聚丙烯纤维在混凝土设计中推广应用

聚丙烯纤维在混凝土设计中推广应用

摘 要 聚丙烯纤维混凝土的应用，近年来在我国的工程建筑界已经有了长足的发展。倍斯特纤维在建筑工程中的推广和应用，不但进入时间早，工程实践多，而且涉及的工程类别和应用范围也广。本文结合倍斯特纤维在各类工程的大量推广应用的实践，从纤维作用的实质、纤维发生作用的条件、纤维的适当掺量、考量纤维混凝土的指标以及纤维混凝土配制的便易性等方面，对目前工程界中对聚丙烯纤维混凝土普遍存在的认识问题提出商榷，提出在聚丙烯纤维混凝土的推广和应用上需要解决的一些问题。

关键词 聚丙烯纤维混凝土 倍斯特纤维 分散性

1 纤维作用的实质

1.1 经过多年的推广，聚丙烯抗裂纤维主要用在道路、桥梁、机场、地铁、工业及民用建筑、水利工程以及预制构件、保温材料、干粉砂浆等各个方面。如高速公路收费站特殊路段；软基层路面；大型桥梁、立交桥、高架路的铺装层；桥梁修护；公路修补；建筑物的地下室底板、侧墙、挡土墙；露天及室内停车场、车道；飞机场停机坪、机库；上人屋面、天面；楼板、楼梯板；转换层大梁、超大型梁和柱、直线加速器防辐墙、油库底座、溢洪道闸墩、石化焦炭塔框架、风力发电风塔基座等大体积混凝土；高强混凝土钢管混凝土柱；薄壁结构；设备基座；游泳池、储水池、化污池；排污管道、通信电缆管道；网球场、篮球场；大型垃圾堆放池；核废料填埋、核废料储存容器；住宅小区道路；工业及民用建筑的内外墙抹灰；室内装修；水渠、泄洪洞等冲磨混凝土；水利堤围；地铁、轻轨地下基础；隧道；涵洞、护坡；厂房、桥梁加固和修复等。自1999年防水专家将聚丙烯纤维写入《深圳建筑防水构造图集》之后、广州、北京等地依据大量的工程实践数据和专家论证，在轻板墙体工程、保温工程方面采纳了倍斯特纤维规格、掺量和做法，将聚丙烯纤维的使用纳入了地方技术规程。之后继续扩大的工程实践，以及其它许多品牌工程用纤维的大量推广和应用，为我国合成纤维混凝土开拓了一个良好的发展势头。

在不同类型工程和不同地区气候条件下的应用实践中，倍斯特纤维都取得了成功。工程用合成纤维所起作用的本质到底是什么？如何看待合成纤维所起的作用？随着目前呈现了众多品牌工程用合成纤维的开始激烈竞争时，对此问题却引出了许多疑问。部分厂商宣传纤维作用的时候存在片面性，好像只要在混凝土/砂浆中一掺加纤维，裂缝就不复存在，违背了纤维发生作用的机理和忽视了具体工程的个性条件。合成纤维解决的主要对象是混凝土早期的原生裂缝，无限夸大合成纤维对裂缝的抑制作用是不对的。事实上，混凝土/砂浆掺加纤维，也只能是对非结构性裂缝的阻裂作用，不可能完全消灭裂缝。

1.2 微细纤维掺加在混凝土/砂浆中，以对裂缝的阻裂作用为主要表征，实际上由于低弹模的纤维掺加在相对高弹模的混凝土中，作用的实质是最大可能地降低了混凝土的脆性，从而解决了由于混凝土先天带来的某些不足方面的问题---因脆性引起的容易开裂等，对改善混凝土/砂浆内部结构起到了重要作用。这种作用不同于一般的加筋配筋，而是一种从根本上对混凝土/砂浆自身缺陷的改善。其中包括有效增加混凝土的韧性；减少裂缝，提高抗渗能力；减少裂缝，延缓钢筋锈蚀；减少混凝土结构受到的化学侵蚀；增强抗冻融能力，减少混凝土结构遭受破坏；减少混凝土的泌水，使表面混凝土的质量得以改善；减少裂缝，提高耐磨性和抗冲击能力等等。所起的作用不是某几个强度指标能够体现的，而是多个指标的综合体现，尤其是混凝土耐久性。合成纤维混凝土成为国内理论界热衷研究的真正意义，也在于如何真正揭示、衡量纤维对混凝土作用的本质。正是由于我们在推广倍斯特纤维过程中，揭示了其作用的实质，倍斯特纤维的应用才由简单的外墙处理，逐渐转向应用于技术难度较高，抗裂、抗渗、耐磨、抗冲击、抗震要求高的许多结构性重要部位。成功应用的实例数不胜数，验证了合成纤维在混凝土中的作用，作为一种混凝土抗裂不可缺少的添加材料受到了工程界的欢迎。

