聚丙烯纤维混凝土综述2001剖析

聚丙烯纤维混凝土技术调研报告聚丙烯纤维混凝土在水利工程上应用研究课题组2000年12月普通混凝土在浇筑后早期硬化阶段，会因泌水和水分散失而产生塑性收缩，使混凝土产生细微龟裂；在硬化后期还会产生干缩裂缝，削弱其整体性。

在温度应力及其它外力作用下，裂缝将进一步发展甚至碎裂，从而影响到混凝土的耐久性和抗磨性能；而且因裂缝渗水，钢筋容易锈蚀。

这一问题在薄板型结构和需要快速硬化的情况下，尤其突出。

1963年，Goldfein在给美国陆军工程师兵团的报告中提出多种纤维产品可以改善混凝土的抗冲击、破碎性能（29），其中特别推荐了聚丙烯纤维。

80年代中期，美国陆军工程师团的罗博特协会，为解决军用工事的混凝土结构在炮弹、炸弹的轰击下碎裂的问题，研究和开发了聚丙烯纤维网，并申请了专利，由美国纤维网公司投入生产，商标名称为Fibermesh（1，4）。

聚丙烯纤维作为一种次要的混凝土加强系统（即不代替受力钢筋），成功地解决了普通混凝土的上述缺点，而且较为经济和容易施工。

因此在公路及桥梁路面、机场跑道、停机坪、停车场、工业与民用建筑、水泥和混凝土制品、水池、化污池、港口码头、隧洞喷锚加固、基坑支护、水渠、水工建筑物抗渗和抗冲刷等混凝土建筑工程中，迅速得到推广使用，目前已在全球60多个国家和地区应用，效益显著（1，4）。

除上述Fibermesh 外，美国还有Amerisack、Bonifiber、Durafiber（8）和欧共体的Eurofiber等产品，其中Bonifiber为聚酯纤维。

一、聚丙烯纤维的性能聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维。

根据其生产过程可以分为两种。

聚丙烯在熔融状态下挤压成薄片（flat sheet）或进行抽取为长丝（filament），再经过牵伸使纤维分子定向。

前者经过破碎、切断成为原纤化纤维（fibrillated fiber），其断面一般为不规则、近似矩形，纤维之间互相关联或成束状；后者则切断后成为圆形断面的复丝或单丝纤维（22，，27，29）。

聚丙烯材料的优点是强度较高，比重比一般聚合物低，完全不吸水，为中性材料，与酸碱不起作用，而且经济性好，这些特点使它特别适用于掺加在混凝土中。

其中使用较普遍的纤维性质如下（8，11）：纤维长度5～51 mm（可根据用户需要定）比重0.91燃点590℃熔点160～170 ℃抗拉强度200-300MPa极限拉伸15%吸水性无抗酸、抗碱能力不受酸碱侵蚀导电性低导热性低杨氏弹性模量3400-3500 Mpa中国国家建材局苏州混凝土水泥制品研究院和国内其它一些测试单位对上述技术指标进行了测试，结果良好。

广州、上海建委已分别颁发了推广许可证。

二、聚丙烯纤维混凝土的特性聚丙烯纤维混凝土是把一定量的聚丙烯纤维加入到普通混凝土的原材料中，在搅拌机的搅拌下，纤维受到水泥、砂石的冲击混和，均匀分布在混凝土中。

如果是用成束的纤维网也会被撕裂成大量单独的纤维（不会纠缠成团），均匀分布在混凝土中。

作为次要的增强材料，掺入量一般为混凝土体积的0.05-0.1%。

若以0.1%加入，则每立方混凝土中0.9 kg，如果采用19 mm长的纤维，则每立方米混凝土中约有700~2000万根独立纤维，即平均每cm3有7~20根左右。

这些方向随机分布的纤维使混凝土的性能有较大的改善，主要表现在：1．纤维抑制了混凝土的塑性收缩龟裂，提高了建筑物的整体性、耐久性和使用寿命，美国许多研究部门对此作了试验研究。

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 %（9）。

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%，混凝土试样收缩量有一组比对照减少48%，另一种则与对照相同（26）。

同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的测试表明，聚丙烯纤维含量为0.05%和0.15%的砂浆干缩裂缝加权宽度分别为对照试样的63.5%和37.3%（2）。

从一些资料看，试验方法对结论有较大影响。

如美国伊文斯敦西北大学的Grybowsky等人采用环型试样进行的试验得出了掺量0.1%的聚丙烯纤维对减少混凝土塑性收缩量及开裂宽度效果不显著的结论（17）。

Hannant的试验也有类似结论（18）。

但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（1，5，6，8，19，20，21，22，29，30）。

McWhannell等人认为，聚丙烯纤维主要用于地面支承平板中混凝土的非结构性增强（Non-structuralreinforcement），其作用是减少塑性收缩和混凝土早期硬化中的泌水从而减少或消除裂缝产生（23）。

特别是随着混凝土施工技术的发展，出现了用激光照准的混凝土平面浇筑机，每小时浇注量可达70m3，一日可铺设2000m2地面（18，30），采用纤维混凝土能成功地解决在这样的施工强度下，控制收缩裂缝的问题。

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%（23，29）；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。

