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摘要：聚丙烯纤维以其良好技术经济性能，在水泥基材料中得到日益广泛的应用。本文系统介绍了用于改善混凝土缺陷的聚丙烯纤维的特点及主要性能，对聚丙烯纤维对混凝土各种性能的影响以及目前国内的研究概况作了详细的分析和综述。
关键词：聚丙烯纤维；纤维增强混凝土；力学性能；抗渗性；抗裂性
中图分类号： C35 文献标识码： A
1前言
混凝土的发展已有100多年的历史，以其可以就地取材，易于成型、成本低廉、适用性强等诸多优点，被广泛地应用于土建工程，是当前最大宗的人造材料。但作为多孔材料，混凝土也有脆性大、抗拉强度低、抗冲击能力差、易开裂等缺点。从混凝土应用的历史来看，实际工程中大量的钢筋混凝土结构由于混凝土的耐久性不足导致建筑物破坏甚至不能使用。国内外大量资料表明，由此而造成的经济损失是非常巨大的[1]。
混凝土的耐久性，是指混凝土在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土抗拉强度低、易开裂的缺点是导致其耐久性降低的一个重要因素。为了提高水泥基材料的耐久性，长期以来研究人员不断研究减少材料中微裂纹的产生及阻止裂缝的发展，包括提高其抗拉性能，增强韧性和延性的各种方法和途径。纤维混凝土技术的应用和开发就较好地改善了混凝土的这些缺点，而聚丙烯纤维是目前建筑市场上应用最为广泛的一种合成纤维。
2聚丙烯纤维混凝土的研究与应用现状
国外对聚丙烯纤维混凝土的研究,开始于20世纪60年代。1975年,在国际材料与结构实验室联合会论文集《纤维增强水泥与混凝土》上,对有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、计算方法、施工技术等均有较全面的论述[2]。20世纪80年代初期,为解决军用混凝土工事在受炮火攻击后的抗碎问题和军事工程的耐久性问题,美国军队工程师的混凝土专家与美国最大的化工产品企业——合成工业公司聚丙烯材料专家共同研制出用于混凝土增强的聚丙烯纤维[1],并已大量应用于机场跑道、高层建筑地下室等工程中。美国最大的丹佛机场(总面积超过53平方英里,设计年客流量111亿人次),其机场跑道、停机场机库、地下传输通道等,都采用了掺加聚丙烯纤维网的混凝土,效果良好,路面没有出现龟裂和断裂现象[3]。国内关于聚丙烯纤维混凝土的研究起步较晚,而且是随着国外聚丙烯纤维在国内重大建设项目中的大规模应用开始的,目前的研究主要集中于聚丙烯纤维混凝土的物理和力学性能[4]。20世纪90年代,中国纺织大学开始进行改性聚丙烯纤维的研制。2001年,吉林水利实业公司在吉林省梅河口市进行的渠道防渗护砌试验工程,则是在全国水利工程中较早采用了改性聚丙烯纤维混凝土的应用实例[2]。浙江省宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程。该工程于2001年4月通过了国家验收,其中改性聚丙烯纤维混凝土面板达到了国际领先水平[5]。
3聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是以丙烯单体在一定条件下聚合而成的结构规整的结晶型聚合物，属于合成纤维的一种，它的商品名是丙纶。基本特性是:乳白色、无味、无溴、无毒、质轻、不吸湿、不溶于水、耐腐蚀、抗拉强度高。
但是普通聚丙烯纤维,在掺入水泥混凝土中拌合的时候，往往出现在水泥浆中难于分散、结团现象严重、纤维与水泥浆的握裹力差、抗老化能力差等缺点。因此土建工程中所用的聚丙烯纤维必须经过改性处理。改性聚丙烯纤维具有良好的工程性能。在生产中经过特殊处理,使其表面具有一定的活性,这样就大大增加了纤维在混凝土中的分散性；喷制成的单丝改性聚丙烯纤维是非等径的或者在纤维表面出现一些微孔结构,这就增加了纤维与水泥浆的握裹力；同时纤维的抗老化、抗紫外线能力得到加强。
