聚丙烯纖維在混凝土設計中推廣應用

聚丙烯纖維在混凝土設計中推廣應用

摘 要 聚丙烯纖維混凝土的應用，近年來在我國的工程建筑界已經有了長足的發(fā)展。倍斯特纖維在建筑工程中的推廣和應用，不但進入時間早，工程實踐多，而且涉及的工程類別和應用范圍也廣。本文結合倍斯特纖維在各類工程的大量推廣應用的實踐，從纖維作用的實質、纖維發(fā)生作用的條件、纖維的適當摻量、考量纖維混凝土的指標以及纖維混凝土配制的便易性等方面，對目前工程界中對聚丙烯纖維混凝土普遍存在的認識問題提出商榷，提出在聚丙烯纖維混凝土的推廣和應用上需要解決的一些問題。

關鍵詞 聚丙烯纖維混凝土 倍斯特纖維 分散性

1 纖維作用的實質

1.1 經過多年的推廣，聚丙烯抗裂纖維主要用在道路、橋梁、機場、地鐵、工業(yè)及民用建筑、水利工程以及預制構件、保溫材料、干粉砂漿等各個方面。如高速公路收費站特殊路段；軟基層路面；大型橋梁、立交橋、高架路的鋪裝層；橋梁修護；公路修補；建筑物的地下室底板、側墻、擋土墻；露天及室內停車場、車道；飛機場停機坪、機庫；上人屋面、天面；樓板、樓梯板；轉換層大梁、超大型梁和柱、直線加速器防輻墻、油庫底座、溢洪道閘墩、石化焦炭塔框架、風力發(fā)電風塔基座等大體積混凝土；高強混凝土鋼管混凝土柱；薄壁結構；設備基座；游泳池、儲水池、化污池；排污管道、通信電纜管道；網球場、籃球場；大型垃圾堆放池；核廢料填埋、核廢料儲存容器；住宅小區(qū)道路；工業(yè)及民用建筑的內外墻抹灰；室內裝修；水渠、泄洪洞等沖磨混凝土；水利堤圍；地鐵、輕軌地下基礎；隧道；涵洞、護坡；廠房、橋梁加固和修復等。自1999年防水專家將聚丙烯纖維寫入《深圳建筑防水構造圖集》之后、廣州、北京等地依據大量的工程實踐數據和專家論證，在輕板墻體工程、保溫工程方面采納了倍斯特纖維規(guī)格、摻量和做法，將聚丙烯纖維的使用納入了地方技術規(guī)程。之后繼續(xù)擴大的工程實踐，以及其它許多品牌工程用纖維的大量推廣和應用，為我國合成纖維混凝土開拓了一個良好的發(fā)展勢頭。

在不同類型工程和不同地區(qū)氣候條件下的應用實踐中，倍斯特纖維都取得了成功。工程用合成纖維所起作用的本質到底是什么？如何看待合成纖維所起的作用？隨著目前呈現了眾多品牌工程用合成纖維的開始激烈競爭時，對此問題卻引出了許多疑問。部分廠商宣傳纖維作用的時候存在片面性，好像只要在混凝土/砂漿中一摻加纖維，裂縫就不復存在，違背了纖維發(fā)生作用的機理和忽視了具體工程的個性條件。合成纖維解決的主要對象是混凝土早期的原生裂縫，無限夸大合成纖維對裂縫的抑制作用是不對的。事實上，混凝土/砂漿摻加纖維，也只能是對非結構性裂縫的阻裂作用，不可能完全消滅裂縫。

1.2 微細纖維摻加在混凝土/砂漿中，以對裂縫的阻裂作用為主要表征，實際上由于低彈模的纖維摻加在相對高彈模的混凝土中，作用的實質是最大可能地降低了混凝土的脆性，從而解決了由于混凝土先天帶來的某些不足方面的問題---因脆性引起的容易開裂等，對改善混凝土/砂漿內部結構起到了重要作用。這種作用不同于一般的加筋配筋，而是一種從根本上對混凝土/砂漿自身缺陷的改善。其中包括有效增加混凝土的韌性；減少裂縫，提高抗?jié)B能力；減少裂縫，延緩鋼筋銹蝕；減少混凝土結構受到的化學侵蝕；增強抗凍融能力，減少混凝土結構遭受破壞；減少混凝土的泌水，使表面混凝土的質量得以改善；減少裂縫，提高耐磨性和抗沖擊能力等等。所起的作用不是某幾個強度指標能夠體現的，而是多個指標的綜合體現，尤其是混凝土耐久性。合成纖維混凝土成為國內理論界熱衷研究的真正意義，也在于如何真正揭示、衡量纖維對混凝土作用的本質。正是由于我們在推廣倍斯特纖維過程中，揭示了其作用的實質，倍斯特纖維的應用才由簡單的外墻處理，逐漸轉向應用于技術難度較高，抗裂、抗?jié)B、耐磨、抗沖擊、抗震要求高的許多結構性重要部位。成功應用的實例數不勝數，驗證了合成纖維在混凝土中的作用，作為一種混凝土抗裂不可缺少的添加材料受到了工程界的歡迎。

