聚丙烯纤维混凝土的性能与应用趋势

聚丙烯纤维混凝土的性能与应用趋势

聚丙烯纤维混凝土纤维是一种专用于混凝土/砂浆的高性能纤维，能有效地控制混凝土/砂浆塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，防止及抑制混凝土原生裂缝的形成和发展，大大改善混凝土/砂浆的防裂抗渗性能、抗冲磨性能，增加混凝土的韧性，从而提高混凝土的使用寿命。

聚丙烯纤维在本文介绍了聚丙烯纤维基本物理性质，分析了聚丙烯纤维对混凝土的作用机理，介绍总结了聚丙烯纤维混凝土抗收缩性、抗冲击性、抗渗性、抗冻融性、耐磨损性，并提出聚丙烯纤维高性能混凝土发展方向与重点，为聚丙烯纤维混凝土的应用前景提供了参考意见。

自上世纪 70 年代以后, 纤维在提高混凝土性能方面的作用越来越重要，钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等纤维材料应用于水泥混凝土中,均显示了其在混凝土中的优势。其中聚丙烯纤维应用于混凝土中，具有的掺加工艺简单、性能优越、价格低廉等特点，使其在土木工程领域具有广泛的推广和应用价值。

1 聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是半透明的白色束状或者网状单丝结构。具体材料性能见表1。

2 聚丙烯纤维混凝土的主要突出性能

聚丙烯纤维被称为混凝土的“次要增强筋”，是一种新型的混凝土增强纤维，其对混凝土产生的影响可以体现在以下几个方面。

2.1 抗收缩性

由于聚丙烯纤维短切乱向分布，形成了网面一样的机理，从而阻止了混凝土小颗粒的沉降和分层，大大减少了混凝土中由于水作用形成的细小孔道，于是降低了泌水现象出现的概率，所以使混凝土在塑性状态下的收缩率也大大降低。重庆大学梁宁慧研究表明，在聚丙烯掺量相同时，在早期抗裂性上，长径相比于较小者要强；在塑性混凝土状态下，细纤维抗裂作用上要优于粗纤维，但在硬化阶段粗纤维在抗裂效应中更为优越。在体积掺量 0.7%的 l/d=50/63 纤维可以使裂缝缩小 40%左右，在 l/d=19/15 纤维则可以基本消除 1mm 宽的裂缝。0.1%体积掺量的聚丙烯纤维的混凝土裂缝面积和砂浆裂缝面积均有显著降低。

2.2 抗冲击性

东华大学纤维材料改性国家重点实验室的刘卫东采用落锤法进行抗冲击试验，试验时，将 2kg 重的落锤从 900mm 高度自由落下，冲击锤中线与试件中心线对齐。依据 ACI44 委员会推荐的方法计算冲击能量：

试验结果表明，当聚丙烯纤维掺量 0.6kg/m3时，相比普通混凝土的抗冲击能力提高近一倍，当掺量0.9kg/m3时，抗冲击能力提高三倍以上，然而掺量为1.2kg/m3时，抗冲击能力反下降，由此可知聚丙烯混凝土的抗冲击能力随聚丙烯纤维掺量的多少而变化，但其中存在一个峰值，在峰值左侧呈上升趋势，右侧则反之。聚丙烯纤维的弹性模量较普通混凝土弹性模量低，其断裂伸长率比普通混凝土伸长率大，根据复合材料理论，聚丙烯纤维混凝土的力学性能是两者共同作用的结果，其弹性模量远低于混凝土的弹性模量（约普通混凝土1/10～1/2)，所以聚丙烯混凝土的延性较普通混凝土好，如此一来就很好的控制了裂缝的数量以及阻止了裂缝的进一步发展，大幅提高了混凝土开裂还能承受的承载力，使得聚丙烯混凝土的抗冲击韧性得到增强。

2.3 抗渗性

对于混凝土的早期塑性收缩开裂及离析裂纹的产生和发展，聚丙烯纤维具有很有效的抑制作用，对收缩裂缝特别是连通裂缝的产生也有很显著的减少的效果。聚丙烯纤维在混凝土中使骨料均匀分布，提高了混凝土的密实性，降低了孔隙率也减少了有害孔的数量，阻碍了水分从混凝土内部向表面迁移速率，因而聚丙烯纤维混凝土的抗渗性得到大幅度提高。南京水利科学院卢安琪的研究表明，虽然聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的水灰比要大，但加压到 2.1MPa 时，聚丙烯纤维混凝土的渗水高度比普通混凝土要少 16%～19%，相比之下其抗渗性要远优于普通混凝土。在工程实际运用过程中，掺入聚丙烯纤维的混凝土将减少由于养护和温差等原因引起的裂缝，提高了混凝土的致密性，使建筑结构的的抗渗和耐久性得到增强。

2.4 抗冻融性

冻融破坏是混凝土在寒冷地区水工混凝土建筑物所需面对的问题，有关试验表明，在掺入一定剂量范围的聚丙烯纤维，混凝土质量损失率增大的同时会使得动弹模量和相对动弹模量增加明显，依据混凝土冻融破坏的有关准则，聚丙烯纤维混凝土在冻融环境下使用寿命得到增加，提高了混凝土的抗冻性能。掺加聚丙烯纤维增加了剥落现象的发生，但在反复冻融循环试验后，结果发现由于混凝土硬化过程中多余水分减少、孔隙率减少，聚丙烯纤维抑制了混凝土内部裂缝的发展，使得混凝土在冻融条件下的使用性能仍然维持在较高的水平。

2.5 耐磨损性

耐磨损性也是聚丙烯纤维混凝土一项重要的指标，刘卫东试验表明，聚丙烯纤维混凝土的耐磨损性与纤维的掺量有关，其中磨耗量以下式计算：

在一定的聚丙烯纤维掺量范围内，掺量越大的混凝土耐磨性越好，磨耗量也越低，不同型的纤维掺入混凝土，其耐磨性也不同。

3 聚丙烯纤维混凝土的发展方向及应用前景

发展高性能混凝土是现代社会的必然趋势，高性能混凝土应该具有高强度、高使用性、高流动性及显著的耐久性。但是，聚丙烯虽已然具备高性能混凝土的许多特性，其在流动性及可搅拌性上还是具有明显的短板，所以在现代科技高速发展的今天，可以依托各种手段在不大幅增加造价的情况下改善聚丙烯纤维混凝土的流动性，可搅拌性等性能差的缺陷，如此既能提高建筑物的耐久性延长建筑物的使用寿命，也能为节省造价费用做出积极的贡献。

另一方面，随着建筑物复杂程度和其高度的增加，对建筑的防火性能也提出了考验，而在高性能混凝土中加入聚丙烯纤维，当温度超过 165℃时，聚丙烯纤维熔融挥发，于是混凝土中会空出许多孔道，这对建筑物高温所产生的气体等的排放会非常有帮助，基于这些设想，聚丙烯纤维混凝土在现代建筑中必将有广阔的发展前景。另一方面，由于聚丙烯纤维混凝土的抗渗性能优越，应用于渠道防渗，水坝修建，港区及码头的修建，其中在我国的农村水利中，渠道防渗还仅仅是起步阶段，专业的修砌和维护可以显著提高混凝土的抗渗和抗冻性能，进而提高使用寿命和工程效益，聚丙烯纤维能使综合经济效益得到明显的提升，聚丙烯纤维这对我国水利工程建设的积极作用也十分明显。