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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(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于土建工程，是當(dāng)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(qiáng)度低、抗沖擊能力差、易開裂等缺點(diǎn)。從混凝土應(yīng)用的歷史來看，實(shí)際工程中大量的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于混凝土的耐久性不足導(dǎo)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(jì)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(shè)計(jì)要求的目標(biāo)使用期內(nèi)，不需要花費(fèi)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。混凝土抗拉強(qiáng)度低、易開裂的缺點(diǎn)是導(dǎo)致其耐久性降低的一個(gè)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(qiáng)韌性和延性的各種方法和途徑。纖維混凝土技術(shù)的應(yīng)用和開發(fā)就較好地改善了混凝土的這些缺點(diǎn)，而聚丙烯纖維是目前建筑市場(chǎng)上應(yīng)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(jié)構(gòu)規(guī)整的結(jié)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(zhì)輕、不吸濕、不溶于水、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高。
20世紀(jì)60年代中期人們開始研究用合成纖維作水泥砂漿增強(qiáng)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(shù)快速發(fā)展。Zollo[2]等的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，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(jiǎn)短，因此生產(chǎn)成本相對(duì)于其他品種纖維較低。實(shí)踐證明,從性能價(jià)格比上看, 目前最可行的當(dāng)屬有機(jī)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(shí)候，往往出現(xiàn)在水泥漿中難于分散、結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重、纖維與水泥漿的握裹力差、抗老化能力差等缺點(diǎn)。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(jié)構(gòu),這就增加了纖維與水泥漿的握裹力;同時(shí)纖維的抗老化、抗紫外線能力得到加強(qiáng)。改性聚丙烯纖維的物理化學(xué)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(jié)構(gòu)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(shí)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(jié)強(qiáng)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(xué)性能
| 各項(xiàng)指標(biāo) | 進(jìn)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(qiáng)度(MPa) | 270 | 280 |
| 拉伸極限(%) | 15 | 8 |
| 熔點(diǎn)(℃) | 160 | 160 |
| 抗酸堿性 | 強(qiáng) | 強(qiáng) |
| 吸水性 | 無 | 無 |
| 導(dǎo)電性 | 極低 | 低 |
| 導(dǎo)熱性 | 極低 | 低 |
2 改性聚丙烯纖維混凝土的增強(qiáng)機(jī)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(qiáng)的結(jié)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(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。在混凝土硬化過程時(shí)，由于水泥漿的化學(xué)收縮，使水泥漿與骨料之間的粘結(jié)面處產(chǎn)生拉應(yīng)力，所以混凝土中存在著大量的極細(xì)小的微裂縫，這些微裂縫在混凝土受力時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致破壞。在纖維加入到混凝土中后，當(dāng)水泥基體收縮時(shí)，由于纖維這些微細(xì)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(shí)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(duì)克服高強(qiáng)混凝土的脆性有較理想的效果[4]。
3 聚丙烯纖維對(duì)混凝土性能的影響
3.1對(duì)抗壓、抗拉和抗折強(qiáng)度的影響
同濟(jì)大學(xué)混凝土材料研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做了不同彈性模量纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土力學(xué)性能影響的實(shí)驗(yàn)。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(gè)力學(xué)性能指標(biāo)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度降低18.2%,但劈裂抗拉強(qiáng)度僅降低了5%[5]。
研究結(jié)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(qiáng)度增大，但28d抗壓強(qiáng)度降低，劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度均提高10～20%。
綜合各種研究結(jié)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(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度改善作用不顯著，甚至有時(shí)還略有降低。但混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)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(qiáng)混凝土的共同特點(diǎn)。在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量增高，混凝土的抗沖擊強(qiáng)度也提高。與其他纖維相比，經(jīng)過改性的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的增韌效果更加顯著。
所做的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻0.6Kg/m3的聚丙烯纖維能使混凝土的抗沖擊強(qiáng)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(qiáng)度提高41%。
3.3聚丙烯纖維對(duì)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(jí)加強(qiáng)筋”的效果，從而有效抵制裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。
研究結(jié)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(duì)混凝土中的裂縫具有細(xì)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(jié)狀況而提高纖維的增強(qiáng)抗裂作用。
3.4聚丙烯纖維對(duì)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(yīng)力的作用,承受由基體收縮引起的內(nèi)部應(yīng)力，同時(shí)，纖維可以壓擠毛細(xì)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(xì)管失水形成的張力有所降低，達(dá)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(yàn)結(jié)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(jié)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(shí)，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(qiáng)[11]的試驗(yàn)結(jié)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(duì)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(shí),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(guān)鍵問題，作為抗裂增強(qiáng)材料的聚丙烯纖維，它對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響直接關(guān)系到工程的使用安全和耐久性。一般認(rèn)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(jìn)一步擴(kuò)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(shí)度和防水性能。
冷發(fā)光等]對(duì)兩種聚丙烯纖維混凝土的抗氯離子滲透性能作了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，水灰比較低時(shí)，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(shí)，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(duì)混凝土的氯離子滲透性影響不大。曹芳等[13]對(duì)美國杜拉纖維混凝土的抗?jié)B性能作了研究，結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)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(hù)鋼筋、防止銹蝕。
3.6聚丙烯纖維對(duì)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(shí)保持混凝土強(qiáng)度的能力。改善混凝土抗凍性的一個(gè)途徑就是增加其密實(shí)度，改變混凝土的孔結(jié)構(gòu)，特別是盡可能地增加毛細(xì)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(jié)構(gòu)，毛細(xì)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(yàn)結(jié)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(qiáng)度損失率分別為7.0%和6.2% ,質(zhì)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(qiáng)度損失率為分別為3.8%和4.1% ,質(zhì)量損失率均為0.5%。可見，摻入一定量的改性聚丙烯纖維后，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(yàn)結(jié)果表明[14]，聚丙烯纖維對(duì)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(fù)面影響。試驗(yàn)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(jìn)行更為深入的研究。
4 結(jié)語
聚丙烯纖維以其優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能在對(duì)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(yīng)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(dá)到防滲抗裂的目的。如1996年上海瑞安廣場(chǎng)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(fù)旦大學(xué)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(jié)構(gòu)的技術(shù)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(zhì)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(shù)的一項(xiàng)具有創(chuàng)新意義的突破。
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