混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的結構材料，鋼筋混凝土結構已成為世界上應用最廣泛的結構形式。我國目前正進行著舉世空前的大規(guī)?；A建設，但是有許多混凝土結構，包括橋梁、道路、隧道、港口、大壩、建筑物等，在建期間或建成時間不長后出現可見裂縫，影響外觀，影響在侵蝕環(huán)境中運行結構的耐久性，還使一些結構的使用功能受到影響，暴露出較嚴重的耐久性問題，壽命低于設計壽命標準。只有認真解決各類混凝土結構的耐久性，才能使資源充分得到利用。盡可能延長各類建筑物的壽命，延緩因時間推移而帶來的結構安全性方面的威脅，保證其正常使用，才能盡可能節(jié)約重建和修復費用。在混凝土結構中大量推廣普及合成纖維混凝土，不僅可以解決當前由于建筑物向高、大、結構復雜發(fā)展帶來的一些問題，也應成為解決結構耐久性的一種重要手段。

2 纖維發(fā)生作用的條件

2.1 纖維發(fā)生作用的條件，可以從纖維外部和內部兩個方面來理解。

2.1.1 外部：可從纖維在混凝土/砂漿中所處的形態(tài)以及纖維對集料的關系兩個方面來理解。

纖維在混凝土/砂漿中能否亂向均勻分布，是關系到纖維能否發(fā)生作用的關鍵。纖維作用的機理無論怎樣解釋，都必須保證纖維在混凝土/砂漿中呈均勻、亂向分布的狀況下才能發(fā)揮作用。微裂縫在發(fā)展過程中，遭遇到纖維的阻擋，消耗了能量，使其難以進一步發(fā)展，從而阻斷應力達到抗裂的作用。由于纖維在生產過程中對其表面采用不同的活性劑配伍進行處理，使纖維遇水均勻分散，再加上外力與混凝土各種集料攪拌進一步使纖維與各種集料握裹。倍斯特纖維便于分散均勻，是所有使用過該產品的人員所公認的。我們一般在透明水杯的清水中放入少量纖維進行攪動，便可以直觀的發(fā)現倍斯特纖維呈立體懸浮狀亂向分散，且長時間放置都不會有太大變化；而某些同類的產品，經攪動后可能分散，但時隔不久便會上浮為一絮狀層。據反映凡是有后者情況的纖維，在混凝土/砂漿的實際配制過程中多不易均勻分散。這種觀察辦法和有人提出的“纖維層高穩(wěn)定率”辦法大同小異。由于聚丙烯纖維密度小于水以及纖維表面活性劑的作用，分散在水中的纖維受浮力及表面活化能的影響，會逐漸呈現較為明顯的分層和離析的狀態(tài)，將不同品牌的短纖維放置在量杯中攪拌后靜置，在不同的時間段測量其懸浮狀層高的辦法來比較其穩(wěn)定性的辦法以判斷纖維的分散性。纖維對集料的握裹狀況，是能否起作用的另一個關鍵。纖維能夠盡可能多的握裹集料，避免在受力時被拔出。不同的纖維制成標準不同，在電子顯微鏡下可以看到呈現不同的握裹集料的情況。如果加入纖維后的混凝土塌落度沒有損失，這種纖維不是分散不好就是握裹力差，纖維的作用無從談起。

2.1.2 纖維能夠起作用，還在于纖維本身的力學性能。

如抗拉強度、拉伸極限、纖維均勻度、抗酸堿腐蝕和紫外光的老化能力等。據纖維專家解釋，抗拉強度和拉伸極限成一定的反比關系。這種關系要適當，并非纖維的抗拉強度特別高才能產生高的阻裂效用。纖維在受到拉力的過程中發(fā)生拉伸變形，如果比值不適當，則抗拉強度不可能達到要求。當然，由于制成材料的限制，該數據只能盡量滿足要求。聚丙烯纖維抗拉強度過大，可能會導致脆性加大。拉伸極限過大，混凝土/砂漿中的纖維在受力變形過程中又可能無法控制裂紋。據了解，倍斯特纖維的拉伸極限15%左右已經接近天然纖維，需要一定的控制技術才能生產。纖維的改性也表現在這一方面。拉伸極限指標也是衡量纖維抗裂能否真正達到作用的一種指標。

