聚丙烯纤维混凝土性能研究综述

聚丙烯纤维混凝土性能研究综述

作者：彭达奇

来源：《消费导刊》2011年第07期

一、引言

现代高新混凝土工程中，混凝土的应用向着高强度、大流动度方向发展。随着混凝土强度和坍落度的提高，水泥的用量不断增加，由此带来的副作用是水化热加剧，混凝土的凝固收缩量加大，收缩应力增大，裂缝数量增多。大量的室内试验和工程实践都证明，解决混凝土因塑性收缩、干燥收缩等原因而引起微裂缝的有效手段之一就是发展纤维混凝土。纤维不仅具有施工方便、成本低廉、耐化学腐蚀等优点，而且当其作为增强材料掺入混凝土中时，可以有效提高混凝土的抗拉强度、抗渗性，减少混凝土在硬化过程中产生微裂缝并阻止其扩展，增强混凝土的断裂韧性。

混凝土结构产生裂缝有两类，一类叫荷载裂缝，是由外荷载的直接应力和结构次应力引起；另一类叫变形裂缝(非荷载裂缝)，是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起。大部分混凝土结构裂缝的原因是变形作用引起的，其几率约占80％左右，为了解决混凝土开裂问题，众多研究人员采用在混凝土中加入某种纤维，如聚丙烯纤维来改善混凝土抗裂防渗性能，聚丙烯纤维混凝土的中长期非荷载抗裂、抗渗等耐久性能更是一直受到关注。

二、国内外研究现状分析

(一)国外研究与应用现状

国外对聚丙烯纤维混凝土的研究，开始于20世纪60年代。纤维混凝土研究与应用的实质性进展，得益于合成纤维技术的突破。特别是最近二十年来，以美国为代表的技术发达国家研制生产出一系列可以掺入混凝土当中的单丝合成纤维，如：改性聚丙烯、尼龙、聚醋、聚丙烯腈、聚乙烯等。

20世纪60年代中期Goldfein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。Zollo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％。20世纪70年代初，美、英等国已开始将聚丙烯单丝纤维用于某些混凝土制品与工程中，所用纤维

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的直径与钢纤维相近(0.22-0.25mm)纤维的体积率为0.5％左右。20世纪70年代中期，美国开发成功聚丙烯膜裂纤维，这是一种直径为2mm以上的束状纤维，在与混凝土拌合过程中可分裂成为若干细纤维束，且束内纤维开展为相互牵连的网格，其中单丝直径为48-62，使用此种纤维不仅有助于降低单丝的直径，并且还可使纤维体积率减少至0.1％～0.2％。

20世纪80年代初，美国若干公司通过表面处理技术开发成功可均匀分布与混凝土中的直径为23-62μm的聚丙烯、尼龙等单丝纤维，在纤维体积率为0.05％-0.2％时即有明显的抗裂与增韧效果。近十几年来，美国与加拿大已在混凝土工程中广泛使用加有低掺率合成纤维(聚丙烯单丝、聚丙烯膜裂纤维与尼龙纤维等)的预拌混凝土。目前美国所用混凝土总量中合成纤维混凝土约占7％，而钢纤维混凝土只占3％左右。

80年代以来美国合成材料化学工业生产了一种纤维网(称FIBERMESH)，并将其应用于混凝土建筑物，通过大量材料性能和工程结构试验，现已得到广泛应用。对增强混凝土早期抗拉强度，防止早期由沉陷、水化热、干缩而产生的内蕴微裂纹，减少表面裂缝和开裂宽度，增强混凝土的防渗性能、抗磨损、抗冲击性能及增强结构整体性有显著作用。八十年代以后，日本、韩国等国家也对聚丙烯纤维混凝土进行了很多研究，得到了许多有用实验数据。九十年代，国外许多学者对聚丙烯纤维混凝土的抗裂能力、抗冲击性能、抗弯性能、弯剪性能分别作了研究。有关纤维混凝土的理论研究逐渐形成。目前在美国已形成商品化、规模化，美国纤维网公司已在本国和澳大利亚有了一些成功的项目，如澳大利亚的水利大坝、高架桥梁等大跨度、荷载重的大型水利工程。

大量的研究表明，聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土有很大优势。在美国，纤维混凝土被大量使用于地下工程防水、工业和民用建筑的屋面、墙体、地坪、水池、道路以及桥梁等工程中。以聚丙烯纤维为例，从这种产品诞生至今只有20多年，却在美国、加拿大、澳大利亚、日本、韩国、墨西哥以及东南亚的混凝土工程中得到了相当广泛的应用，其销量的稳定增长充分说明了高科技建筑材料无法估计的商业价值。

