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[摘要]：近年来，聚丙烯纤维混凝土由于能够提高混凝土的抗裂性能、抗拉强度以及基体的变形能力，改善混凝土的整体性能、延长混凝土的使用寿命，在各类工程施工中得到成功应用。本文从对聚丙烯纤维混凝土的认识；纤维在混凝土中的作用；纤维发生作用的条件；纤维混凝土的有关性能等方面进行探讨，从而对聚丙烯纤维混凝土有更加明确的认识和了解。
[关键词]：纤维混凝土性能探讨
1引言
混凝土的发展至今已有上百年的历史，由于混凝土抗压强度高、耐久性好、成本低等特点在各类建筑工程中得到起着不可替代的作用。各项混凝土技术研究表明，混凝土在细微和粗观尺度上是一种由骨科、水泥浆体以及两者之间的过渡区 ( 界面 ) 组成的多孔结构，多孔结构中包含了原生及次生微裂纹，受内在原因和外界作用，裂纹容易开裂、扩大，使得与钢筋握裹力下降，影响混凝土结构性能和使用寿命。基于上述原因，众多工程技术人员不断从原材料、配合比入手、研究和改进施工工艺、浇筑方法和养护措施，取得了一些成功经验，但这些方法、措施并未能从根本上改变混凝土性能弱点：混凝土是一种多孔性的脆性复合材料，抵抗冲击、开裂、耐疲劳能力差。
2对聚丙烯纤维混凝土的认识
2.1对聚丙烯纤维的认识
聚丙烯纤维是由丙稀聚合物或共聚物制成的烃类纤维，一般的聚丙烯纤维比重为 0.91g/cm3 ，直径18-65μm，长度4-19mm，抗拉强度 280~650MPa，弹性模量大于 3500MPa ，极限延伸率15-18% ，不吸水，为中性材料，与酸碱不起反应，无毒安全，无磁防锈，可以作为刚性自防水材料和温差补尝性的加强材料。聚丙烯纤维的特点是细度高（当量直径0.02-0.1mm）、数量多（常用的混凝土0.6kg/m3的纤维掺量，纤维单丝N值分散后可获得19.1×106根，单位体积内纤维的数量与纤维掺入量及纤维在混凝土体内分散的均匀程度有关）、平均间距S值为2.34mm左右。按聚丙烯纤维的结构形式，可分为聚丙烯网状纤维和聚丙烯单丝纤维，网状纤维其单丝的截面形状为不规则矩形，单丝纤维为圆形截面，基面粗糙，由喷丝工艺加工制成，表面光滑，握裹力要低于网状纤维。
2.2對聚烯纤维混凝土的认识
普通混凝土是一种脆性复合材料，极限拉伸率一般在0.01%～0.20%，混凝土在硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥的形成结晶体，结晶体的体积比原材料的体积要小，因而引起混凝土体积的收缩；后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。当收缩、干缩应力某个时期超出了水泥机体的抗拉强度时，混凝土内部便会出现微裂纹，这些微裂纹存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面以及凝胶体自身内部。微裂纹的出现和发展是由从小到大向最薄弱环节定向发展的，70%细裂缝是由微裂纹在3-7d胶凝期内发展形成的，而这些细裂缝是导致混凝土结构性能降低的主要因素。
聚丙烯混凝土是指在普通混凝土（其它原材料相同）中按一定比例掺入聚丙烯纤维，掺量通常为0.6-0.9Kg/m3。依靠纤维在混凝土中巨大数量的均匀分布，以及纤维同水泥基料之紧密结合力，在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，有效地控制水泥基体收缩及离析裂纹的形成，截断并防止微裂之发展，避免贯通毛细孔道的形成，保证集料的均匀级配，从而产生一种有效的二级加强效果，被称为混凝土的“次要增强筋”，也有称之为“完全物理性加筋”。
在混凝土中掺入聚丙烯纤维并经搅拌后（搅拌时间≥3min），由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，通常可以连同包装袋一同投入搅拌（限包装袋为纤维纸制作），且分布均匀，同时纤维细微，比表面积大，可以迅速与混凝土其它组成材料混合，在混凝土凝结的过程中，当水泥基体收缩时，聚丙烯纤维的乱向分布形式可削弱混凝土的塑性收缩，收缩的能量被分散到无数的纤维丝上，从而有效地增强混凝土的韧性，减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹，抑制混凝土开裂过程，阻碍沉降裂纹的形成。聚丙烯纤维混凝土的施工与普通混凝土基本相同，但聚丙烯纤维混凝土在相同配合比的情况下，粘聚性增强，坍落度比普通混凝土降低30%左右，视情况适当调整减水剂的用量，一般不必考虑对混凝土工作性的影响，由于泌水速度降低，故要进行二次振捣，收面作业应适当加强。施工中避免与皮肤直接接触和纤维进入眼睛。聚丙烯纤维混凝土适用于抗裂、抗冲击、耐磨、抗碱、抗化学侵蚀、抗震要求较强的混凝土工程。