2.1.3 要真正認識每一種材料的特性和優(yōu)劣，強調一種材料排斥另一種材料的做法是行不通的。材料是不斷變革的，要不斷認識和使用新的材料。只有充分發(fā)揮材料的復合效應，才能綜合解決工程中所遇到問題。

比如，具有高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯混用，可在混凝土破壞過程中分別起著不同的作用。聚丙烯纖維由于其數量多及性能特點主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫，在較低拉應力情況下起作用；鋼纖維根數不多但具有明顯的增強，對宏觀裂縫可以起到顯著的阻裂作用。兩種纖維可以從不同的階段對混凝土裂縫的產生和擴展起到約束作用，提高混凝土的抗拉強度和抗彎拉強度，可以綜合兩種不同彈模的纖維吸收能量的優(yōu)點，對混凝土內部的缺陷產生協(xié)同作用，既可以有效增強又可以有效增韌。

又如，在水工混凝土的應用中摻加粉煤灰或硅粉增加抗沖耐磨強度和抗裂。黃委會實驗中心所做的配比試驗，在摻加20%粉煤灰和倍斯特纖維0.6/0.9/1.2kg /m3摻量的情況下，抗沖磨強度分別增加6—18%。南京水科院的試驗證明，聚丙烯纖維和硅粉共摻，可以更有效地提高混凝土的抗沖磨性能33-58%。[2] 我們在內蒙哈拉沁水庫泄洪洞工程的實踐中也證明了這一點。

再如，倍斯特纖維的工程實踐中，也有不少與UEA合用解決混凝土抗裂、抗?jié)B問題的。如合肥高架橋橋面鋪裝層、安徽省職工活動中心和力天大廈大面積地下室底板C40P8和C55P8砼采用粉煤灰、微膨脹劑和倍斯特纖維配制粉煤灰補償纖維混凝土，三種材料各自的抗裂效應互為補充充分發(fā)揮各自的特長。

推廣一種技術和產品，應該堅持科學的態(tài)度和實事求是。如果靠夸大其詞來推廣，這種新技術、新產品就不會有生命力。目前，在國內建筑工程界中應用和推廣的合成纖維有許多品牌，有進口的，也有國產的，其中良莠不齊，相差很大。由于工程用纖維的生產屬于化纖行業(yè)，使用者為工程界。使用者對化纖生產是生疏的，無法從直觀上判斷纖維的優(yōu)劣，但普遍關心能否均勻分散的問題。分散性是表面、直觀的，但是從纖維的抗拉強度、伸展極限、握裹力等內在質量來看，不是直接靠觀察能夠得出結論的。如果在使用以后才發(fā)現問題，已經為時晚矣！

當然，聚丙烯纖維在混凝土中所起的作用，說到底是一種輔助作用。我們通常將其稱為次要加強筋?；炷廉斎灰笫┕ふｐB(yǎng)護，不能認為添加了纖維就不會有裂縫而忽視正常養(yǎng)護。這一點，毋庸贅述。

3 纖維的合適摻量

3.1 適用的纖維摻量取何值？從合成纖維的制成材料來看，由于其耐酸堿、以及物理性的增韌和增強，廣義地來說對混凝土是有益無害的。但到底何摻量才合適，理論界與工程界的意見不盡相同。從合成纖維在混凝土中所起作用的實質來看，只要添加合成纖維，必然會不同程度地解決混凝土先天的缺陷---脆性，因此無論怎樣加都沒有錯，似乎采用模糊理論來解決一個幅度的變化為更好。但是，從設計和施工角度來考慮必須要有量化的指標。另從混凝土的工作性方面來考慮，又不得不考慮適應施工的有關要求。

纖維摻量應該視使用目的而定，同時考慮混凝土的具體配比、集料和其它外加劑的具體情況而定。目前多數廠家建議的摻量數據，多來自于理論界對纖維體積摻量0.05%和0.1%的試驗結論數據。不同制成材料的纖維由于其比重不一，按照體積摻量計算，折算為纖維重量摻量當然就不一樣。倍斯特纖維在各種實際工程的應用過程中，針對不同的要求，經歷過每立方米混凝土/砂漿摻加0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3kg不等的情況，均屬于低摻量，都得了良好的工程效果，摻量在0.7--0.9kg/m3時，已經能夠滿足設計的一般要求了。一般來說，對抗裂、抗?jié)B、耐磨要求高的部位，摻量相對高一些；對使用特細砂地區(qū)的摻量相對高一些；有特殊要求的工程部位和用途要有特殊的配比。高摻量除特殊用途之外，在一般工程應用中不一定適用。