混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的结构材料，钢筋混凝土结构已成为世界上应用最广泛的结构形式。我国目前正进行着举世空前的大规模基础建设，但是有许多混凝土结构，包括桥梁、道路、隧道、港口、大坝、建筑物等，在建期间或建成时间不长后出现可见裂缝，影响外观，影响在侵蚀环境中运行结构的耐久性，还使一些结构的使用功能受到影响，暴露出较严重的耐久性问题，寿命低于设计寿命标准。只有认真解决各类混凝土结构的耐久性，才能使资源充分得到利用。尽可能延长各类建筑物的寿命，延缓因时间推移而带来的结构安全性方面的威胁，保证其正常使用，才能尽可能节约重建和修复费用。在混凝土结构中大量推广普及合成纤维混凝土，不仅可以解决当前由于建筑物向高、大、结构复杂发展带来的一些问题，也应成为解决结构耐久性的一种重要手段。

2 纤维发生作用的条件

2.1 纤维发生作用的条件，可以从纤维外部和内部两个方面来理解。

2.1.1 外部：可从纤维在混凝土/砂浆中所处的形态以及纤维对集料的关系两个方面来理解。

纤维在混凝土/砂浆中能否乱向均匀分布，是关系到纤维能否发生作用的关键。纤维作用的机理无论怎样解释，都必须保证纤维在混凝土/砂浆中呈均匀、乱向分布的状况下才能发挥作用。微裂缝在发展过程中，遭遇到纤维的阻挡，消耗了能量，使其难以进一步发展，从而阻断应力达到抗裂的作用。由于纤维在生产过程中对其表面采用不同的活性剂配伍进行处理，使纤维遇水均匀分散，再加上外力与混凝土各种集料搅拌进一步使纤维与各种集料握裹。倍斯特纤维便于分散均匀，是所有使用过该产品的人员所公认的。我们一般在透明水杯的清水中放入少量纤维进行搅动，便可以直观的发现倍斯特纤维呈立体悬浮状乱向分散，且长时间放置都不会有太大变化；而某些同类的产品，经搅动后可能分散，但时隔不久便会上浮为一絮状层。据反映凡是有后者情况的纤维，在混凝土/砂浆的实际配制过程中多不易均匀分散。这种观察办法和有人提出的“纤维层高稳定率”办法大同小异。由于聚丙烯纤维密度小于水以及纤维表面活性剂的作用，分散在水中的纤维受浮力及表面活化能的影响，会逐渐呈现较为明显的分层和离析的状态，将不同品牌的短纤维放置在量杯中搅拌后静置，在不同的时间段测量其悬浮状层高的办法来比较其稳定性的办法以判断纤维的分散性。纤维对集料的握裹状况，是能否起作用的另一个关键。纤维能够尽可能多的握裹集料，避免在受力时被拔出。不同的纤维制成标准不同，在电子显微镜下可以看到呈现不同的握裹集料的情况。如果加入纤维后的混凝土塌落度没有损失，这种纤维不是分散不好就是握裹力差，纤维的作用无从谈起。

2.1.2 纤维能够起作用，还在于纤维本身的力学性能。

如抗拉强度、拉伸极限、纤维均匀度、抗酸碱腐蚀和紫外光的老化能力等。据纤维专家解释，抗拉强度和拉伸极限成一定的反比关系。这种关系要适当，并非纤维的抗拉强度特别高才能产生高的阻裂效用。纤维在受到拉力的过程中发生拉伸变形，如果比值不适当，则抗拉强度不可能达到要求。当然，由于制成材料的限制，该数据只能尽量满足要求。聚丙烯纤维抗拉强度过大，可能会导致脆性加大。拉伸极限过大，混凝土/砂浆中的纤维在受力变形过程中又可能无法控制裂纹。据了解，倍斯特纤维的拉伸极限15%左右已经接近天然纤维，需要一定的控制技术才能生产。纤维的改性也表现在这一方面。拉伸极限指标也是衡量纤维抗裂能否真正达到作用的一种指标。

