聚丙烯纖維混凝土的性能及應(yīng)用

    普通的聚丙烯纖維耐老化性能差，混凝土攪拌易結(jié)成團(tuán)，只有經(jīng)過改性處理的纖維，才能與水泥基材共同工作，在混凝土工程中應(yīng)用。早期大多采用聚丙烯膜裂纖維，20世紀(jì)80年代初，美國成功開發(fā)出單絲聚丙烯纖維，由于成本低，以及改善混凝土性能效果顯著，而廣泛用在地下工程防水、工業(yè)與民用建筑屋面、地面以及公路、橋梁工程。我國自20 紀(jì)90年代中期開始，已有數(shù)以千計(jì)的工程采用聚丙烯纖維混凝土，如廣州新中國大廈、重慶世界貿(mào)易中心、北京亞運(yùn)村、武漢長江大橋、三峽工程等并取得顯著成效。

    1 聚丙烯纖維混凝土的特性

    混凝土的極限拉伸率低，一般為0.01%～0.20%，而聚丙烯纖維的拉伸率高達(dá)15%～18%，均勻散布于混凝土中的聚丙烯單絲纖維，不僅阻止了骨料的下沉，改善和易性及泌水，減少離析，而且有效地承受因混凝土收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)變，延緩或阻止混凝土內(nèi)部微裂縫及表面宏觀裂縫的發(fā)生發(fā)展，提高混凝土的抗?jié)B性。聚丙烯纖維混凝土受沖擊荷載作用時(shí)，阻止混凝土裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土的抗沖擊性、抗凍性、抗碳化性能等。

    1.1 物理性能
    1) 抗收縮性　抗收縮性是聚丙烯纖維應(yīng)用于混凝土中最為主要的性能，有資料表明，摻入體積摻率為1%左右的聚丙烯膜裂纖維，可使混凝土的收縮率降低約75%。

    2) 抗?jié)B性　根據(jù)國家建筑材料測試中心測試結(jié)果，0.05%摻量的聚丙烯纖維混凝土在1.2MPa 的水壓作用下，與同強(qiáng)度(28d齡期) 未摻聚丙烯纖維混凝土比較，抗?jié)B性能提高70%。

    3) 耐火性　最近的耐火試驗(yàn)表明，在混凝土中摻入低熔點(diǎn)纖維(直徑0.1mm，長12cm，摻量4kg/m³) 具有良好的耐火前景，這樣的纖維混凝土柱經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)幾乎觀察不到破壞，說明低熔點(diǎn)纖維能防止混凝土爆裂。

    4) 和易性　在混凝土中摻入體積率在0.05%～0.07%的聚丙烯纖維，可有效地抑制混凝土拌合物的離析與泌水，改善混凝土的和易性。

    1.2 力學(xué)性能
    1) 抗壓及抗拉強(qiáng)度　聚丙烯纖維混凝土抗壓及抗拉強(qiáng)度與普通混凝土接近。

    2) 抗彎強(qiáng)度　摻入體積率為l %左右的聚丙烯膜裂纖維后，砂漿或混凝土抗彎強(qiáng)度的提高不超過25 % ，但破壞前有很高的變形能力。

    3) 抗沖擊性　國家建筑材料測試中心試驗(yàn)結(jié)果表明，摻有0.05%與0.1%纖維的砂漿的抗沖擊強(qiáng)度與素砂漿比較分別提高17.7%與25.8%。

    4) 抗疲勞性　抗疲勞試驗(yàn)試件施荷速率為20次循環(huán)/S，經(jīng)過200萬次循環(huán)后，素混凝土可承受的最大應(yīng)力為其抗折強(qiáng)度的50%，0.3%摻量的纖維混凝土可承受的最大應(yīng)力則為其抗折強(qiáng)度的65%。

    1.3 耐久性能
    1) 抗凍融性　國家建筑材料測試中心采用GBJ 82-1985對兩種體積摻率聚丙烯纖維混凝土的抗凍性能進(jìn)行了測試， 試體尺寸100×100×100mm，齡期28d，以最冷月平均氣溫為-5～0 ℃地區(qū)為例，抗凍標(biāo)號為100- 50，測試觀察50次凍融循環(huán)后混凝土硬化抗壓強(qiáng)度的變化率。測試結(jié)果表明:加人聚丙烯纖維混凝土后可以有效地提高混凝土的抗凍能力。

    2) 抗碳化及抗堿骨料反應(yīng)性　聚丙烯纖維混凝土抗碳化及抗堿骨料反應(yīng)性主要是通過減少混凝土內(nèi)部的各種裂縫，以提高混凝土的密實(shí)度的途徑實(shí)現(xiàn)的。

    2  聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用

    2.1  建筑工程
    聚丙烯纖維混凝土用于現(xiàn)場澆筑地下室底板、側(cè)墻、頂板、屋面、水池等自防水混凝土及高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土、轉(zhuǎn)換層的梁板等超寬、超厚、超大混凝土構(gòu)件。混凝土和易性好，并有助于提高自防水混凝土的抗?jié)B、防裂及抗凍性，有效解決大體積混凝土因溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。

    2.2  土木工程和水利工程
    摻有聚丙烯纖維的混凝土路面、橋梁板面、水庫大壩及港灣、渡槽等，其綜合性能如抗折、抗裂、抗疲勞、耐磨損性、耐海水侵蝕性等各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于普通混凝土工程，特別是在交通量大、車輛通行頻繁的條件下，聚丙烯纖維的抗疲勞性能表現(xiàn)更為突出，在氣候變化劇烈、凍融頻繁的條件下，聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能更能得到充分體現(xiàn)。

