劉 波 張緒濤 尹瑞杰 高 躍

Cement and concrete production 水泥與混凝土生產(chǎn)

聚丙烯纖維混凝土研究綜述

劉 波1張緒濤1尹瑞杰1高 躍2

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

纖維混凝土作為一種新型高性能混凝土建筑材料，在建筑工程領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。從聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能與耐久性能兩個(gè)方面綜述了近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于聚丙烯纖維混凝土相關(guān)研究，分析并總結(jié)了聚丙烯纖維對(duì)混凝土的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能和耐久使用性能方面的影響，并針對(duì)下一步的研究方向提出了相關(guān)的看法與建議。

聚丙烯纖維混凝土；力學(xué)性能；耐久性能

0 前言

自水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土材料便成為土木工程領(lǐng)域用量最大、應(yīng)用范圍最廣的工程材料。其原料豐富、價(jià)格低廉、制備簡(jiǎn)單、造型方便，而且耐久、耐火性能好、維護(hù)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，使其在土木建筑材料中占有著極其重要的地位。隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，各類(lèi)建筑工程對(duì)于材料的各方面性能的需求變得更高，混凝土的缺陷也日漸顯露，主要是抗拉強(qiáng)度低、變形量小、易發(fā)生脆性破壞等。眾所周知，混凝土的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于抗壓強(qiáng)度要低得多，其抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的10%左右，受拉應(yīng)力時(shí)混凝土容易出現(xiàn)裂縫，這是由于沉降和塑性收縮裂縫會(huì)穿過(guò)新拌混凝土，形成軟弱面，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。而裂縫控制對(duì)于混凝土的施工壽命起著至關(guān)重要的作用。

纖維增強(qiáng)混凝土簡(jiǎn)稱纖維混凝土，是以混凝土為基底，加入非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長(zhǎng)纖維作為混凝土的增強(qiáng)材料，經(jīng)過(guò)攪拌混合后而成的水泥基復(fù)合材料。由于聚丙烯纖維自身的優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，彈性模量大，密度小，延展性好，阻裂性強(qiáng)，并且無(wú)味、無(wú)毒，能夠有效地分散在混凝土中，使得聚丙烯纖維成為混凝土中應(yīng)用最廣泛的纖維之一，并且聚丙烯纖維混凝土以其優(yōu)越的物理和力學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于橋梁、房屋結(jié)構(gòu)、路面、隧道等土木工程領(lǐng)域。

1 聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能研究

在聚丙烯纖維混凝土的技術(shù)發(fā)展和實(shí)用化過(guò)程中，力學(xué)性能是研究的重要方向之一。近幾年學(xué)者對(duì)聚丙烯混凝土的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：選擇不同的聚丙烯纖維摻量，通過(guò)對(duì)比混凝土的性能得到最佳纖維摻入量；研究聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)結(jié)構(gòu)性能，聚丙烯纖維對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的延性、韌性和抗彎承載力的增強(qiáng)作用都是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。在混凝土中加入鋼纖維、玻璃纖維等，與聚丙烯纖維組合形成混雜纖維混凝土，研究混雜纖維混凝土的力學(xué)性能的影響；對(duì)纖維混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究集中在宏觀和細(xì)觀方面。

張悅[1]分別對(duì)纖維摻量為0 kg/m3、0.6kg/m3、0.9kg/m3、1.2kg/m3的聚丙烯混凝土試件進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著纖維摻量增加，聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，并且在纖維摻量超過(guò)0.9kg/m3時(shí)聚丙烯混凝土的抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低。王乾璽等[2]人研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度提高幅度約為3.0％~5.3％，抗劈裂和抗折強(qiáng)度提高幅度約為14.2％~17.5％。Ede等[3]通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維含量為0.25%、0.5%、0.75%和1%的混凝土試件進(jìn)行了破壞性、非破壞性抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和破壞性抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)，并分別對(duì)不同組混凝土試件進(jìn)行了7天、14天、21天和28天的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：聚丙烯纖維可以使混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度提高約9%，并且聚丙烯纖維的最佳比例在0.25%和0.5%之間，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的效果在纖維摻量為0.25％時(shí)達(dá)到最優(yōu)，其抗彎強(qiáng)度提高約為65％。