3聚丙烯纤维在混凝土中的作用
聚丙烯纤维掺加在混凝土中，主要有以下三种作用：1、提高基体的抗拉强度；2、阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展延缓新裂缝的出现；3、提高基体的变形能力从而改善基体韧性与抗冲出性。
聚丙烯纤维混凝土依靠纤维材料力学性能（即纤维本身的力学性能）、聚丙烯纤维与混凝土界面的粘结力、握裹力（也就是纤维截面的形状，粗糙程度以及与混凝土材料的亲和性）、纤维的有效长度、单位体积内纤维的数量与混凝土共同承受各种收缩力，减少微裂纹，从而提高混凝土的结构性能。纤维的有效长度：是由纤维的长径比来确定，短而粗的纤维将产生从混凝土界面被拔出的结果，这是一种材料未得到充分利用的结果。细而长的纤维会在混凝土出现裂纹处被拉断，置于两者之间的长径比称为临界长径比。不同纤维的临界长径比确定了各种纤维的临界握裹长度。试验证明，纤维的有效长度应是纤维临界握裹长度的二倍。同样材料的纤维，圆形、光滑表面纤维的临界长径比比不规则矩形、表面粗糙纤维的临界长径比要大。
4聚丙烯纤维发生作用的条件
聚丙烯纤维作用的机理无论如何解释，都是建立在纤维能够在混凝土中呈均匀、乱向分布的状态基础之上的。聚丙烯纤维在混凝土中的作用能否得以充分发挥，从以下三个方面来理解：
4.1聚丙烯纤维由于在生产工艺过程中对其表面采用不同活性剂配合进行处理，遇水容易均匀分散，我们可以简单做个试验，将少量纤维放入装了清水的透明玻璃容器中进行搅动，可以从直观上发现纤维在水中呈立体悬浮状乱向分散状态，长时间放置且不会有太大变化，这是因为聚丙烯纤维密度小于水以及表面活性剂的作用，分散在水中的纤维会受浮力及受表面活性剂的影响，逐渐呈现较为明显的分层和扩散状态，此项观察办法和有人提出的“纤维层高稳定率”办法类同。
4.2掺入聚丙烯纤维的混凝土搅拌过程中，外力作用下使纤维与各种集料充分握裹，纤维进一步均匀分散，纤维对集料的握裹状况，是衡量纤维是否发挥作用的另一个关键因素，纤维应尽可能多的握裹集料，避免在受力或其它外界作用下被拔出或损伤。各类纤维由于生产工艺、制成标准不同，握裹集料的情况也会有所差异。如果加入纤维后的混凝土塌落度在某种程度上没有损失，粘聚性没有增强，说明这种纤维不是分散性不好就是握裹力差，纤维的作用基本上也无从谈起。
4.3聚丙烯纤维能够发挥作用，纤维本身的力学性能也是重要因素。如抗拉强度、拉伸极限、纤维均匀度、抗酸碱腐蚀和紫外光线的老化能力等。据纤维专家解释，抗拉强度和拉伸极限成一定的反比关系。而且这种关系要适当，并非纤维的抗拉强度特别高才能产生高的阻裂效用，纤维抗拉强度过大，可能会导致脆性加大；拉伸极限过大，在受力变形过程中又可能无法控制裂纹。一般纤维的拉伸极限15%左右，接近天然纤维，纤维的生产技术需要不断控制和改进，纤维的改性也表现在这一方面，拉伸极限指标是衡量纤维抗裂性能优劣的一种重要指标。不同品种纤维因弹性模量、抗拉强度、长径比、掺量等差异，在混凝土中阻裂效应的作用机理和效果也不尽相同。
5 聚丙烯纤维混凝土的相关性能
60年代初期，英国开始将少量的聚丙烯膜裂纤维(≤0.05%)掺入混凝中用于工程施工，70年代，美国大力开发丝束相连的膜裂聚丙烯纤维，与此同时其它纤维增强水泥基复合材料也相应发展起来，钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等纤维材料应用于水泥混凝土中，有效改善混了凝凝土的抗裂、抗渗、抗冻、抗耐磨、抗疲劳等综合性能，延长混凝土的使用寿命。聚丙烯纤维用于混凝土中，以价格低廉、掺加工艺简单、化学耐蚀力高、原料来源广、性能优异等特点，近年来得到建筑行业一致好评，并在国内外得到广泛推广应用。武警水电第二总队和兄弟单位近年来承建的三峡工程、洪家渡水电站、西龙池抽水蓄能电站，以及目前承建的河南国网宝泉抽水蓄能电站等均采用了聚丙烯纤维混凝土，且得到成功应用。下面参照河南国网宝泉抽水蓄能电站上水库副坝防渗面板混凝土施工中使用的美国希尔兄弟化工公司生产的混凝土专用聚丙稀纤维(杜拉纤维)，对聚丙烯纤维混凝土有关性能进行探讨。