2.1.3 要真正认识每一种材料的特性和优劣，强调一种材料排斥另一种材料的做法是行不通的。材料是不断变革的，要不断认识和使用新的材料。只有充分发挥材料的复合效应，才能综合解决工程中所遇到问题。

比如，具有高弹模的钢纤维和低弹模的聚丙烯混用，可在混凝土破坏过程中分别起着不同的作用。聚丙烯纤维由于其数量多及性能特点主要约束混凝土早期原生裂缝及微观裂缝，在较低拉应力情况下起作用；钢纤维根数不多但具有明显的增强，对宏观裂缝可以起到显著的阻裂作用。两种纤维可以从不同的阶段对混凝土裂缝的产生和扩展起到约束作用，提高混凝土的抗拉强度和抗弯拉强度，可以综合两种不同弹模的纤维吸收能量的优点，对混凝土内部的缺陷产生协同作用，既可以有效增强又可以有效增韧。

又如，在水工混凝土的应用中掺加粉煤灰或硅粉增加抗冲耐磨强度和抗裂。黄委会实验中心所做的配比试验，在掺加20%粉煤灰和倍斯特纤维0.6/0.9/1.2kg /m3掺量的情况下，抗冲磨强度分别增加6—18%。南京水科院的试验证明，聚丙烯纤维和硅粉共掺，可以更有效地提高混凝土的抗冲磨性能33-58%。[2] 我们在内蒙哈拉沁水库泄洪洞工程的实践中也证明了这一点。

再如，倍斯特纤维的工程实践中，也有不少与UEA合用解决混凝土抗裂、抗渗问题的。如合肥高架桥桥面铺装层、安徽省职工活动中心和力天大厦大面积地下室底板C40P8和C55P8砼采用粉煤灰、微膨胀剂和倍斯特纤维配制粉煤灰补偿纤维混凝土，三种材料各自的抗裂效应互为补充充分发挥各自的特长。

推广一种技术和产品，应该坚持科学的态度和实事求是。如果靠夸大其词来推广，这种新技术、新产品就不会有生命力。目前，在国内建筑工程界中应用和推广的合成纤维有许多品牌，有进口的，也有国产的，其中良莠不齐，相差很大。由于工程用纤维的生产属于化纤行业，使用者为工程界。使用者对化纤生产是生疏的，无法从直观上判断纤维的优劣，但普遍关心能否均匀分散的问题。分散性是表面、直观的，但是从纤维的抗拉强度、伸展极限、握裹力等内在质量来看，不是直接靠观察能够得出结论的。如果在使用以后才发现问题，已经为时晚矣！

当然，聚丙烯纤维在混凝土中所起的作用，说到底是一种辅助作用。我们通常将其称为次要加强筋。混凝土当然要求施工正常养护，不能认为添加了纤维就不会有裂缝而忽视正常养护。这一点，毋庸赘述。

3 纤维的合适掺量

3.1 适用的纤维掺量取何值？从合成纤维的制成材料来看，由于其耐酸碱、以及物理性的增韧和增强，广义地来说对混凝土是有益无害的。但到底何掺量才合适，理论界与工程界的意见不尽相同。从合成纤维在混凝土中所起作用的实质来看，只要添加合成纤维，必然会不同程度地解决混凝土先天的缺陷---脆性，因此无论怎样加都没有错，似乎采用模糊理论来解决一个幅度的变化为更好。但是，从设计和施工角度来考虑必须要有量化的指标。另从混凝土的工作性方面来考虑，又不得不考虑适应施工的有关要求。

纤维掺量应该视使用目的而定，同时考虑混凝土的具体配比、集料和其它外加剂的具体情况而定。目前多数厂家建议的掺量数据，多来自于理论界对纤维体积掺量0.05%和0.1%的试验结论数据。不同制成材料的纤维由于其比重不一，按照体积掺量计算，折算为纤维重量掺量当然就不一样。倍斯特纤维在各种实际工程的应用过程中，针对不同的要求，经历过每立方米混凝土/砂浆掺加0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3kg不等的情况，均属于低掺量，都得了良好的工程效果，掺量在0.7--0.9kg/m3时，已经能够满足设计的一般要求了。一般来说，对抗裂、抗渗、耐磨要求高的部位，掺量相对高一些；对使用特细砂地区的掺量相对高一些；有特殊要求的工程部位和用途要有特殊的配比。高掺量除特殊用途之外，在一般工程应用中不一定适用。

