認為是優(yōu)質(zhì)混凝土的特征。然而，人們在追求高強度的同時，卻發(fā)現(xiàn)了不少混凝土建筑因材質(zhì)劣化引起開裂破壞甚至倒塌，它們的破壞往往不是強度不足，而是耐久性不夠。因此，混凝土耐久性的重要地位已不亞于強度和其它性能，由此也提出了混凝土高性能化的要求。
復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，聚丙烯纖維增強是其核心。復(fù)合化的技術(shù)思路——超疊加效應(yīng)，對材料高性能化有重要意義，可用公式1+2≥3表示。本文正是基于這種思路，介紹聚丙烯纖維在高強、高性能混凝土中的作用及其工程應(yīng)用以及應(yīng)用發(fā)展前景。
2 聚丙烯纖維及高強、高性能混凝土
2.1 聚丙烯纖維的物理性能
混凝土專用聚丙烯纖維的物理性能如下：
材料：聚丙烯 耐酸堿性：極高
比重：0.91 安全性：無毒材料
熔點：165℃ 拉伸極限：15%
燃點：593℃ 抗拉強度：276MPa
含濕量：<0.1% 彈性模量：3793MPa
吸水性：無 導(dǎo)電、導(dǎo)熱：極低
2.2 高強、高性能混凝土
高強、高性能混凝土的概念隨時間和地域的不同而有所變化，如三十年前與現(xiàn)在的高強混凝土概念不同，美國與日本的高性能混凝土概念不同等。目前我國的多數(shù)專家認為：強度等級≥C50的混凝土稱為高強混凝土(HSC)。而高性能混凝土則定義為：具有一定強度(≥C30)和高工作性及高耐久性(使用壽命≥100年)的混凝土，其中高耐久性最為重要。
高強混凝土與高性能混凝土的關(guān)系為：高強混凝土屬于高性能混凝土的范疇，但高性能不一定高強。
3 聚丙烯纖維在高強混凝土中的作用及應(yīng)用
隨著各類高層建筑及大跨度、大體積結(jié)構(gòu)的涌現(xiàn)，高強混凝土的使用越來越廣泛。目前已應(yīng)用的高強混凝土≥C50)有很多，其中國內(nèi)應(yīng)用較好的城市有上海、北京、廣州、沈陽等，國外應(yīng)用較好的國家有美國、法國、加拿大、日本、挪威等。
3.1 聚丙烯纖維在高強混凝土中的作用
高強混凝土是混凝土技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，它的重要特點是耐久、強度高、變形小，能適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載方向發(fā)展和承受惡劣環(huán)境條件的需要，符合現(xiàn)代施工技術(shù)采用工業(yè)化生產(chǎn)(工廠預(yù)拌混凝土、工廠預(yù)制構(gòu)件)的要求。高強混凝土的作用，大大提高了混凝土及鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力，并能有效地減少構(gòu)件截面的尺寸和減輕構(gòu)件或建筑物自重，增加建筑使用面積或凈空，并可以節(jié)省材料總用量及材料運輸費，因而其應(yīng)用已越來越廣泛。但是，高強混凝土材料在力學(xué)性能上呈現(xiàn)明顯的脆性，在受壓時表現(xiàn)出較小的塑性和更大的脆性，大體積高強混凝土易產(chǎn)生大面積開裂;此外，高強混凝土的極限應(yīng)變較普通混凝土小，易于產(chǎn)生劈裂現(xiàn)象，對抗震不利，這些不利因素都影響了高強混凝土更廣泛的使用。因此，如何確保高強混凝土在高承載力的基礎(chǔ)上，有效地改善其性能已成為迫切需要解決的問題，而作為一種新型的混凝土外加材料，聚丙烯纖維則能較好地解決以上問題。
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(jié)合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻;同時由于細微，故比表面積大，每公斤聚丙烯微纖維連起來的總長度可繞地球10多圈，若分布在1m3 的混凝土中，則可使每cm3的混凝土中有近二十條纖維絲，故能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。在混凝土凝結(jié)的過程中，當(dāng)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，提高混凝土的韌性。有關(guān)單位曾對聚丙烯纖維混凝土及普通混凝土進行常規(guī)力學(xué)測試，并作了劈裂抗拉測試試件破壞比較：在相同條件下，聚丙烯纖維混凝土強度提高并不大，但試件的破壞形式卻不相同，普通混凝土為脆性破壞，完全斷裂;而聚丙烯纖維混凝土僅有兩條不同方向的可見短裂縫，試件仍保持完整。從以上比較可以反映出聚丙烯纖維能大大提高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。