徐禮華等[4]通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)徑比和不同纖維摻量的聚丙烯混凝土試件分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，得出的試驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)長(zhǎng)徑比為167，聚丙烯纖維摻量分別為0.05％、1.0％、1.5％和2.0％的混凝土試件進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn)，其混凝土抗壓強(qiáng)度和普通混凝土相比分別增加了2.12％、12.12％、15.84％、18.55％；對(duì)聚丙烯纖維摻量為1.0％，長(zhǎng)徑比分別為167、280、369的混凝土試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度與普通混凝土相比分別增加了12.12％、14.80％、5.41％。余春[5]通過(guò)進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，測(cè)出不同纖維摻量聚丙烯混凝土的抗劈裂抗拉強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維摻量為0.5kg/m3、1.0kg/m3、1.5kg/m3、2.0kg/m3的纖維混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為5.24Mpa、5.58Mpa、5.68Mpa和5.65Mpa，由于聚丙烯纖維在混凝土受拉時(shí)發(fā)揮抗拉作用效果,承擔(dān)一部分了受拉荷載,使得聚丙烯纖維混凝土的抗劈拉強(qiáng)度隨增加。宗榮等[6]研究表明，當(dāng)聚丙烯纖維的摻入量達(dá)到0.9kg/m3時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度可以降低2％左右，摻量為1.8kg/m3時(shí)，抗折強(qiáng)度降低9％左右。張慧莉，田堪良等[7]人對(duì)聚丙烯纖維混凝土進(jìn)行了彎曲疲勞性能與機(jī)理研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：在混凝土中加入聚丙烯纖維，可以有效提高混凝土的疲勞強(qiáng)度和使用壽命.獲得對(duì)水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)復(fù)合補(bǔ)強(qiáng)效果。但是隨著纖維摻入的過(guò)多，混凝土的疲勞強(qiáng)度反而降低，在恒定應(yīng)力水平下，較高的加載頻率使的降低疲勞強(qiáng)度更加顯著。

對(duì)上述研究成果綜合分析可發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維的摻入能夠有效改善混凝土內(nèi)部缺陷.提高混凝土各項(xiàng)性能，抑制裂縫產(chǎn)生。聚丙烯纖維通過(guò)提高混凝土的拉伸性能和橋接形成裂縫來(lái)減緩塑性收縮和早期干燥收縮，聚丙烯纖維具有較低的楊氏模量，因此在高應(yīng)力水平下不能防止裂紋的形成和擴(kuò)展，但可以橋接較大的裂紋。聚丙烯纖維體積摻量的增加能提高混凝土的力學(xué)性能，增加混凝土的延性和韌性；隨聚丙烯纖維摻入量的繼續(xù)增高，混凝土的力學(xué)性能達(dá)到峰值后降低，但聚丙烯纖維混對(duì)混凝土的彈性模量、峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和塑性應(yīng)變影響均不明顯。

2 聚丙烯纖維混凝土耐久性能研究

混凝土的耐久性，除了力學(xué)性能外最重要的性能之一，混凝土除了滿足應(yīng)具有的設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度外，還要在不同的環(huán)境中，具備長(zhǎng)期正常使用的性能，涵蓋了包括抗凍性、抗?jié)B性等方面。

滕飛等[8]通過(guò)研究表明摻入聚丙烯纖維能夠在結(jié)構(gòu)上阻礙混凝土內(nèi)部水壓力的滲透，從而提高混凝土的抗凍性能；并且隨著聚丙烯纖維摻量越來(lái)越高，混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量損失率和動(dòng)彈模量的損失率會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的累積而變得緩慢，這一現(xiàn)象說(shuō)明了由于聚丙烯纖維的摻入，混凝土的抗凍性能相較于普通混凝土有很大提升。黃功學(xué)等[9]學(xué)者試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)聚丙烯纖維混凝土試件分別進(jìn)行50天、100天和150天的凍融循環(huán)，得到的試驗(yàn)結(jié)果表明，聚丙烯纖維的摻量在0.9％時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低的損失會(huì)達(dá)到最低，此時(shí)為纖維增強(qiáng)混凝土抗凍性最優(yōu)摻量。Okan Karahan等[10]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在粉煤灰混凝體中摻入纖維體積分?jǐn)?shù)分別為0%、0.05%、0.10%、0.20%的聚丙烯纖維，聚丙烯纖維與粉煤灰的相互作用使摻加粉煤灰的纖維混凝土的干縮率最低，聚丙烯纖維混凝土的抗凍融性能比無(wú)纖維混凝土略有提高。

