聚丙烯纤维与高强高性能混凝土

朱　江　　(广东工业大学土木系）
　　〔提　要〕通过分析聚丙烯纤维在高强混凝土中的作用以及使混凝土高性能化的作用，说明在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维能有效地改善混凝土材料的物理性能，提高混凝土材料的耐久性。文中还介绍了聚丙烯纤维在高强混凝土及高性能混凝土工程中的应用实例，以及这种材料在高强、高性能混凝土中的应用发展前景。

　　〔关键词〕聚丙烯纤维　高强混凝土　高性能混凝土

1　引　言

　　混凝土的高强化是百多年来的努力方向，作为重要的结构材料，强度一直是混凝土的主要性能指标，高强度一直被认为是优质混凝土的特征。然而，人们在追求高强度的同时，却发现了不少混凝土建筑因材质劣化引起开裂破坏甚至倒塌，它们的破坏往往不是强度不足，而是耐久性不够。因此，混凝土耐久性的重要地位已不亚于强度和其它性能，由此也提出了混凝土高性能化的要求。

　　中国工程院院士吴中伟教授认为〔1〕，复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心。复合化的技术思路——超叠加效应，对材料高性能化有重要意义，可用公式1+2≥3表示。本文正是基于这种思路，介绍聚丙烯纤维在高强、高性能混凝土中的作用及其工程应用以及应用发展前景。以下介绍的聚丙烯纤维主要是以美国希尔兄弟化工公司生产的混凝土专用聚丙稀纤维(杜拉纤维)为例。

2　聚丙烯纤维及高强、高性能混凝土

2.1　聚丙烯纤维的物理性能

　　混凝土专用聚丙烯纤维的物理性能如下：

　　材料：聚丙烯　　　　　　　　耐酸碱性：极高

　　比重：0.91　　　　　　　　　安全性：无毒材料

　　熔点：165℃　　　　　　　　 拉伸极限：15％

　　燃点：593℃　　　　　　　　 抗拉强度：276MPa

　　含湿量：＜0.1％　　　　　　 弹性模量：3793MPa

　　吸水性：无　　　　　　　　　导电、导热：极低

2.2　高强、高性能混凝土

　　高强、高性能混凝土的概念随时间和地域的不同而有所变化，如三十年前与现在的高强混凝土概念不同，美国与日本的高性能混凝土概念不同等。目前我国的多数专家认为：强度等级≥C50的混凝土称为高强混凝土(HSC)。而高性能混凝土则定义为：具有一定强度(≥C30)和高工作性及高耐久性(使用寿命≥100年)的混凝土，其中高耐久性最为重要。

　　高强混凝土与高性能混凝土的关系为：高强混凝土属于高性能混凝土的范畴，但高性能不一定高强。

3　聚丙烯纤维在高强混凝土中的作用及应用

　　随着各类高层建筑及大跨度、大体积结构的涌现，高强混凝土的使用越来越广泛。目前已应用的高强混凝土≥C50)有很多，其中国内应用较好的城市有上海、北京、广州、沈阳等，国外应用较好的国家有美国、法国、加拿大、日本、挪威等。

3.1　聚丙烯纤维在高强混凝土中的作用

　　高强混凝土是混凝土技术的一个重要发展方向，它的重要特点是耐久、强度高、变形小，能适应现代工程结构向大跨、高耸、重载方向发展和承受恶劣环境条件的需要，符合现代施工技术采用工业化生产(工厂预拌混凝土、工厂预制构件)的要求。高强混凝土的作用，大大提高了混凝土及钢筋混凝土构件的承载力，并能有效地减少构件截面的尺寸和减轻构件或建筑物自重，增加建筑使用面积或净空，并可以节省材料总用量及材料运输费，因而其应用已越来越广泛。但是，高强混凝土材料在力学性能上呈现明显的脆性，在受压时表现出较小的塑性和更大的脆性，大体积高强混凝土易产生大面积开裂；此外，高强混凝土的极限应变较普通混凝土小，易于产生劈裂现象，对抗震不利，这些不利因素都影响了高强混凝土更广泛的使用。因此，如何确保高强混凝土在高承载力的基础上，有效地改善其性能已成为迫切需要解决的问题，而作为一种新型的混 凝土外加材料，聚丙烯纤维则能较好地解决以上问题。

　　在混凝土内掺入专用的聚丙烯纤维并经搅拌后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；同时由于细微，故比表面积大，每公斤聚丙烯微纤维连起来的总长度可绕地球10多圈，若分布在1m3 的混凝土中，则可使每cm3的混凝土中有近二十条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。在混凝土凝结的过程中，当水泥基体收缩时，由于纤维这些微细配筋的作用而消耗了能量，可以抑制混凝土开裂的过程，有效地减少混凝土干缩时所引起的微小裂缝，提高混凝土 的韧性。有关单位曾对聚丙烯纤维混凝土及普通混凝土进行常规力学测试，并作了劈裂抗拉测试试件破坏比较：在相同条件下，聚丙烯纤维混凝土强度提高并不大，但试件的破坏形式却不相同，普通混凝土为脆性破坏，完全断裂；而聚丙烯纤维混凝土仅有两条不同方向的可见短裂缝，试件仍保持完整。从以上比较可以反映出聚丙烯纤维能大大提高混凝土的抗裂能力和韧性，对克