4聚丙烯纤维在混凝土中发生作用的条件
(1)外部条件：可从纤维在混凝土/砂浆中所处的形态以及纤维对集料的关系两个方面来理解。纤维在混凝土/砂浆中能否乱向均匀分布，是关系到纤维能否发生作用的关键。纤维作用的机理无论怎样解释，都必须保证纤维在混凝土/砂浆中呈均匀、乱向分布的状况下才能发挥作用。微裂缝在发展过程中，遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，使其难以进一步发展，从而阻断应力达到抗裂的作用。由于纤维在生产过程中对其表面采用不同的活性剂配伍进行处理，使纤维遇水均匀分散，再加上外力与混凝土各种集料搅拌进一步使纤维与各种集料握裹。杜拉纤维便于分散均匀，是所有使用过该产品的人员所公认的。我们一般在透明水杯的清水中放入少量纤维进行搅动，便可以直观的发现杜拉纤维呈立体悬浮状乱向分散，且长时间放置都不会有太大变化；而某些同类的产品，经搅动后可能分散，但时隔不久便会上浮为一絮状层。据反映凡是有后者情况的纤维，在混凝土/砂浆的实际配制过程中多不易均匀分散。这种观察办法和有人提出的“纤维层高稳定率”办法大同小异。由于聚丙烯纤维密度小于水以及纤维表面活性剂的作用，分散在水中的纤维受浮力及表面活化能的影响，会逐渐呈现较为明显的分层和离析的状态，将不同品牌的短纤维放置在量杯中搅拌后静置，在不同的时间段测量其悬浮状层高的办法来比较其稳定性的办法以判断纤维的分散性。纤维对集料的握裹状况，是能否起作用的另一个关键。纤维能够尽可能多的握裹集料，避免在受力时被拔出。不同的纤维制成标准不同，在电子显微镜下可以看到呈现不同的握裹集料的情况。如果加入纤维后的混凝土塌落度没有损失，这种纤维不是分散不好就是握裹力差，纤维的作用无从谈起。
(2)内部条件：纤维能够起作用，还在于纤维本身的力学性能。如抗拉强度、拉伸极限、纤维均匀度、抗酸碱腐蚀和紫外光的老化能力等。据纤维专家解释，抗拉强度和拉伸极限成一定的反比关系。这种关系要适当，并非纤维的抗拉强度特别高才能产生高的阻裂效用。纤维在受到拉力的过程中发生拉伸变形，如果比值不适当，则抗拉强度不可能达到要求。当然，由于制成材料的限制，该数据只能尽量满足要求。聚丙烯纤维抗拉强度过大，可能会导致脆性加大。拉伸极限过大，混凝土/砂浆中的纤维在受力变形过程中又可能无法控制裂纹。据了解，杜拉纤维的拉伸极限15%左右已经接近天然纤维，需要一定的控制技术才能生产。纤维的改性也表现在这一方面。拉伸极限指标也是衡量纤维抗裂能否真正达到作用的一种指标。
5聚丙烯纤维混凝土的主要性能
在混凝土里掺加一定量的聚丙烯纤维后,聚丙烯纤维在混凝土内形成了一种加强系统,大大地改善了普通混凝土的性能,提高了混凝土的抗裂性。
掺入聚丙烯纤维可大幅度提高水泥基材的抗渗性。掺加大量纤维,可有效抑制早期干缩裂纹及连通裂缝的产生,减少了收缩裂缝;均匀分布且彼此相粘连的大量纤维同时起到了骨料的作用, 阻断了混凝土中的毛细管,使水分迁移困难,大大提高了混凝土的抗渗能力。
混凝土在澆灌后,常常会发生离析现象,即比重较大的骨料下沉与水泥砂浆有所分离,同时混凝土表面出现析水,并因此降低了混凝土的均质性,使混凝土上、下部位的性能出现差异,严重时还会使混凝土出现裂缝。而在混凝土中掺加适量聚丙烯纤维后,均匀分布于混凝土中的纤维,可以起到承托作用并阻止上述离析现象的发生,从而保证了混凝土的均质性。