在混凝土抗?jié)B性能方面，程云虹等[11]采用了滲水高度法測(cè)定了不同種類(lèi)纖維混凝土的抗?jié)B性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最優(yōu)選是聚丙烯纖維。徐曉雷等[12]通過(guò)抗?jié)B試驗(yàn)和滲水高度試驗(yàn)得到結(jié)果為，當(dāng)聚丙烯纖維摻量為0.15％時(shí)，其抗?jié)B性能約為普通混凝土的2倍。趙兵兵等[13]采用通過(guò)滲水高度法研究玄武巖-聚丙烯纖維混凝土耐久性能，通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)果發(fā)現(xiàn)：混雜纖維摻入率為0.9％以下時(shí)，其抗?jié)B性能相較于普通混凝土有所提高，并且在玄武巖-聚丙烯的摻和比例為2∶1，摻入率0.3％時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能提高幅度最大，即纖維的最優(yōu)摻率為0.3％，但是當(dāng)混雜纖維摻率達(dá)到1.2％時(shí)，纖維混凝土的抗?jié)B性能出現(xiàn)下降。

根據(jù)對(duì)上述學(xué)者們的研究成果進(jìn)行綜合分析可知，在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維能夠有效提高混凝土的密實(shí)程度，減少混凝土內(nèi)部的孔隙率，提高混凝土的抗?jié)B性能；并且通過(guò)摻入聚丙烯纖維，減少水的滲透量和吸收部分未凍水，減小混凝土內(nèi)部的靜水壓力，從而提高了混凝土的抗凍性能。但是當(dāng)聚丙烯纖維摻量過(guò)多時(shí)，混凝土內(nèi)部容易出現(xiàn)打團(tuán)的現(xiàn)象，并且由于纖維分布不均勻，導(dǎo)致不同孔隙率增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)多空疏松，反而降低了混凝土的抗凍性能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了近些年國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于聚丙烯纖維在改善混凝土的力學(xué)與耐久性方面的一些研究成果，通過(guò)進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)研究證明：聚丙烯纖維的加入，能夠使混凝土在抗壓、抗拉、抗折、抗彎曲、抗沖擊等力學(xué)性能方面以及抗凍性、抗?jié)B性、抗碳化等耐久性能方面均優(yōu)于普通混凝土。聚丙烯纖維對(duì)在提升混凝土抗壓強(qiáng)度方面作用影響較小，在抗劈拉以及抗彎折強(qiáng)度方面提升較大。在混凝土的耐久性能實(shí)驗(yàn)中，聚丙烯纖維能有效提高混凝土的抗凍性，抗?jié)B性等性能，但是如果摻入過(guò)量的聚丙烯纖維，則會(huì)適得其反。

我們可以看到，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)聚丙烯纖維混凝土的研究集中在單一聚丙烯纖維或兩種混雜纖維的方向，對(duì)兩種纖維混雜的混凝土或多尺度纖維混凝土方向沒(méi)有過(guò)多研究；并且目前的研究探討多為單一因素的影響，但在實(shí)際工程中遇到單一因素影響的情況較少，因此在今后的研究工作中，將研究方向重點(diǎn)放在多因素作用下，聚丙烯混凝土的力學(xué)性能所產(chǎn)生的變化，我們可以通過(guò)對(duì)聚丙烯混凝土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)定聚丙烯纖維混凝土的基本力學(xué)性能，分析試驗(yàn)所得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)有限差分模擬軟件進(jìn)行相應(yīng)數(shù)值模擬，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)聚丙烯纖維混凝土本構(gòu)模型進(jìn)行擬合，這樣所得到的試驗(yàn)結(jié)果更貼近工程實(shí)際，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也更具有價(jià)值。

[1]張悅.聚丙烯纖維混凝土力學(xué)性能及損傷破壞形態(tài)研究[D].西安:西安理工大學(xué).2019.

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劉波（1993- ），男，碩士研究生，研究方向：巖土工程。

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