聚丙烯纤维混凝土的性能及应用

    普通的聚丙烯纤维耐老化性能差，混凝土搅拌易结成团，只有经过改性处理的纤维，才能与水泥基材共同工作，在混凝土工程中应用。早期大多采用聚丙烯膜裂纤维，20世纪80年代初，美国成功开发出单丝聚丙烯纤维，由于成本低，以及改善混凝土性能效果显著，而广泛用在地下工程防水、工业与民用建筑屋面、地面以及公路、桥梁工程。我国自20 纪90年代中期开始，已有数以千计的工程采用聚丙烯纤维混凝土，如广州新中国大厦、重庆世界贸易中心、北京亚运村、武汉长江大桥、三峡工程等并取得显著成效。

    1 聚丙烯纤维混凝土的特性

    混凝土的极限拉伸率低，一般为0.01%～0.20%，而聚丙烯纤维的拉伸率高达15%～18%，均匀散布于混凝土中的聚丙烯单丝纤维，不仅阻止了骨料的下沉，改善和易性及泌水，减少离析，而且有效地承受因混凝土收缩而产生的拉应变，延缓或阻止混凝土内部微裂缝及表面宏观裂缝的发生发展，提高混凝土的抗渗性。聚丙烯纤维混凝土受冲击荷载作用时，阻止混凝土裂缝的扩展，提高混凝土的抗冲击性、抗冻性、抗碳化性能等。

    1.1 物理性能
    1) 抗收缩性　抗收缩性是聚丙烯纤维应用于混凝土中最为主要的性能，有资料表明，掺入体积掺率为1%左右的聚丙烯膜裂纤维，可使混凝土的收缩率降低约75%。

    2) 抗渗性　根据国家建筑材料测试中心测试结果，0.05%掺量的聚丙烯纤维混凝土在1.2MPa 的水压作用下，与同强度(28d龄期) 未掺聚丙烯纤维混凝土比较，抗渗性能提高70%。

    3) 耐火性　最近的耐火试验表明，在混凝土中掺入低熔点纤维(直径0.1mm，长12cm，掺量4kg/m³) 具有良好的耐火前景，这样的纤维混凝土柱经过标准耐火试验几乎观察不到破坏，说明低熔点纤维能防止混凝土爆裂。

    4) 和易性　在混凝土中掺入体积率在0.05%～0.07%的聚丙烯纤维，可有效地抑制混凝土拌合物的离析与泌水，改善混凝土的和易性。

    1.2 力学性能
    1) 抗压及抗拉强度　聚丙烯纤维混凝土抗压及抗拉强度与普通混凝土接近。

    2) 抗弯强度　掺入体积率为l %左右的聚丙烯膜裂纤维后，砂浆或混凝土抗弯强度的提高不超过25 % ，但破坏前有很高的变形能力。

    3) 抗冲击性　国家建筑材料测试中心试验结果表明，掺有0.05%与0.1%纤维的砂浆的抗冲击强度与素砂浆比较分别提高17.7%与25.8%。

    4) 抗疲劳性　抗疲劳试验试件施荷速率为20次循环/S，经过200万次循环后，素混凝土可承受的最大应力为其抗折强度的50%，0.3%掺量的纤维混凝土可承受的最大应力则为其抗折强度的65%。

    1.3 耐久性能
    1) 抗冻融性　国家建筑材料测试中心采用GBJ 82-1985对两种体积掺率聚丙烯纤维混凝土的抗冻性能进行了测试， 试体尺寸100×100×100mm，龄期28d，以最冷月平均气温为-5～0 ℃地区为例，抗冻标号为100- 50，测试观察50次冻融循环后混凝土硬化抗压强度的变化率。测试结果表明:加人聚丙烯纤维混凝土后可以有效地提高混凝土的抗冻能力。

    2) 抗碳化及抗碱骨料反应性　聚丙烯纤维混凝土抗碳化及抗碱骨料反应性主要是通过减少混凝土内部的各种裂缝，以提高混凝土的密实度的途径实现的。

    2  聚丙烯纤维混凝土的应用

    2.1  建筑工程
    聚丙烯纤维混凝土用于现场浇筑地下室底板、侧墙、顶板、屋面、水池等自防水混凝土及高层建筑基础大体积混凝土、转换层的梁板等超宽、超厚、超大混凝土构件。混凝土和易性好，并有助于提高自防水混凝土的抗渗、防裂及抗冻性，有效解决大体积混凝土因温度应力产生的裂缝。

