聚丙烯纤维混凝土的抗裂经济性

来源:用户上传      作者: 桑毅红

　　提要本文通过对聚丙烯纤维在混凝土中的工作机理进行分析，对聚丙烯纤维提高混凝土的抗冲击性、抗渗性、耐火性，尤其是抗裂性作用进行详细论证。
　　关键词：聚丙烯纤维；混凝土；抗裂性；经济性
　　中图分类号：TB3文献标识码：A
　　
　　混凝土中掺加聚丙烯纤维，可大大提高其抗腐蚀性、抗裂性、抗渗性、抗冲击性，掺加了聚丙烯纤维的混凝土，可用于一般工业与民用建筑刚性自防水、大体积混凝土的防裂，也可用于路面、桥面等易开裂的薄板混凝土结构。混凝土中掺加聚丙烯纤维，掺加量小、成本低、操作简便但效果明显，因而在工程建设领域得到了广泛应用。
　　
　　一、概述
　　
　　聚丙烯纤维是一种新型的混凝土纤维，被建筑工程界称为混凝土的“次要增强筋”，它是一种经特殊工艺进行纺丝、切断、亲水处理后生产的高强度束状单丝纤维，加入混凝土或砂浆中后，可起到有效控制混凝土因固塑性收缩、干缩、温度变化等引起的微裂缝，防止或抑止裂缝形成及发展，大大改善混凝土防裂、抗渗、抗冲击能力等作用。
　　
　　二、聚丙烯纤维的作用机理
　　
　　聚丙烯纤维化学性质稳定，它主要通过改变混凝土的物理力学性能来达到改变混凝土内部结构的效果。聚丙烯纤维本身与混凝土骨料、水泥、外加剂不会发生任何冲突，与混凝土有良好的亲和性，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，而且它在混凝土中的分布极其均匀，在电子显微镜下观察，每立方厘米混凝土内的纤维丝可达到20多条。由于聚丙烯纤维同水泥基体有紧密的结合力，能在混凝土中形成一种均匀的乱向支持体系，所以它掺入混凝土能产生有效的三维加强效果，就像在混凝土中加入了大量的微小细筋，同时它的效果又远远比加强钢筋的效果明显。聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布有助于减弱混凝土的塑性收缩，它使收缩能量被分散到混凝土中具有高强度低弹性模量的纤维上，使纤维吸收部分能量，从而极大地提高了混凝土的韧性，抑制了微细裂缝的产生和发展。同时，由无数根纤维在混凝土内部形成的支撑体系，可以有效地防止混凝土骨料的离析，保证混凝土早期泌水性的均匀，从而防止了沉降裂纹的形成。工程实践也表明，加入聚丙烯纤维，是控制混凝土塑性收缩、干
　　裂等非结构性裂缝的有效手段。
　　
　　三、混凝土中添加聚丙烯纤维的作用效果
　　
　　（一）保证混凝土的均质性。混凝土在浇灌后，通常都会发生离析现象，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。
　　（二）提高混凝土的抗裂性。塑性状态的混凝土强度极低，而刚浇灌后的混凝土，常会因气候干燥或刮风等原因导致混凝土表面失水较大，使混凝土发生塑性收缩而出现裂缝。硬化的混凝土由于存在干燥收缩、温度收缩及碳化收缩，内部会产生各种收缩应力（拉应力），当混凝土结构内产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会产生大量裂缝。而聚丙烯纤维加入混凝土后，就有大量的单丝纤维均匀地分布于混凝土中，并在混凝土内部构成了均匀的乱向支撑体系，从而使收缩变形引起的微裂缝，在产生过程中遭遇到纤维的阻挡，能量被消耗后微裂缝就难以进一步发展。
　　（三）提高混凝土的抗渗性。掺入聚丙烯纤维可大幅度提高水泥基材的抗渗性，这也要归功于均匀分布在混凝土基材中的数以千万计的细纤维。掺加纤维的混凝土基材，在限制收缩的条件下，因失水干缩而引发裂缝，但由于纤维存在阻裂作用，从而显著减少了初始裂缝的数量，有效地抑制了裂缝的宽度和长度，从而大大降低了生成连通裂缝的可能性。测试表明：0.1体积掺量的纤维混凝土比普通混凝土抗渗能力提高100%以上。
　　（四）提高混凝土的抗冻融性。掺入少量短切聚丙烯纤维的混凝土，其抗冻融性会大大提高。按混凝土抗冻试验法，经25次反复冻融，混凝土不会发生分层与龟裂现象。其原因就在于：纤维在混凝土材料内部各方向上的随机均匀分布，对材料整体产生微加筋作用，缓解了温度变化引起的混凝土内部应力作用，阻止了温度裂缝的扩展；同时，聚丙烯纤维混凝土抗渗能力的提高，也有利于其抗冻能力的提高。
　　（五）提高混凝土的耐火性和遇火时的安全性。混凝土受热爆裂的过程，就是混凝土中的水分从混凝土内部逸出的过程。随着温度的不断升高，混凝土强度损失的速率随之增加，温度达到600℃时，混凝土的强度会损失50%，达到800℃时，强度损失80%左右。高强度混凝土，由于密实度高、孔隙率低，蒸发通道不畅，水分能尽快逸出，从而会产生几乎达到饱和蒸汽压的过高蒸汽分压，由于蒸汽分压远远超过了混凝土抗拉强度，最终必然导致混凝土不能抵御内部压力而爆裂。但高性能混凝土加入聚丙烯纤维后，情况会发生变化。当温度为180℃，混凝土还处于自蒸阶段时，结构的内部压力还不是很大，同时由于聚丙烯纤维的熔点极低（杜拉纤维的熔点为165℃），它在较低的温度下就会熔化，而且熔化后的液态体积远小于其为固态时所占的空间，于是聚丙烯纤维熔化后会形成众多小孔隙，而且由于聚丙烯纤维分散均匀性，纤维细小、量多，从而使得混凝土内部孔隙结构发生变化，孔隙的连通性加强，为混凝土内部水分的分解蒸发提供了方便通道，也就降低了由于水分蒸发所形成的气压，使混凝土结构内部压力大降低，从而防止了爆裂现象的产生。
　　（六）提高混凝土的抗冲击性。聚丙烯纤维虽然刚度较低，传递荷载的能力差，但它可以有效地减小裂缝尺度，增强材料介质连续性，减小冲击波被阻断引起的局部应力集中现象。而且纤维与水泥基料有极强的结合力，纤维能迅速地和混凝土均匀混合，形成三维不定向支撑体系，所以，当混凝土承受拉力和冲击时，均匀分布且数量众多的纤维会起到吸收能量和分担应力的加强筋作用。试验证明，由于聚丙烯纤维的掺入，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。
　　（作者单位：山东同力建设项目管理有限公司）

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