5.1抗裂性能
聚丙烯纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，简单的理解可认为，是通过聚丙烯纤维提高了早期混凝土的抗拉强度实现的，聚丙烯纤维钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力更加连续和均匀所至。当纤维的拉应力大于纤维与混凝土界面的粘结强度或大于纤维的抗拉强度时，纤维才可能被拔出或拉断。因此，这部分延续增加的挠度基本上是纤维发挥的作用，也就是纤维对试件材料韧性的提高。在河南国网宝泉抽水蓄能电站副坝防渗面板混凝土施工前对聚丙烯纤维混凝土做了相应的对比试验，表1为聚丙烯纤维混凝土抗裂性能测试成果；图1、图2为河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室在进行聚丙烯纤维混凝土收缩裂缝试验时的对比照片。从图 1、图2 可以分析出在相同的环境条件下，掺聚丙烯纤维混凝土试件相比基准试件抗塑性开裂性能要高。
表1
测试单位 纤维规格 体积掺量(磅/立方码) 裂纹减少量(%) 说明
美国加州罗未达.韦尔瑞克工程及检测公司 3/16〞 0.75(0.6公斤/立方米) 76.6 抗裂性能提高在70%以上。
河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室 3/4〞 掺量 纤维类型 裂缝降低系数 限裂效能等级
0.6Kg/m3 掺杜拉纤维 86.3% 一级
掺格雷斯纤维 81.8% 一级
掺博赛特纤维 81.7% 一级
5.2抗渗性能
混凝土中掺入聚丙烯纤维后，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量聚丙烯微纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面析水与集料离析，从而降低混凝土中直径为50～100纳米和＞100 纳米的孔隙含量，避免了连通毛细孔的形成，因而提高了混凝土的抗渗性能。一般来说， 只有100纳米以上的孔隙才对抗渗性有害，小于50纳米的孔数量的多少可能反映出凝胶数量的多少，水化产物多，则抗渗性好。试验表明聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60～70%。表2为掺聚丙烯纤维混凝土抗渗性能测试成果。
表2
测试单位 试件说明 水位迁移量(毫升) 说明
2天 7天 21天 28天 总数 %
美国 普通混凝土试验样 0 1.0 1.7 2.6 5.3 100 添加纤维后抗渗性能提高62%
掺杜拉纤维混凝土试样 0 0 0.4 1.6 2.0 38
国家建筑材料测试中心 渗水高度(mm) 掺杜拉纤维混凝土试件(体积掺量0.05%) 无纤维对比组 添加纤维后抗渗性能提高70%
15 50
郑州大学建筑工程材料检测中心 在1.2Mpa水压下试件渗水高度(mm) 杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 混凝土对比组
26 34 45
5.3抗冻性能
在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。表3为掺聚丙烯纤维混凝土抗冻性能测试成果。
表3
测试单位 快速冻融试验后混凝土试件动态弹性模量(Ed)的变化比较
美国Law工程测试公司 试件组别 起始Ed(Mpa) 最终Ed(Mpa) Ed保留率(%)
素混凝土 37080 4800 12.9
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.05%) 35780 22780 63.7
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.1%) 35900 29860 83.2
