聚丙烯微纤维混凝土的研究和应用

关键词： 聚丙烯微纤维； 混凝土；对比试验；研究；应用

1　引言

1960年Goldfein研究发现，在水泥净浆与砂浆中加入少量聚丙烯纤维可以明显提高抗冲击性。此后，英国将少量(≤0.05%)短切聚丙烯膜裂纤维掺加于混凝土中用以制造桩壳、墙板、浮体等预制品。1970年美国开始大力开发丝束聚丙烯纤维， 用以代替钢筋网片， 控制混凝土收缩。

近年来， 澳大利亚、加拿大、日本、墨西哥以及东南亚地区等许多国家的混凝土建筑行业在微纤维的开发和使用方面已取得了相当的成果。在我国聚丙烯微纤维混凝土曾先后被应用到各个方面(如路面修补、隧道、桥面、转换梁、结构防水、外墙抹灰、机场跑道、预制构件等)。聚丙烯微纤维混凝土正以其良好的分散性和对混凝土的阻裂作用被广泛应用。

2　聚丙烯微纤维在混凝土中的作用机理

聚丙烯是乳白色无味、无臭、无毒、质轻的热塑性塑料，密度为0.90～0.91g/cm³。熔点为165～170℃，耐热性能良好。聚丙烯与大多数化学品，如酸、碱和有机溶剂接触不发生作用，物理机械性能良好。其纤维加入到水泥基体中，主要有以下3个作用:(1)提高基体的抗拉强度;(2)阻止基体中原有缺陷(微裂缝)的扩展并延缓新裂缝的出现;(3)提高基体的变形能力，并从而改善其韧性和抗冲击性。

美国Romualdi提出的“纤维间距机理”，根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用。认为在混凝土内部原来就存在缺陷，欲提高强度，必须尽可能地减少缺陷的程度， 提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析与实践证明，当纤维的平均中心间距小于716mm时，纤维混凝土的抗拉或抗弯强度均得以提高。

混凝土在硬化过程中，初期由于水和水泥反应形成晶体，这种晶体化合物的体积比原材料的体积要小，因此引起混凝土体积收缩。而后期又由于混凝土内自由水分的蒸发引起干缩。这些应力在混凝土内部不可避免地引起微裂缝，在外力作用下，微裂缝会发展成更大的裂缝，导致混凝土结构强度受损。

由于微纤维以单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部(以0.9 kg/m³投放量计，约1000 多万根)，微纤维的表面经处理后，与混凝土之间握裹力极强，裂缝在发展过程中碰到临近的微纤维时立即被阻挡。因此防止了裂缝的扩展，提高了混凝土的断裂韧性，同时也提高混凝土的耐久性能。

微纤维在混凝土内部的均匀分布，使混凝土内部构成了一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种有效的二级加强效果。收缩的能量被分散到成千上万条纤维单丝上，从而极为有效地增强了混凝土的韧性。同时无数的纤维单丝在混凝土内部形成的乱向网状撑托体系对骨料具有“承托”作用，可以有效阻碍骨料的离析，保证混凝土早期均匀的泌水性，从而阻碍沉降裂缝的形成。

由于微纤维具有聚合物的大分子结构，当温度较高(≥40℃)时，具有收缩性。当温度较低(≤40℃)时，玻璃态和结晶态大分子具有抗收缩性。这种性能恰好补偿了混凝土的热胀冷缩的特性， 因而，微纤维混凝土的耐温性能也很好。

3　聚丙烯微纤维混凝土的施工

聚丙烯微纤维混凝土对搅拌和施工工艺没有特别的要求，只要适当保证搅拌时间即可使用， 无论是混凝土搅拌站还是施工现场搅拌，都十分简便。

3.1　配料

聚丙烯微纤维混凝土的配料要求如下:

(1) 可使用32.5或42.5硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

(2) 当基体为水泥砂浆时，砂子的最大粒径为5mm，聚丙烯微纤维长度可取10～15mm，纤维体积率可取0.1%。

(3) 当基体为混凝土时，石子粒径可取20mm，聚丙烯纤维长度可取55～64mm，纤维掺量可取0.6～0.9kg/m³。

(4) 当基体为喷射混凝土时，水灰比控制在0.35～0.45。纤维掺量可取0.6～0.9kg/m³。

(5) 为改善聚丙烯混凝土拌和物的和易性，可掺加适量的引气剂或减水剂，也可外掺10%左右的粉煤灰。

3.2　搅拌、运输和浇筑

聚丙烯微纤维混凝土的搅拌、运输和浇筑应遵循下述原则:

(1) 可采用普通转筒式搅拌机或盘式搅拌机拌制聚丙烯纤维混凝土。若用后者则应适当调整叶片的角度，以防纤维聚集于叶片与挡板之间发生堵塞现象。

(2) 可先将砂、石、水泥和水在搅拌机内均匀拌和后，再加入聚丙烯微纤维，搅拌时间长短以纤维能在混凝土中的均匀分布为度，一般为3～5min。也可先将聚丙烯纤维与砂、石子、水泥干拌，再加水拌和，整个拌和时间应较拌制普通混凝土适当延长1～2min(但拌制时间过长会使纤维受到损伤并因而降低其强度)。

(3) 混凝土由搅拌站运至工地的时间不超过30min时，聚丙烯微纤维可在搅拌站内预先加入混凝土中，否则聚丙烯微纤维宜在混凝土运至工地后加入。

(4) 聚丙烯微纤维混凝土可用振动台、平板式或插入式振捣器振捣密实。振动频率与时间等按具体情况而定。振捣时应使拌和物中所含空气充分逸出。

(5) 聚丙烯纤维混凝土的初、终凝时间较普通混凝土稍有增加，宜在其接近终凝时进行修抹， 以防止纤维外露。

4　聚丙烯微纤维混凝土的性能

混凝土中掺加聚丙烯微纤维后，其性能发生较大改变或提高，与各类型混凝土的具体对照情况如下所述。

4.1　与普通混凝土比较

普通混凝土按0.9kg/m³的比例掺加聚丙烯微纤维后，坍落度和比重变化不大(坍落度由13.33cm变到12.06cm，比重由2325.89kg/m³变为2297.06kg/m³)，而强度有所提高，特别是抗冲击强度增加较大，具体指标如表1。

4.2　与钢筋混凝土比较

与钢筋混凝土相比，聚丙烯微纤维混凝土有如下特点:

(1) 纤维均匀分布于混凝土中，能有效减少及防止非结构性裂缝的产生。

(2) 能有效增强混凝土的抗渗性、耐磨性、抗锈和抗腐蚀性。

(3) 施工方便，不需为保护钢筋不锈蚀而设置保护层。

4.3　与普通喷射混凝土比较

每立方米掺0.9kg聚丙烯微纤维的混凝土与普通喷射混凝土进行对比试验，聚丙烯微纤维喷射混凝土具有以下优点:

(1) 能形成更厚的喷射混凝土层。

(2) 具有更高的粘稠性，能大幅度降低混凝土回弹，从而降低成本。

(3) 能有效防止收缩龟裂。

(4) 增大混凝土抗冲击能力，提高弯曲强度。

5　结论

(1) 聚丙烯微纤维混凝土性能稳定、使用较为便利，对混凝土的施工无特殊要求。

(2) 聚丙烯微纤维主要是通过物理力学作用改善混凝土的内部结构，并不改变混凝土中各种材料本身的化学性能，因而不影响混凝土的耐久性。

(3) 加入聚丙烯微纤维后，混凝土粘聚性增强，坍落度有少量损失(一般为1～2cm)，对混凝土的工作性影响不大。

(4) 在喷射混凝土中加入聚丙烯微纤维有利于增加喷层厚度，降低混凝土回弹。

(5) 在混凝土中掺加聚丙烯微纤维，对混凝土的抗压强度影响不大，可提高混凝土的劈裂抗拉和抗折强度。

(6) 在混凝土中掺加聚丙烯微纤维可有助于混凝土抗渗性的提高。

(7) 在混凝土中掺加聚丙烯微纤维可有效地提高混凝土的抗冲击性能。

参考文献

[1 ]陈松茂，翁世伟. 化工产品实用手册[M]. 上海:上海交通大学出版社，1993.1～107

[2 ]曹诚. 聚丙烯对混凝土动力学特性的影响研究[A]. 全国第七届纤维水泥与纤维混凝土论文集[C]. 北京:中国建筑出版社，1998.76～78

[3 ]贺子岳. 国外新型纤维增强混凝土及应用[J]. 国外建材科技， 1998，(3):7～11

作者简介;

(1. 中铁十四集团公司路桥分公司， 山东济南　250002; 2. 石家庄铁道学院科技处， 河北石家庄　050043)