纤维掺量的最可靠办法是因应工程目的进行试配，认真进行比较。尤其是大型工程的结构性部位应用更要认真、慎重进行纤维多种掺量的试配和性能比较，从而选择最佳方案。

3.2 质量差的纤维，不但不会对混凝土增强、增韧，反而会有负面影响。有人认为质量差的产品可以通过增加掺量来弥补效用，质量差的产品加大掺量，反而更会因结团、蜂窝、空洞造成严重问题，根本就不能用。目前，已经发生了因掺用纤维质量太差致使混凝土施工质量产生严重问题不得不下决心炸掉的教训。发展合成纤维混凝土是要解决在新的条件下使工程做到最优，要保证长久之计。尤其是对于水利、水电站这类工程更有着特殊意义。适当调整纤维掺量，要讲究理论，也要讲究经验。经验数据和理论数据结合起来，针对不同的工程部位，调整和选择适当的掺量，才是科学的态度。

3.3 合成纤维混凝土是一个新的技术，而且在诸多工程中都已经证明是可以成功应用的，经验数据在目前也是有推广意义的。现在关键不在于数据取何值，而在于是否认识到这种技术是可以解决目前工程中需要解决的问题。如果不需要解决，再好的技术也没有应用和推广的必要，正所谓要“对症下药”。

4 考量合成纤维作用的指标

纤维对混凝土的力学性能的最大改变，不是旨在提高其抗压、抗折等强度指标，而是极大限度地提高了混凝土的断裂能、延展性。沿用一般对混凝土抗压强度、抗拉强度等性能的指标去衡量合成纤维混凝土，不能充分反映纤维对混凝土根本性能的改善。如前所述，合成纤维在混凝土/砂浆中所起作用是一个综合性的，在低掺量（体积掺量为0.1%左右）的条件下，具有增强、增韧的双重效果。尤其对于高强混凝土掺加合成纤维则特别是利用其增韧的效果。从大量的实验室数据和工程试配数据来看，抗压强度指标有提高，也有降低。但是从变化幅度和绝对值来看，均不足以影响到混凝土的原有设计要求。之所以有时候某些强度指标呈现提高，也是由于解决了部分裂缝而带来的附加效应。

目前，由于合成纤维混凝土在我国研究和应用的历史较短，加之人们习惯于以试件的抗压或抗折强度衡量材料的性能水平，对增强指标考虑多，对确能体现纤维作用的指标，如弯拉韧性、疲劳强度、疲劳寿命等增韧指标考虑少。对合成纤维在混凝土中所起作用的考量指标如果仍然停留在原有认识的基础上，将会不利于合成纤维混凝土的推广。韧性指标应该定量化，及早制定出适合国情的统一的技术规程，才能使合成纤维混凝土真正大面积推广使用。可喜的是，理论界已经开始了对这方面的研究。一些专家和学者已经开始从受弯韧度指数和剩余弯曲强度来研究和考量合成纤维对混凝土的增韧效应。最近，国家纤维混凝土学术委员会的专家们用直接拉伸试验得到了聚丙烯纤维混凝土应力—应变全曲线，倍斯特纤维混凝土在掺量0.6--1.3kg/m3时，抗拉强度比基准混凝土提高12-25%，极限拉伸应变提高37-49%，断裂能提高33-68%。

5 合成纤维混凝土配制的便易性

大量的工程实践证明，聚丙烯纤维混凝土的配制是简单、易行的。

（1）简单的物理性加筋，与制备混凝土的各种骨料、外加剂和水泥都不会有任何冲突。不需要改变原有的设计配比；

（2）对搅拌设备没有特殊的要求，容易在商品混凝土搅拌站或现场操作；

（3）施工工艺上没有特殊的要求，不需要特别的培训，工人容易掌握。

合成纤维混凝土在国外已经发展了20多年，我国在上世纪90年代中期以后开始发展并逐渐被广大工程界所接受。我国是生产和使用水泥混凝土的泱泱大国，合成纤维混凝土的应用还仅仅是在起步阶段。合成纤维混凝土真正的普及和发展，最终要靠成本低廉的国产纤维。而各种工程用合成纤维产品水平的真正提高，必须建立在技术进步的基础上，任何急功近利、甚至弄虚作假，都会影响合成纤维混凝土作为一种新技术的健康发展。