低摻量聚丙烯纖維在混凝土（砂漿）中的阻裂作用

    在工程實(shí)踐中，由于沒(méi)有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂紋在內(nèi)外應(yīng)力的作用下發(fā)展為更大的裂紋，以至最終形成貫通的毛細(xì)孔道及裂縫，常常導(dǎo)致防水失敗，也造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的安全及使用。研究表明，多數(shù)裂縫同荷載無(wú)關(guān)，塑性收縮、干縮，溫度變化等開(kāi)裂因素才是混凝土眾多問(wèn)題的根源。聚丙烯纖維是一種以聚丙烯為原料以獨(dú)特工藝制造的高強(qiáng)度聚丙烯單絲纖維。由于纖維以單位體積內(nèi)大量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故微裂縫在發(fā)展的過(guò)程中必須遭遇到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而阻斷裂縫達(dá)到了抗裂的作用。纖維的加入猶如在混凝土中摻入巨大數(shù)量的微細(xì)筋，這些纖維筋抑制了混凝土開(kāi)裂的進(jìn)程，提高了混凝土的斷裂韌性，而這些單靠加強(qiáng)鋼筋是不能實(shí)現(xiàn)的。這樣，摻加聚丙烯纖維成了混凝土(砂漿)抗裂抗?jié)B的卓越手段。

    一、聚丙烯纖維的作用機(jī)理

    聚丙烯纖維加入水泥基體中，理論上可起到：1．提高基體的抗拉強(qiáng)度；2．阻止基體中原有缺陷(微裂縫)的擴(kuò)展，并延緩新裂縫的出現(xiàn)；3．提高基體的變形能力，并從而改善其韌性與抗沖擊性等作用。混凝土中均勻而任意分布的短纖維對(duì)混凝土的增強(qiáng)機(jī)理不外乎兩種解釋：第1，“纖維間距機(jī)理”，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用，認(rèn)為在混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，欲提高強(qiáng)度，必須盡可能地減少缺陷的程度，提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)；第2，“復(fù)合材料機(jī)理”，理論出發(fā)點(diǎn)是復(fù)合材料構(gòu)成的混合原理，將纖維增強(qiáng)混凝土看作是纖維強(qiáng)化體系，并應(yīng)用混合原理來(lái)推定纖維混凝土的抗拉和抗彎強(qiáng)度，提出了纖維混凝土強(qiáng)度與纖維的摻入量、方向、長(zhǎng)徑比以及粘結(jié)力之間的關(guān)系。

    二、聚丙烯纖維的功能

    1．有效提高混凝土(砂漿)的抗裂能力

    在建筑實(shí)踐中，聚丙烯纖維巳成為一種非常有效的提高砂漿及混凝土抗裂能力的卓越手段。它以特殊的生產(chǎn)工藝進(jìn)行表面處理，同水泥基料有極強(qiáng)的粘結(jié)力，因此可在混凝土中發(fā)揮更有效的抗裂作用。有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究表明，在混凝土中，聚丙烯纖維的亂向分布形式大大有助于削弱混凝土塑性收縮及凍融時(shí)的應(yīng)力，收縮的能量被分散到每立方米上千萬(wàn)條具有高抗拉強(qiáng)度而彈性模量相對(duì)較低的纖維單絲上，從而極為有效地增強(qiáng)混凝土(砂漿)的韌性，抑制微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。同時(shí)，無(wú)數(shù)的纖維單絲在混凝土內(nèi)部形成的亂向撐托體系可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙了沉降裂紋的形成。

    2．大大提高混凝土(砂漿)的抗?jié)B防水性能

    在混凝土中摻加適量微細(xì)纖維可有效地抑制其早期干縮微裂及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，極大減少混凝土的收縮裂縫，尤其是有效抑制了連通裂縫的產(chǎn)生；均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起著“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與骨料的離析，從而使混凝土中的孔隙含量大大降低，可以極大地提高抗?jié)B能力?；炷恋叵率夜こ?、屋面、貯水池、外墻抹灰批蕩等，采用聚丙烯纖維為剛性自防水材料的效果尤為顯著，可以有效解決滲裂問(wèn)題的困擾。