(二)国内研究与应用现状

在中国，纤维混凝土的大规模应用是从玻璃纤维和钢纤维混凝土起步的。20世纪70年代纤维混凝土技术传入中国。中国土木工程学会纤维水泥与纤维混凝土委员会于1986年在大连召开了第一届全国纤维水泥与纤维混凝土学术会议。这说明中国工程界对纤维混凝土，包括有机纤维混凝土早有关注，只是由于实际纤维材料的限制，当时还没有投入大规模的工程实践。 20世纪90年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝土的有机纤维通过商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国大量应用的契机。1998年6月26日，建设部科技发展促进中心(站)印发《美国杜拉纤维技术研讨会纪要》，由此推开了纤维混凝土应用的崭新局面。据不完全统计，到2001年10月，在中国境内采用杜拉纤维混凝土的工程实例数以千计，工程类型

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几乎覆盖了工业及民用建筑工程当中所有用到混凝土的场合。目前这种趋势还在发展，深圳等地已将杜拉纤维的使用方法写入《建筑防水构造图集》。

在中国工程界应用合成纤维混凝土的局面正在形成。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，同时编制了《钢筋聚丙烯纤维混凝土超长结构抗裂防渗施工方法》，与此同时，中国境内已经出现了十数个可应用于纤维混凝土的合成纤维的生产厂家，虽然产品质量、生产规模尚有可待提高之处，但是毕竟说明了中国土木工程界对于纤维混凝土作用的肯定，以及对于发展纤维混凝土的热情。可以预见，纤维混凝土在中国建筑工程界应用的新高潮正在到来。

三、聚丙烯纤维对混凝土性能改善的研究

(一)聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的影响

目前，关于纤维在混凝土中对抗压强度的贡献，根据收集到的一些研究资料及实际工程的报告，有三种不同性质的结论。

有些报告中所提供的测试结果表明，低掺率聚丙烯纤维加于砂浆或混凝土中对抗压强度没有显著的影响，如广东工业大学的苏建波、李士恩的研究结果、广州市住宅发展有限公司试验及《杜拉纤维混凝土在深圳市市民中心工程上的应用》、《聚丙烯纤维混凝土在以色列驻华大使馆工程中的应用》等工程报告。还有研究指出聚丙烯纤维由于其本身的弹性模量较基体的弹性模量低，一般仅为基体弹性模量的1／10-1／12，因此其增强作用很弱。对抗压强度几乎没有影响，对抗拉强度和弯拉强度可有轻微提高，当纤维体积率为0.05％～0.5％时，提高幅度一般不超过15％。当体积率超过0.5％以后，纤维混凝土的强度一般呈下降趋势。华渊等的研究表明，与基准混凝土相比，随着纤维体积率的增加(0～15％)，纤维混凝土的抗压强度变化很小，抗折强度则提高了12％-26％，韧性也随之增加，他们提出了聚丙烯纤维混凝土的裂纹发展规律，定性分析了增韧机理。

有些研究结果又表明由于纤维的加入可导致混凝土的抗压强度还略有降低，如同济大学的姚武和李杰等人的研究结果。徐至钧的研究也认为纤维加入非但不能增加反而会减小混凝土的抗压强度。

但也有报告持相反观点，如葛洲坝水利集团的付华的试验、北京商品混凝土中心试验室的王玉棠的研究结果、美国有关机构如H.H.Holmes Testing Laboratories Inc.的研究和测试结果以及《杜拉纤维在蓝海洋工程中的应用》、《聚丙烯纤维混凝土在渠道防渗中的应用》、《聚丙烯纤维混凝土在路面工程中的应用》、《改性聚丙烯纤维在高寒地区工程中的应用》等工程报告表明，一定掺量的聚丙烯纤维(杜拉纤维)对混凝土结构体的抗压强度有增强的效果。龚益等

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人推断：纤维混凝土关于抗压强度的影响可能与混凝土的配合比有关，甚至可能更主要地取决于混凝土配合比设计的影响。

(二)聚丙烯纤维对混凝土的单轴拉伸力学性能的影响

近年来，纤维混凝土的应用范围日趋扩大。由于聚丙烯纤维的应用时间不长，在我国尚缺乏系统的试验分析和研究工作，资料不全，在实际施工中也未对聚丙烯纤维的影响给予足够的观察分析。纤维混凝土的抗拉强度、极限拉应变、最大裂缝宽度是极其重要的力学指标，对于纤维混凝土的抗裂设计、验算和温度应力的仿真计算都是不可缺少的重要力学指标。以往用劈裂强度代替轴心拉伸强度，但劈拉试验不能真实反映合成纤维对混凝土抗裂性的贡献，不能精确测定极限拉伸应变、拉伸断裂能等。直接拉伸试验能较准确地反映合成纤维混凝土的拉伸力学性能。

清华大学水利水电工程系做的凯泰(CTA)改性聚丙烯纤维混凝土单轴拉伸力学性能试验的研究结果表明随着纤维的掺入和掺量的增加，抗拉强度、抗拉极限应变增加。当纤维掺量为0.9Kg／m3时，纤维混凝土抗拉强度比基准混凝土提高约9％、纤维混凝土的拉伸极限应变比基准混凝土提高26％，纤维混凝土的抗拉强度、极限拉应变的提高，证明掺加聚丙烯纤维具有良好的阻裂性能，提高了硬化混凝土的抗裂性能。纤维混凝土临界断裂时的最大裂缝宽度比素混凝土大，纤维掺量为0.7Kg／m3时，纤维混凝土的临界断裂时的最大裂缝宽度比基准混凝土提高49％。纤维混凝土的抗拉强度、极限拉应变、临界断裂时的最大裂缝宽度的提高，说明聚丙烯纤维具有良好的阻裂性能，在混凝土中掺加聚丙烯纤维可明显提高硬化混凝土的抗裂性能。纤维混凝土的脆性降低，韧性增加。