3.2 工程實例
廣州新中國大廈是一座由廣東建筑設(shè)計研究院設(shè)計的面積約17萬m2的綜合大廈〔2〕，結(jié)構(gòu)總層數(shù)56層，其中地下室5層，結(jié)構(gòu)采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，最大柱距為12m，最大單位柱荷重近萬噸。在綜合考慮了各項經(jīng)濟指標并為配合五層地下室的逆作法施工，在設(shè)計上，對9層裙房柱在地下室部分采用了Φ800鋼管與C70高強混凝土組成鋼管混凝土柱，對48層主樓柱采用了最大Φ1400鋼管與C80高強混凝土組成的鋼管混凝土柱。雖然這種鋼管混凝土柱有許多優(yōu)越性，但考慮到以上分析的高強混凝土的不利因素以及施工中采用的混凝土高位拋落法所引起的混凝土氣孔率偏高的影響，最后采用了在鋼管混凝土柱內(nèi)的高強混凝土中加入0.08%的聚丙烯纖維的方法。聚丙烯纖維摻加在鋼管內(nèi)的高強混凝土中，有效地改善了混凝土的物理性能，使混凝土的延性增強，減少了劈裂的產(chǎn)生，并對混凝土抗沖擊及抗震能力有一定的提高，是推廣高強混凝土應(yīng)用的一種有效途徑。
4 聚丙烯纖維在高性能混凝土中的作用及應(yīng)用
高性能混凝土的概念是1990年5月由美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)和美國混凝土協(xié)會(ACI)首先提出的。以Mehta為代表的美加學(xué)派認為，混凝土的耐久性應(yīng)當(dāng)放在HPC的首位，其抗?jié)B性和尺寸穩(wěn)定性需滿足一定的要求。
高性能混凝土最重要特征是其優(yōu)異的耐久性，耐久性可達百年以上，甚至可以達到500年，是普通混凝土的3～5倍。混凝土的高耐久性可以減少結(jié)構(gòu)的維修與翻新，節(jié)約材料與人工費，節(jié)約資源等，尤其對重要工程、紀念性建筑有重要意義。
與單一指標強度比較，耐久性是個非常復(fù)雜的問題，它涉及的內(nèi)容和影響因素很多，但不管是由何種原因引起的混凝土的耐久性不合格而產(chǎn)生的破壞，其最終均表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫，因此，有效地提高混凝土的抗裂性無疑對提高混凝土的耐久性有重要的意義，由此亦使混凝土高性能化。在混凝土內(nèi)摻入聚丙烯纖維由于能有效地提高混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗凍性能，因而增強了混凝土的耐久性。
4.1 聚丙烯纖維在混凝土中的高性能作用
4.1.1 提高混凝土的抗裂性能
在混凝土中摻入聚丙烯纖維，由于其在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的二級加強效果。聚丙烯纖維的亂向分布形式可削弱混凝土的塑性收縮，收縮的能量被分散到無數(shù)的纖維絲上，從而有效地增強混凝土的韌性，減少混凝土初凝時收縮引起的裂紋和裂縫。同時，無數(shù)的纖維絲在混凝土內(nèi)部形成的亂向撐托體系可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙了沉降裂紋的形成。試驗表明，同普通混凝土相比，體積摻量0.05%的美國杜拉纖維混凝土抗裂能力提高近70%。
4.1.2 提高混凝土的抗?jié)B性能