纖維摻量的最可靠辦法是因應工程目的進行試配，認真進行比較。尤其是大型工程的結構性部位應用更要認真、慎重進行纖維多種摻量的試配和性能比較，從而選擇最佳方案。

3.2 質量差的纖維，不但不會對混凝土增強、增韌，反而會有負面影響。有人認為質量差的產品可以通過增加摻量來彌補效用，質量差的產品加大摻量，反而更會因結團、蜂窩、空洞造成嚴重問題，根本就不能用。目前，已經發(fā)生了因摻用纖維質量太差致使混凝土施工質量產生嚴重問題不得不下決心炸掉的教訓。發(fā)展合成纖維混凝土是要解決在新的條件下使工程做到最優(yōu)，要保證長久之計。尤其是對于水利、水電站這類工程更有著特殊意義。適當調整纖維摻量，要講究理論，也要講究經驗。經驗數據和理論數據結合起來，針對不同的工程部位，調整和選擇適當的摻量，才是科學的態(tài)度。

3.3 合成纖維混凝土是一個新的技術，而且在諸多工程中都已經證明是可以成功應用的，經驗數據在目前也是有推廣意義的?，F在關鍵不在于數據取何值，而在于是否認識到這種技術是可以解決目前工程中需要解決的問題。如果不需要解決，再好的技術也沒有應用和推廣的必要，正所謂要“對癥下藥”。

4 考量合成纖維作用的指標

纖維對混凝土的力學性能的最大改變，不是旨在提高其抗壓、抗折等強度指標，而是極大限度地提高了混凝土的斷裂能、延展性。沿用一般對混凝土抗壓強度、抗拉強度等性能的指標去衡量合成纖維混凝土，不能充分反映纖維對混凝土根本性能的改善。如前所述，合成纖維在混凝土/砂漿中所起作用是一個綜合性的，在低摻量（體積摻量為0.1%左右）的條件下，具有增強、增韌的雙重效果。尤其對于高強混凝土摻加合成纖維則特別是利用其增韌的效果。從大量的實驗室數據和工程試配數據來看，抗壓強度指標有提高，也有降低。但是從變化幅度和絕對值來看，均不足以影響到混凝土的原有設計要求。之所以有時候某些強度指標呈現提高，也是由于解決了部分裂縫而帶來的附加效應。

目前，由于合成纖維混凝土在我國研究和應用的歷史較短，加之人們習慣于以試件的抗壓或抗折強度衡量材料的性能水平，對增強指標考慮多，對確能體現纖維作用的指標，如彎拉韌性、疲勞強度、疲勞壽命等增韌指標考慮少。對合成纖維在混凝土中所起作用的考量指標如果仍然停留在原有認識的基礎上，將會不利于合成纖維混凝土的推廣。韌性指標應該定量化，及早制定出適合國情的統(tǒng)一的技術規(guī)程，才能使合成纖維混凝土真正大面積推廣使用?？上驳氖牵碚摻缫呀涢_始了對這方面的研究。一些專家和學者已經開始從受彎韌度指數和剩余彎曲強度來研究和考量合成纖維對混凝土的增韌效應。最近，國家纖維混凝土學術委員會的專家們用直接拉伸試驗得到了聚丙烯纖維混凝土應力—應變全曲線，倍斯特纖維混凝土在摻量0.6--1.3kg/m3時，抗拉強度比基準混凝土提高12-25%，極限拉伸應變提高37-49%，斷裂能提高33-68%。

5 合成纖維混凝土配制的便易性

大量的工程實踐證明，聚丙烯纖維混凝土的配制是簡單、易行的。

（1）簡單的物理性加筋，與制備混凝土的各種骨料、外加劑和水泥都不會有任何沖突。不需要改變原有的設計配比；

（2）對攪拌設備沒有特殊的要求，容易在商品混凝土攪拌站或現場操作；

（3）施工工藝上沒有特殊的要求，不需要特別的培訓，工人容易掌握。

合成纖維混凝土在國外已經發(fā)展了20多年，我國在上世紀90年代中期以后開始發(fā)展并逐漸被廣大工程界所接受。我國是生產和使用水泥混凝土的泱泱大國，合成纖維混凝土的應用還僅僅是在起步階段。合成纖維混凝土真正的普及和發(fā)展，最終要靠成本低廉的國產纖維。而各種工程用合成纖維產品水平的真正提高，必須建立在技術進步的基礎上，任何急功近利、甚至弄虛作假，都會影響合成纖維混凝土作為一種新技術的健康發(fā)展。