(三)聚丙烯纤维提高混凝土抗裂性能的研究

混凝土产生裂缝的原因主要有两种：外荷载直接应力引起的裂缝，即按常规计算的主要应力引起的裂缝：由变形引起的裂缝，如由于热胀冷缩、不均匀沉降等因素引起的裂缝。裂缝通常由其中一种或几种因素共同作用而形成的，而两种裂缝的因素中，尤以变形变化引起的裂缝最多，占80％以上。

对板式结构防止裂缝过去一般是采用钢筋网。纤维网的广泛应用已在一定程度上替代了这种传统作法。圣荷西大学的一项对比试验表明，采用聚丙烯纤维网含量为0.68kg／m3的混凝土比素混凝土减少裂缝71.5％，而设置钢筋网的混凝土仅减少6.5％。多数人认为钢筋网与纤维混凝土都有一定的抑制裂缝产生的作用，都属于次要增强。但前者由于分布很稀，实际上这种作用较弱，而主要是在裂缝发生后限制裂缝宽度。至于用纤维混凝土代替钢筋网混凝土能方便地、并大大加快施工进度，以及由此而带来的效益，则是不言而喻的。

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美国加州圣荷西大学试验结果表明，纤维对混凝土龟裂程度的控制效果，比普通混凝土高出90-100％。美国Pardon与Zollo等人分析了混凝土塑性收缩的性质，用模拟体积变化的平面试样代替ASTM沿用的只能反映线收缩的试样来做试验，结果证明，加入体积含量0.1％聚丙烯纤维的砂浆和混凝土，裂缝面积比对照试样分别减少87％和82％，砂浆收缩量比对照减少32％－40％。绝大多数学者看法和大量的工程实践都证明，聚丙烯纤维的使用对减少混凝土塑性收缩和开裂作用十分明显。

聚丙烯纤维在控制混凝土的塑性收缩裂缝的主要作用为：阻滞塑性裂缝的产生和限制裂缝的发展。对纤维减少收缩裂缝的机理初步认为，一是由于纤维的存在，降低了水分在混凝土中的迁移性，减少了泌水现象，因而减少了体积变化。英国认证委员会(BBA)的试验证明，纤维混凝土泌水可减少35-55％；另一种认识是纤维的变形模量虽然较低，但却与混凝土在早期硬化阶段(24小时内)时的变形模量相当，因而可以有效地抑制变形。混凝土的塑性开裂主要发生在混凝土硬化之前，特别是混凝土浇筑后4-5小时之内，此阶段由于水分的蒸发和转移，混凝土内部的抗应变能力低于塑性收缩产生的应变，因而引起混凝土内部塑性裂缝的产生。而掺入聚丙烯纤维后，由于聚丙烯纤维分布均匀，起到类似筛网的作用，减缓了由于粗粒料的快速失水所产生的裂缝。延缓了第一条塑性收缩裂缝的产生时间。而当裂缝出现后，聚丙烯纤维的存在又使得裂缝尖端的发展受到限制，裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断来继续发展，这就需要消耗巨大的能量来克服纤维对裂缝发展的限制作用。纤维的体积含量越大，这种限制作用越强。而在普通混凝土中裂缝尖端没有受到这样的限制作用，可自由发展，这就使得普通混凝土中的裂缝要比加入纤维的混凝土要宽、要长。另外，聚丙烯纤维阻裂和细化裂缝的作用，明显的改善了水泥石的结构，使水泥石中原生的微裂纹减少，这必然使水泥硬化体的抗渗性和韧性得到相当程度的提高。

曹诚、王春阳研究了低掺量聚丙烯纤维在混凝土中的效应，增稠效应能减少混凝土的离析、泌水，但不利于混凝土的振动密实；阻裂效应能有效降低塑性裂缝和内部微裂缝的数量和尺度，提高混凝土材料介质的连续性，并最终改善混凝土的综合性能，尤其是抗动载能力。姜雪洁等试验研究发现：在一定范围内，掺量越大，效果越佳。这是因为聚丙烯纤维可有效抑制混凝土早期干缩裂缝及离析裂纹的产生与发展，减少了混凝土的收缩裂缝，尤其是有效抑制了连通裂缝的产生，因而减少了渗水通道；另外，均匀分布、彼此相连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的沉降，从而提高了混凝土抗渗能力。当掺聚丙烯纤维到混凝土中后，由于纤维与混凝土的黏结力强且其本身具有良好的延伸性，所以，当混凝土梁受外力时，混凝土将一部分应力传给纤维，使纤维产生应变，当荷载达到一定值，混凝土开始开裂。 四、小结

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