国家建筑材料测试中心 50次冻融循环后混凝土抗压强度变化比较
无纤维对比组 -6.3%
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.05%) -0.4%
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.1%) +0.6%
郑州大学工程材料检测中心 抗冻性能(50次冻融循环后相对动弹模)
混凝土对比组 72%
杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 81%
杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 85%
5.4强度性能
聚丙烯纤维混凝土從不同程度上可以改善抗压、抗折、抗剪、劈裂抗拉强度。表4为聚丙烯纤维混凝土强度性能测试成果。
表4
测试单位 试件组别 抗压强度(Mpa) 抗折强度(Mpa) 劈裂抗拉强度(Mpa) 抗剪强度(Mpa) 静态弹性模量(Gpa)
美国 普通混凝土 23.72 3.65 2.90 \
杜拉纤维混凝土(0.68Kg/m3) 24.48 3.90 3.17 \
郑州大学建筑工程材料检测中心 混凝土对比组 35.3 3.35 2.68 6.35 3.06
杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 36.1 3.56 2.83 7.01 3.11
杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 36.6 3.69 2.95 7.54 3.14
5.5其它性能
经过大量试验论证，聚丙烯混凝土抗收缩性、抗冲击性、抗疲劳性、耐火性、和易性、抗碳化及抗碱骨料反应性性能均要优于普通混凝土。近年来工程技术人员通过聚丙烯混凝土性能进行研究测试，对聚丙烯纤维混凝土也存有另类说法： “聚丙烯纤维的弹性模量低(约为混凝土的1/10)、具有一定的增稠作用和弱界面效应，都是对混凝土强度不利的因素，但由于聚丙烯纤维在混凝土中常用的体积掺量很低，以上不利因素对混凝土强度的影响并不显著。许多试件的测试结果也表明，掺入聚丙烯纤维对混凝土的强度无显著影响或使混凝土的强度稍有降低”。河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室试配的C5W4F200基准混凝土28d抗压强度为34.0Mpa，掺杜拉聚丙烯纤维混凝土28d抗压强度为33.2Mpa。聚丙烯纤维在对混凝土抗压强度是否起着增强或降强作用，笔者认为都是微乎其微的，它的主要作用应该体现在：阻裂、提高抗拉强度、提高基体的变形能力。今后的研究方向应是，聚丙烯纤维和钢纤维的复合效应、聚丙烯纤维对高强高性能混凝土性能的影响、聚丙烯纤维和硅灰或粉煤灰等活性混合材的复合效应、以及对纤维使用效果的评价方法等。对聚丙烯纤维混凝土的研究，除了用室内小试件进行性能评价，更应注重观察实际工程的应用效果。
6结 语
从现代建筑和可持续发展观点看，需要发展高性能混凝土，聚丙烯纤维是当前水泥基材料的主要发展方向。在我国，随着高强、高性能混凝土的广泛使用，聚丙烯纤维混凝土日臻完善的技术及聚丙烯纤维逐步国产化，聚丙烯纤维将成为改善混凝土性能有效手段之一，聚丙烯纤维混凝土在现代建筑中会呈现出良好的发展势态，应用前景会更加广阔，聚丙烯纤维混凝土也将会成为工程界一段时间内热衷研究的课题。
参考文献：
[1] 河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室检测资料赵云北
[2] 国家建筑材料测试中心测试数据
[3] 郑州大学建筑工程材料检测中心检测资料
[4] 关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识曹诚 刘兰强
[5] 北京特希达科技有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
[关键词]：纤维混凝土性能探讨
1引言