聚丙烯纤维的弹性模量较低,其断裂伸长率大于混凝土的断裂伸长率,故纤维的掺入提高了混凝土的延性,改善了混凝土的变形性能,而且聚丙烯纤维增强了混凝土介质的连续性,减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象。当混凝土受冲击荷载作用时,纤维起到了阻止混凝土中裂缝扩散与发展的作用,从而改善了混凝土的整体性能,使混凝土的抗疲劳性有很大增强。
聚丙烯纤维混凝土除了组成材料水泥浆体和粗细骨料对耐磨性的贡献外,纤维的阻裂效应,使混凝土在磨损过程中始终保持其整体性。纤维的连接作用又使骨料之间不致于破损,保证了聚丙烯纤维混凝土内部结构的连续性,而材料的整体性直接增强了其抵抗微切削磨损破坏的能力,因此,聚丙烯纤维掺入混凝土中,对于提高混凝土本身的耐磨性有很大帮助。
聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土相当,抗弯强度因混凝土的延性提高而有一定的增加。纤维对混凝土的力学性能的最大改变,不是旨在提高其抗压、抗弯等强度指标,而是极大限度地提高了混凝土的断裂能、延展性。
7结语
聚丙烯纤维以其优越的技术经济性能在对抗裂性和抗冲击等有较高要求的混凝土工程中得到了迅速的推广应用。目前，在我国很多重大工程中都采用了聚丙烯混凝土来达到防渗抗裂的目的。但总的说来，由于我国在改性聚丙烯纤维以及聚丙烯纤维增强混凝土的应用研究领域起步较晚，一些研究结论还不够统一，甚至出现矛盾的现象，目前所完成的研究特别是理论研究还不够深入和系统，因此仍将有大量的研究和开发工作亟待展开。
参考文献:
[1]盛黎明,邓运清.混凝土聚丙烯纤维的发展与应用[J].桥梁,2002,(6):24-25.
[2]董建伟,张国东,张宏雷.水利工程中改性聚丙烯纤维混凝土的研究应用[J].吉林水利,2001,(9):1-7.
[3]http://www.bestfc.com.cn/jbxyy.htm.
[4]阎利,万朝均,王绍东.聚丙烯纤维增强混凝土概述[J].化学建材,2003,(1):52-55.
[5]周明耀,杨鼎宜,汪洋.合成纤维混凝土材料的发展与应用.水利与建筑工程学报(已录用,待发表).
作者简介：
①李小翠 长安大学 硕士研究生
②李颖超 中国人民解放军69213部队
关键词：聚丙烯纤维；纤维增强混凝土；力学性能；抗渗性；抗裂性
中图分类号： C35 文献标识码： A
1前言
混凝土的发展已有100多年的历史，以其可以就地取材，易于成型、成本低廉、适用性强等诸多优点，被广泛地应用于土建工程，是当前最大宗的人造材料。但作为多孔材料，混凝土也有脆性大、抗拉强度低、抗冲击能力差、易开裂等缺点。从混凝土应用的历史来看，实际工程中大量的钢筋混凝土结构由于混凝土的耐久性不足导致建筑物破坏甚至不能使用。国内外大量资料表明，由此而造成的经济损失是非常巨大的[1]。
混凝土的耐久性，是指混凝土在自然环境、使用环境及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土抗拉强度低、易开裂的缺点是导致其耐久性降低的一个重要因素。为了提高水泥基材料的耐久性，长期以来研究人员不断研究减少材料中微裂纹的产生及阻止裂缝的发展，包括提高其抗拉性能，增强韧性和延性的各种方法和途径。纤维混凝土技术的应用和开发就较好地改善了混凝土的这些缺点，而聚丙烯纤维是目前建筑市场上应用最为广泛的一种合成纤维。
2聚丙烯纤维混凝土的研究与应用现状