    2.2  土木工程和水利工程
    掺有聚丙烯纤维的混凝土路面、桥梁板面、水库大坝及港湾、渡槽等，其综合性能如抗折、抗裂、抗疲劳、耐磨损性、耐海水侵蚀性等各项指标均优于普通混凝土工程，特别是在交通量大、车辆通行频繁的条件下，聚丙烯纤维的抗疲劳性能表现更为突出，在气候变化剧烈、冻融频繁的条件下，聚丙烯纤维混凝土的抗冻融性能更能得到充分体现。

    2.3  预制混凝土制品
    聚丙烯纤维混凝土用于钢筋混凝土预制构件，水泥制品(管、砌块等) 可明显提高外观质量，有助于防止与减少预制构件表面裂缝，减少缺边掉角，并可增加其抗渗性，防止钢筋锈蚀。

    2.4  预拌混凝土
    掺有聚丙烯纤维的预拌混凝土能明显改善混凝土的和易性，减少泌水，防止商品混凝土产生塑性裂缝。聚丙烯纤维在混凝土中能与任何化学外加剂配制成泵送及其它高性能混凝土。高性能混凝土以其高强度、大流动性、优异的耐久性能广泛应用于高层建筑，大跨度桥梁等。采用聚丙烯纤维复合的途径能有效地提高高性能混凝土的韧性、抗裂性及延性。

    3  应用实例

    3.1  在高层建筑转换层结构的应用
   济南东兴商住楼是一座大底盘双塔楼建筑，总建筑面积88755m²，高99. 9m(最高处111.7m)，地下3层，地上30层。地上1至4层为商业用房，地上5至30层为住宅，双塔楼剪力墙结构，第4 层为转换层，转换层大梁截面尺寸有950mm×2500mm、1000mm×2500mm、1150mm×2800mm三种，转换层现浇楼板厚150mm，转换层为C50高强混凝土，转换层的施工时间为2001年8月初。

    高强混凝土存在受压时高度脆性及大体积高强混凝土的大面积开裂等缺陷，使得高强混凝土的优越性得不到充分发挥，为此进行了抗裂方案的优越选择，最终决定在转换层C50高强混凝土中掺入济南产改性聚丙烯纤维(长度15～19mm，抗拉强度580～780MPa，弹性模量370MPa及NF-2高效减水剂，每1m³混凝土中掺入0.9kg聚丙烯纤维。本工程转换层混凝土经检测质量优良，未发现可见裂缝，28d抗压强度即达到56.7MPa，由此表明在深梁和大面积楼板的混凝土裂缝控制上，在混凝土材料中适量掺入聚丙烯纤维是一种有效途径。

    3.2  在混凝土路面工程中的应用
    平顶山市平东线姚孟段，路面宽12m，属于厂区和村镇过街路段。原为沥青路面，由于交通量大，超载严重，造成路面损坏严重。虽经多次维修，使用效果未能得到根本改善，社会影响较大。为此，平顶山市公路局于2001年决定对该路面进行大修，在接近市区的柏楼段试验性铺设了200m长的聚丙烯纤维混凝土路面，试验段宽9m， 分两段施工，各长100mm，其中一段采用全掺纤维混凝土，路面厚度减薄为18cm，另一段采用素混凝土与纤维混凝土复合路面，路面总厚24cm，表层8cm掺入聚丙烯纤维，其下层仍采用普通水泥混凝土，聚丙烯纤维采用美国纤维网公司生产的聚丙烯合成纤维，纤维长度1.8cm，每1m³凝土中加入0.9kg成品聚丙烯纤维。通过对试验路二年通车试验的调查分析，无明显断板、裂缝、错台等现象，使用效果良好。采用纤维混凝土造价比普通混凝土虽有增加，但它相对养生期短，使用寿命长，养护工作量大为减少，方便行车，与钢筋混凝土路面相比，造价每千米节约28万元。综合来看，使用纤维混凝土可以获得较好的经济效益和社会效益。

    4  结语
    聚丙烯纤维混凝土的综合性能优于普通混凝土，具有施工方法简单，安全无害，质量性能可靠的特点，尤其适用于刚性防水混凝土、大体积混凝土、高强混凝土等，具有明显的技术、经济优势。由于聚丙烯纤维初期投入成本略高，当前，只用于重点工程以及特殊工程的重点部位。随着聚丙烯单丝纤维逐步国产化，建筑技术不断进步，在水利、工业与民用建筑、道桥等领域的应用必将越来越广泛。

    参考文献
    1 　龚益等，杜拉纤维在土建工程中的应用，北京，机械工业出版社，2002.10.