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%（22）。

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（23，28）。

因此不少人主张在地面支承板结构中，可以用纤维网混凝土取代钢筋网，但同时也指出两者结合使用效果更好（21，23，29，30）。

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。

2．强度和韧性是混凝土的两大主要性能。

试验表明，虽然不同的试验方法得出的纤维混凝土改善韧性的程度有所差异，但总的结论都是能较大地增强混凝土的抗冲击性和柔韧性。

圣荷西大学的试验表明，纤维混凝土抗冲击能力可提高一倍，柔韧性比普通混凝土大约提高40%。

抗疲劳性能增加三倍（1）。

Lanning介绍，根据已进行的许多试验综合得出结果：纤维混凝土按开裂后整体性衡量的韧性指标（ASTM方法）可提高15%，抗冲击力增加10-50%（22）。

文献2报道的试验结果表明，按ASTM韧性指标中I100可提高70%，其他指标则与素混凝土相当，表明纤维对维持开裂后混凝土结构整体性的后效应。

Soroushian等人用破坏圆柱试样的落锤次数表示抗冲击性，含量0.1%的聚丙烯纤维混凝土是对照素混凝土的约2.9倍，与含量0.05%的高模量聚乙烯纤维混凝土相当（27）。

文献30指出，为提高混凝土韧性，以及用于预制、喷射混凝土时，需要较大的纤维含量。

一项按照ASTM C1018进行的试验表明，纤维达0.5%体积含量时，残余强度系数可达到与钢纤维含量为20kg/m3的水平相当。

但Gopalaratnam 等人按ASTM准则作的试验并未发现不同纤维含量对试样韧性有明显影响，不过按日本JCI能量指标进行评价，则较大纤维含量的混凝土韧性有一定增加（15）。

表征韧性的另一个性能是抗破碎性。

据文献10介绍，有试验表明，素混凝土压裂后马上完全破碎，而纤维网混凝土在承受超出10%的压力后仍不碎裂，这对受地震破坏的建筑结构中人员和财产安全有很大意义。

3．提高了混凝土的抗渗性。

据文献11，圣荷西大学的试验表明含量0.5kg/m3的纤维网混凝土渗水性减少33-44%，而含量1kg/m3的纤维网混凝土则可减少79%。

文献22综合了已有的资料，得出纤维混凝土可减少渗透性33-45%的结论。

同济大学混凝土材料研究国家重点试验室的试验得出，纤维含量0.8kg/m3的混凝土抗渗标号从素混凝土的S10提高到S14。

体积含量0.05%的纤维砂浆，抗渗压力提高25%（2）。

纤维混凝土抗渗性好对防止和延缓渗水、潮湿气体和氯化物等有害介质对混凝土的侵蚀和对受力钢筋的防锈蚀起了良好作用，可延长建筑物的使用寿命。

4．提高了混凝土的耐磨损性能。

根据挪威政府公路试验室的模拟抗磨损试验，加入纤维的混凝土，抗磨损能力提高52%，并减少材料损耗34.4%。

美国陆军工程师团CRD-C52-54方法测试结果，纤维网混凝土提高抗磨力105%，相同条件下加入纤维网可延长混凝土寿命一倍（11）。

文献22介绍，纤维网混凝土提高耐磨损力20-52%。

5．提高海水环境下的耐腐蚀性。

混凝土浸没在海水中时，由于海水与水泥及骨料中某些离子的化学反应，表面将形成水镁石、文石（碳酸钙）等物质。

某些骨料中的部分离子溶于水中，使混凝土表面软化，降低混凝土抗渗性和抗电解性，加上长期的干湿循环，使混凝土丧失耐久性，导致混凝土的破坏。

Abdul-Hamid等人对现场条件的模拟试验表明（12），体积含量0.2%的聚丙烯纤维混凝土表面结垢时间比素混凝土延长1-10倍。

普通混凝土经海水浸泡的试样表面成片状，很容易剥落，而纤维混凝土表面则未呈分离状。

根据X光衍射试验，衡量混凝土腐蚀程度的石膏和文石物质生成数量，纤维混凝土仅为普通混凝土的38%和58%。

研究者认为掺加聚丙烯纤维是降低海水对混凝土腐蚀的有效措施。

文献8也介绍了大量国外研究机构的试验结论，聚丙烯纤维混凝土可经受85次海水干湿循环，而普通混凝土仅50次。

西班牙的一项研究表明纤维混凝土降低了内部气体循环，由此延缓了海水腐蚀。

6．纤维混凝土的压缩和弯曲强度根据文献报导，纤维混凝土的压缩强度与素混凝土相当，但能在一定程度上提高弯曲强度，提高的程度与掺量有关。

文献15报导了体积含量达到0.5-1%的聚丙烯纤维混凝土弯曲强度是素混凝土的1.6-1.9倍，而含量为1%和2%的高模量聚乙烯纤维混凝土抗弯强度则是素混凝土的1.8-2.3倍。

该文经过对比试验得出结论，可以用掺加纤维的措施减少传统方法设计的钢筋网数量。

据估算，费用可以节省41%。

文献27的试验得出，掺量为0.025-0.1%的高模量聚乙烯纤维混凝土，可提高弯曲强度13-22%，掺量0.1%的聚丙烯纤维对弯曲强度的提高仅为6%。

同济大学的试验结果，掺量0.8kg/m3的纤维网混凝土抗弯强度提高7.6%。