    3．增強(qiáng)抗沖擊能力

    混凝土中加入纖維凝固后，握裹水泥的高強(qiáng)纖維絲相粘聯(lián)成為致密的亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng)，有利于防止并控制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的韌性。同時(shí)由于有效改善了泌水性，對(duì)于早期養(yǎng)護(hù)大有助益。纖維獨(dú)特的表面處理工藝使得纖維可以和水泥基料緊密地結(jié)合在一起，水泥的水化反應(yīng)更徹底，骨料離析減少，級(jí)配更加均勻，極大地保持了混凝土的整體強(qiáng)度，混凝土受到了沖擊時(shí)纖維吸收了大量能量，從而有效減少集中應(yīng)力的作用，阻礙了混凝土中裂縫的迅速擴(kuò)展，增強(qiáng)了混凝土的抗沖擊能力。

    4．增強(qiáng)抗凍能力

    在混凝土中加人聚丙烯纖維，可以緩解溫度變化而引起的混凝內(nèi)部應(yīng)力的作用，  止微裂縫的擴(kuò)展；同時(shí)，混凝土抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍能力的提高。在寒冷地區(qū)的公共建筑設(shè)施使用聚丙烯纖維混凝土后，都有效地減少凍裂問(wèn)題，它可作為一種有效的混凝土溫差補(bǔ)償性抗裂手段。

    三、聚丙烯纖維的主要適用范圍

    1．聚丙烯纖維的用途十分廣泛，主要適用于：

    (1)對(duì)表面抗裂要求嚴(yán)格的場(chǎng)合；

    (2)作為非結(jié)構(gòu)性或作為溫差補(bǔ)償性的加強(qiáng)材料；

    (3)要求抗沖擊、耐磨、抗震性能較強(qiáng)的混凝土；

    (4)用于陡坡加固、噴射混凝土、灌漿等，以加強(qiáng)其內(nèi)部支撐及粘結(jié)性能；

    (5)要求較高抗?jié)B強(qiáng)度的工程，作為剛性自防水材料；

    (6)要求非磁性加強(qiáng)材料的場(chǎng)合；

    (7)要求抗堿及抗化學(xué)腐蝕的場(chǎng)合。

    2．在工業(yè)與民用建筑中的主要適用范圍：

    (1)在外墻、衛(wèi)生間抹灰砂漿中摻入聚丙烯纖維，可解決墻面粉刷的開(kāi)裂，從而增強(qiáng)抗?jié)B漏的能力；

    (2)在屋面找平層中摻入聚丙烯纖維，可解決找平層的裂縫和起砂等問(wèn)題，從而增加找平層的強(qiáng)度和抗?jié)B漏能力；

    (3)在預(yù)應(yīng)力混凝土、混凝土構(gòu)件及現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土中摻入聚丙烯纖維可減少混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫，提高混凝土抗?jié)B、抗沖擊、抗震、抗凍性。

    實(shí)踐證明：同普通混凝土相比，體積摻量0.05%(約0.5kg／m3)的聚丙烯纖維混凝土抗裂能力提高近70%，抗?jié)B能力提高60～70%。充分認(rèn)識(shí)、利用和發(fā)揮其產(chǎn)品特性，結(jié)合工程實(shí)際要求，是能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益的。如果采用纖維砂漿抹灰，其施工操作簡(jiǎn)易、抹灰效率高、灰漿跌落少、抗裂性強(qiáng)，可部分取代鋼絲網(wǎng)，對(duì)于提高工作效率、保證工程質(zhì)量、降低成本都有非常重要意義。雖然聚丙烯纖維要另外投資，但它的價(jià)格適中，在工程總投資中所占的比例極少，卻可以換取極大的工程質(zhì)量效益。實(shí)踐表明，聚丙烯纖維少量摻入混凝土(砂漿)中，將大大提高混凝土(砂漿)的抗裂抗?jié)B能力，在我國(guó)的工程應(yīng)用中具有極大的潛力。