国外对聚丙烯纤维混凝土的研究,开始于20世纪60年代。1975年,在国际材料与结构实验室联合会论文集《纤维增强水泥与混凝土》上,对有关聚丙烯纤维混凝土的各项性能、计算方法、施工技术等均有较全面的论述[2]。20世纪80年代初期,为解决军用混凝土工事在受炮火攻击后的抗碎问题和军事工程的耐久性问题,美国军队工程师的混凝土专家与美国最大的化工产品企业——合成工业公司聚丙烯材料专家共同研制出用于混凝土增强的聚丙烯纤维[1],并已大量应用于机场跑道、高层建筑地下室等工程中。美国最大的丹佛机场(总面积超过53平方英里,设计年客流量111亿人次),其机场跑道、停机场机库、地下传输通道等,都采用了掺加聚丙烯纤维网的混凝土,效果良好,路面没有出现龟裂和断裂现象[3]。国内关于聚丙烯纤维混凝土的研究起步较晚,而且是随着国外聚丙烯纤维在国内重大建设项目中的大规模应用开始的,目前的研究主要集中于聚丙烯纤维混凝土的物理和力学性能[4]。20世纪90年代,中国纺织大学开始进行改性聚丙烯纤维的研制。2001年,吉林水利实业公司在吉林省梅河口市进行的渠道防渗护砌试验工程,则是在全国水利工程中较早采用了改性聚丙烯纤维混凝土的应用实例[2]。浙江省宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程。该工程于2001年4月通过了国家验收,其中改性聚丙烯纤维混凝土面板达到了国际领先水平[5]。
3聚丙烯纤维
聚丙烯纤维是以丙烯单体在一定条件下聚合而成的结构规整的结晶型聚合物，属于合成纤维的一种，它的商品名是丙纶。基本特性是:乳白色、无味、无溴、无毒、质轻、不吸湿、不溶于水、耐腐蚀、抗拉强度高。
但是普通聚丙烯纤维,在掺入水泥混凝土中拌合的时候，往往出现在水泥浆中难于分散、结团现象严重、纤维与水泥浆的握裹力差、抗老化能力差等缺点。因此土建工程中所用的聚丙烯纤维必须经过改性处理。改性聚丙烯纤维具有良好的工程性能。在生产中经过特殊处理,使其表面具有一定的活性,这样就大大增加了纤维在混凝土中的分散性；喷制成的单丝改性聚丙烯纤维是非等径的或者在纤维表面出现一些微孔结构,这就增加了纤维与水泥浆的握裹力；同时纤维的抗老化、抗紫外线能力得到加强。
4聚丙烯纤维在混凝土中发生作用的条件
(1)外部条件：可从纤维在混凝土/砂浆中所处的形态以及纤维对集料的关系两个方面来理解。纤维在混凝土/砂浆中能否乱向均匀分布，是关系到纤维能否发生作用的关键。纤维作用的机理无论怎样解释，都必须保证纤维在混凝土/砂浆中呈均匀、乱向分布的状况下才能发挥作用。微裂缝在发展过程中，遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，使其难以进一步发展，从而阻断应力达到抗裂的作用。由于纤维在生产过程中对其表面采用不同的活性剂配伍进行处理，使纤维遇水均匀分散，再加上外力与混凝土各种集料搅拌进一步使纤维与各种集料握裹。杜拉纤维便于分散均匀，是所有使用过该产品的人员所公认的。我们一般在透明水杯的清水中放入少量纤维进行搅动，便可以直观的发现杜拉纤维呈立体悬浮状乱向分散，且长时间放置都不会有太大变化；而某些同类的产品，经搅动后可能分散，但时隔不久便会上浮为一絮状层。据反映凡是有后者情况的纤维，在混凝土/砂浆的实际配制过程中多不易均匀分散。这种观察办法和有人提出的“纤维层高稳定率”办法大同小异。由于聚丙烯纤维密度小于水以及纤维表面活性剂的作用，分散在水中的纤维受浮力及表面活化能的影响，会逐渐呈现较为明显的分层和离析的状态，将不同品牌的短纤维放置在量杯中搅拌后静置，在不同的时间段测量其悬浮状层高的办法来比较其稳定性的办法以判断纤维的分散性。纤维对集料的握裹状况，是能否起作用的另一个关键。纤维能够尽可能多的握裹集料，避免在受力时被拔出。不同的纤维制成标准不同，在电子显微镜下可以看到呈现不同的握裹集料的情况。如果加入纤维后的混凝土塌落度没有损失，这种纤维不是分散不好就是握裹力差，纤维的作用无从谈起。