    2.3  預(yù)制混凝土制品
    聚丙烯纖維混凝土用于鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件，水泥制品(管、砌塊等) 可明顯提高外觀質(zhì)量，有助于防止與減少預(yù)制構(gòu)件表面裂縫，減少缺邊掉角，并可增加其抗?jié)B性，防止鋼筋銹蝕。

    2.4  預(yù)拌混凝土
    摻有聚丙烯纖維的預(yù)拌混凝土能明顯改善混凝土的和易性，減少泌水，防止商品混凝土產(chǎn)生塑性裂縫。聚丙烯纖維在混凝土中能與任何化學(xué)外加劑配制成泵送及其它高性能混凝土。高性能混凝土以其高強(qiáng)度、大流動性、優(yōu)異的耐久性能廣泛應(yīng)用于高層建筑，大跨度橋梁等。采用聚丙烯纖維復(fù)合的途徑能有效地提高高性能混凝土的韌性、抗裂性及延性。

    3  應(yīng)用實(shí)例

    3.1  在高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用
   濟(jì)南東興商住樓是一座大底盤雙塔樓建筑，總建筑面積88755m²，高99. 9m(最高處111.7m)，地下3層，地上30層。地上1至4層為商業(yè)用房，地上5至30層為住宅，雙塔樓剪力墻結(jié)構(gòu)，第4 層為轉(zhuǎn)換層，轉(zhuǎn)換層大梁截面尺寸有950mm×2500mm、1000mm×2500mm、1150mm×2800mm三種，轉(zhuǎn)換層現(xiàn)澆樓板厚150mm，轉(zhuǎn)換層為C50高強(qiáng)混凝土，轉(zhuǎn)換層的施工時(shí)間為2001年8月初。

    高強(qiáng)混凝土存在受壓時(shí)高度脆性及大體積高強(qiáng)混凝土的大面積開裂等缺陷，使得高強(qiáng)混凝土的優(yōu)越性得不到充分發(fā)揮，為此進(jìn)行了抗裂方案的優(yōu)越選擇，最終決定在轉(zhuǎn)換層C50高強(qiáng)混凝土中摻入濟(jì)南產(chǎn)改性聚丙烯纖維(長度15～19mm，抗拉強(qiáng)度580～780MPa，彈性模量370MPa及NF-2高效減水劑，每1m³混凝土中摻入0.9kg聚丙烯纖維。本工程轉(zhuǎn)換層混凝土經(jīng)檢測質(zhì)量優(yōu)良，未發(fā)現(xiàn)可見裂縫，28d抗壓強(qiáng)度即達(dá)到56.7MPa，由此表明在深梁和大面積樓板的混凝土裂縫控制上，在混凝土材料中適量摻入聚丙烯纖維是一種有效途徑。

    3.2  在混凝土路面工程中的應(yīng)用
    平頂山市平東線姚孟段，路面寬12m，屬于廠區(qū)和村鎮(zhèn)過街路段。原為瀝青路面，由于交通量大，超載嚴(yán)重，造成路面損壞嚴(yán)重。雖經(jīng)多次維修，使用效果未能得到根本改善，社會影響較大。為此，平頂山市公路局于2001年決定對該路面進(jìn)行大修，在接近市區(qū)的柏樓段試驗(yàn)性鋪設(shè)了200m長的聚丙烯纖維混凝土路面，試驗(yàn)段寬9m， 分兩段施工，各長100mm，其中一段采用全摻纖維混凝土，路面厚度減薄為18cm，另一段采用素混凝土與纖維混凝土復(fù)合路面，路面總厚24cm，表層8cm摻入聚丙烯纖維，其下層仍采用普通水泥混凝土，聚丙烯纖維采用美國纖維網(wǎng)公司生產(chǎn)的聚丙烯合成纖維，纖維長度1.8cm，每1m³凝土中加入0.9kg成品聚丙烯纖維。通過對試驗(yàn)路二年通車試驗(yàn)的調(diào)查分析，無明顯斷板、裂縫、錯(cuò)臺等現(xiàn)象，使用效果良好。采用纖維混凝土造價(jià)比普通混凝土雖有增加，但它相對養(yǎng)生期短，使用壽命長，養(yǎng)護(hù)工作量大為減少，方便行車，與鋼筋混凝土路面相比，造價(jià)每千米節(jié)約28萬元。綜合來看，使用纖維混凝土可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

    4  結(jié)語
    聚丙烯纖維混凝土的綜合性能優(yōu)于普通混凝土，具有施工方法簡單，安全無害，質(zhì)量性能可靠的特點(diǎn)，尤其適用于剛性防水混凝土、大體積混凝土、高強(qiáng)混凝土等，具有明顯的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。由于聚丙烯纖維初期投入成本略高，當(dāng)前，只用于重點(diǎn)工程以及特殊工程的重點(diǎn)部位。隨著聚丙烯單絲纖維逐步國產(chǎn)化，建筑技術(shù)不斷進(jìn)步，在水利、工業(yè)與民用建筑、道橋等領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛。

    參考文獻(xiàn)
    1 　龔益等，杜拉纖維在土建工程中的應(yīng)用，北京，機(jī)械工業(yè)出版社，2002.10.