在混凝土中摻入聚丙烯纖維，可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，減少混凝土的收縮裂縫，尤其是有效地抑制了連通裂縫的產(chǎn)生;另外，均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量聚丙烯微纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析，從而使混凝土中直徑為50～100納米和>100 納米的孔隙的含量大大降低。Mehta認為〔3〕只有100nm以上的孔才對抗?jié)B性有害，小于50nm的孔數(shù)量的多少可能反映出凝膠數(shù)量的多少，水化產(chǎn)物多，則抗?jié)B性好。由此可見，摻入聚丙烯纖維后由于有效地降低了混凝土的孔隙率，避免了連通毛細孔的形成，因而提高了混凝土的抗?jié)B性能。據(jù)中國國家建筑材料測試中心按國家標準GBJ82-85進行的杜拉纖維混凝土抗?jié)B試驗〔4〕如下:混凝土的配合比為:水泥:卵石:砂= 1∶4∶1.7，水灰比=0.4，減水劑摻量=0.25%，成型了三組試件并進行了試驗，一組摻聚丙烯纖維，另兩組摻有不同量的聚丙烯纖維，試驗結(jié)果如表1所示。
由此可見，聚丙烯纖維的摻入，使混凝土的抗?jié)B性能有明顯的提高。聚丙烯纖維加高效減水劑的防水方案，目前已為國內(nèi)外眾多防水專家所肯定，用其配制的聚丙烯纖維混凝土是較理想的混凝土剛性自防水材料。試驗表明，0.05%體積摻量的杜拉纖維混凝土比普通混凝土的抗?jié)B能力提高了60～70%。
4.1.3 增強混凝土的抗凍性能
在混凝土中加入聚丙烯纖維，可以緩解溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用，阻止溫度裂縫的擴展;同時，混凝土抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍能力的提高。實踐及研究都表明，在混凝土中加入聚丙烯微纖維可作為一種有效的混凝土溫差補償抗裂手段。
4.2 工程實例
南方房產(chǎn)實業(yè)大廈工程的地下室底板及壁板混凝土均為C40S8高性能混凝土，其中添加了聚丙烯纖維，底板混凝土約為3000m3，分南、北兩段施工?；炷猎跀嚢璩霾酆罄w維分散均勻，沒有絮凝成團現(xiàn)象，拌和物表現(xiàn)出良好的保水性和粘聚性，混凝土的泵送性能優(yōu)良，在整個澆筑過程中幾乎未發(fā)生過一次堵塞。該工程地下室底板屬大面積、大體積混凝土構(gòu)件，聚丙烯纖維混凝土的使用取得了令人滿意的效果，目前尚未發(fā)現(xiàn)一條可見的裂縫，業(yè)主對此十分滿意。
另外，在重慶世界貿(mào)易中心工程中，其特大型轉(zhuǎn)換大梁(1500×4000mm，15跨)的大體積C60混凝土面臨如何防止收縮裂紋及增強韌性的嚴峻問題。經(jīng)慎重考慮，決定采用添加聚丙烯纖維來改善高性能C60混凝土的方案，經(jīng)嚴格設(shè)計，嚴格施工，取得了滿意的效果。
除此以外，聚丙烯纖維已成功應(yīng)用在許多高強、高性能混凝土工程中。
5 聚丙烯纖維在高強、高性能混凝土中的應(yīng)用發(fā)展前景
從現(xiàn)代建筑和可持續(xù)發(fā)展觀點看，需要發(fā)展高性能混凝土，它是當(dāng)前水泥基材料的主要發(fā)展方向，被稱為“21世紀混凝土”’更具有“綠色”意義。提高建筑物耐久性，延長建筑物的使用壽命是極其重要的。據(jù)報道，建筑業(yè)消耗世界資源能源近40%，建筑物的壽命延長一倍，資源能源的消耗和環(huán)境污染將減輕一半。另外，由于耐久性不足而引起的結(jié)構(gòu)破壞日趨嚴重，修復(fù)花費巨大，許多國家對混凝土的耐久性問題已非常重視，而據(jù)專家預(yù)測，21世紀初將是我國鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞高潮，屆時每年所需的維修費用將高達數(shù)千億元。而混凝土專用聚丙烯纖維由于能積極有效地改善混凝土的耐久性，使混凝土高性能化，且工作機理簡單，適用性廣泛，使用效果顯著，在工程界已受到越來越多的關(guān)注。從確保工程質(zhì)量，施工便利，兼顧成本及長短期效益等諸方面考慮，在混凝土中添加聚丙烯纖維不失為改善混凝土性能的有效途徑。在北美和歐洲，經(jīng)過20年來的大量工程實踐，使用聚丙烯纖維混凝土 的技術(shù)已日臻完善，聚丙烯纖維已成為改 善混凝土性能最為廣泛使用的手段之一。而在我國，隨著高強、高性能混凝土的廣泛使用，聚丙烯纖維在現(xiàn)代建筑中亦將具有廣闊的應(yīng)用前景。
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