(2)内部条件：纤维能够起作用，还在于纤维本身的力学性能。如抗拉强度、拉伸极限、纤维均匀度、抗酸碱腐蚀和紫外光的老化能力等。据纤维专家解释，抗拉强度和拉伸极限成一定的反比关系。这种关系要适当，并非纤维的抗拉强度特别高才能产生高的阻裂效用。纤维在受到拉力的过程中发生拉伸变形，如果比值不适当，则抗拉强度不可能达到要求。当然，由于制成材料的限制，该数据只能尽量满足要求。聚丙烯纤维抗拉强度过大，可能会导致脆性加大。拉伸极限过大，混凝土/砂浆中的纤维在受力变形过程中又可能无法控制裂纹。据了解，杜拉纤维的拉伸极限15%左右已经接近天然纤维，需要一定的控制技术才能生产。纤维的改性也表现在这一方面。拉伸极限指标也是衡量纤维抗裂能否真正达到作用的一种指标。
5聚丙烯纤维混凝土的主要性能
在混凝土里掺加一定量的聚丙烯纤维后,聚丙烯纤维在混凝土内形成了一种加强系统,大大地改善了普通混凝土的性能,提高了混凝土的抗裂性。
掺入聚丙烯纤维可大幅度提高水泥基材的抗渗性。掺加大量纤维,可有效抑制早期干缩裂纹及连通裂缝的产生,减少了收缩裂缝;均匀分布且彼此相粘连的大量纤维同时起到了骨料的作用, 阻断了混凝土中的毛细管,使水分迁移困难,大大提高了混凝土的抗渗能力。
混凝土在澆灌后,常常会发生离析现象,即比重较大的骨料下沉与水泥砂浆有所分离,同时混凝土表面出现析水,并因此降低了混凝土的均质性,使混凝土上、下部位的性能出现差异,严重时还会使混凝土出现裂缝。而在混凝土中掺加适量聚丙烯纤维后,均匀分布于混凝土中的纤维,可以起到承托作用并阻止上述离析现象的发生,从而保证了混凝土的均质性。
聚丙烯纤维的弹性模量较低,其断裂伸长率大于混凝土的断裂伸长率,故纤维的掺入提高了混凝土的延性,改善了混凝土的变形性能,而且聚丙烯纤维增强了混凝土介质的连续性,减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象。当混凝土受冲击荷载作用时,纤维起到了阻止混凝土中裂缝扩散与发展的作用,从而改善了混凝土的整体性能,使混凝土的抗疲劳性有很大增强。
聚丙烯纤维混凝土除了组成材料水泥浆体和粗细骨料对耐磨性的贡献外,纤维的阻裂效应,使混凝土在磨损过程中始终保持其整体性。纤维的连接作用又使骨料之间不致于破损,保证了聚丙烯纤维混凝土内部结构的连续性,而材料的整体性直接增强了其抵抗微切削磨损破坏的能力,因此,聚丙烯纤维掺入混凝土中,对于提高混凝土本身的耐磨性有很大帮助。
聚丙烯纤维混凝土的抗压强度与普通混凝土相当,抗弯强度因混凝土的延性提高而有一定的增加。纤维对混凝土的力学性能的最大改变,不是旨在提高其抗压、抗弯等强度指标,而是极大限度地提高了混凝土的断裂能、延展性。
7结语
聚丙烯纤维以其优越的技术经济性能在对抗裂性和抗冲击等有较高要求的混凝土工程中得到了迅速的推广应用。目前，在我国很多重大工程中都采用了聚丙烯混凝土来达到防渗抗裂的目的。但总的说来，由于我国在改性聚丙烯纤维以及聚丙烯纤维增强混凝土的应用研究领域起步较晚，一些研究结论还不够统一，甚至出现矛盾的现象，目前所完成的研究特别是理论研究还不够深入和系统，因此仍将有大量的研究和开发工作亟待展开。
参考文献:
[1]盛黎明,邓运清.混凝土聚丙烯纤维的发展与应用[J].桥梁,2002,(6):24-25.
[2]董建伟,张国东,张宏雷.水利工程中改性聚丙烯纤维混凝土的研究应用[J].吉林水利,2001,(9):1-7.
[3]http://www.bestfc.com.cn/jbxyy.htm.
[4]阎利,万朝均,王绍东.聚丙烯纤维增强混凝土概述[J].化学建材,2003,(1):52-55.
[5]周明耀,杨鼎宜,汪洋.合成纤维混凝土材料的发展与应用.水利与建筑工程学报(已录用,待发表).
作者简介：
①李小翠 长安大学 硕士研究生
②李颖超 中国人民解放军69213部队