混凝土的发展至今已有上百年的历史，由于混凝土抗压强度高、耐久性好、成本低等特点在各类建筑工程中得到起着不可替代的作用。各项混凝土技术研究表明，混凝土在细微和粗观尺度上是一种由骨科、水泥浆体以及两者之间的过渡区 ( 界面 ) 组成的多孔结构，多孔结构中包含了原生及次生微裂纹，受内在原因和外界作用，裂纹容易开裂、扩大，使得与钢筋握裹力下降，影响混凝土结构性能和使用寿命。基于上述原因，众多工程技术人员不断从原材料、配合比入手、研究和改进施工工艺、浇筑方法和养护措施，取得了一些成功经验，但这些方法、措施并未能从根本上改变混凝土性能弱点：混凝土是一种多孔性的脆性复合材料，抵抗冲击、开裂、耐疲劳能力差。
2对聚丙烯纤维混凝土的认识
2.1对聚丙烯纤维的认识
聚丙烯纤维是由丙稀聚合物或共聚物制成的烃类纤维，一般的聚丙烯纤维比重为 0.91g/cm3 ，直径18-65μm，长度4-19mm，抗拉强度 280~650MPa，弹性模量大于 3500MPa ，极限延伸率15-18% ，不吸水，为中性材料，与酸碱不起反应，无毒安全，无磁防锈，可以作为刚性自防水材料和温差补尝性的加强材料。聚丙烯纤维的特点是细度高（当量直径0.02-0.1mm）、数量多（常用的混凝土0.6kg/m3的纤维掺量，纤维单丝N值分散后可获得19.1×106根，单位体积内纤维的数量与纤维掺入量及纤维在混凝土体内分散的均匀程度有关）、平均间距S值为2.34mm左右。按聚丙烯纤维的结构形式，可分为聚丙烯网状纤维和聚丙烯单丝纤维，网状纤维其单丝的截面形状为不规则矩形，单丝纤维为圆形截面，基面粗糙，由喷丝工艺加工制成，表面光滑，握裹力要低于网状纤维。
2.2對聚烯纤维混凝土的认识
普通混凝土是一种脆性复合材料，极限拉伸率一般在0.01%～0.20%，混凝土在硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥的形成结晶体，结晶体的体积比原材料的体积要小，因而引起混凝土体积的收缩；后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。当收缩、干缩应力某个时期超出了水泥机体的抗拉强度时，混凝土内部便会出现微裂纹，这些微裂纹存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面以及凝胶体自身内部。微裂纹的出现和发展是由从小到大向最薄弱环节定向发展的，70%细裂缝是由微裂纹在3-7d胶凝期内发展形成的，而这些细裂缝是导致混凝土结构性能降低的主要因素。
聚丙烯混凝土是指在普通混凝土（其它原材料相同）中按一定比例掺入聚丙烯纤维，掺量通常为0.6-0.9Kg/m3。依靠纤维在混凝土中巨大数量的均匀分布，以及纤维同水泥基料之紧密结合力，在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系，有效地控制水泥基体收缩及离析裂纹的形成，截断并防止微裂之发展，避免贯通毛细孔道的形成，保证集料的均匀级配，从而产生一种有效的二级加强效果，被称为混凝土的“次要增强筋”，也有称之为“完全物理性加筋”。
在混凝土中掺入聚丙烯纤维并经搅拌后（搅拌时间≥3min），由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，通常可以连同包装袋一同投入搅拌（限包装袋为纤维纸制作），且分布均匀，同时纤维细微，比表面积大，可以迅速与混凝土其它组成材料混合，在混凝土凝结的过程中，当水泥基体收缩时，聚丙烯纤维的乱向分布形式可削弱混凝土的塑性收缩，收缩的能量被分散到无数的纤维丝上，从而有效地增强混凝土的韧性，减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹，抑制混凝土开裂过程，阻碍沉降裂纹的形成。聚丙烯纤维混凝土的施工与普通混凝土基本相同，但聚丙烯纤维混凝土在相同配合比的情况下，粘聚性增强，坍落度比普通混凝土降低30%左右，视情况适当调整减水剂的用量，一般不必考虑对混凝土工作性的影响，由于泌水速度降低，故要进行二次振捣，收面作业应适当加强。施工中避免与皮肤直接接触和纤维进入眼睛。聚丙烯纤维混凝土适用于抗裂、抗冲击、耐磨、抗碱、抗化学侵蚀、抗震要求较强的混凝土工程。
3聚丙烯纤维在混凝土中的作用
聚丙烯纤维掺加在混凝土中，主要有以下三种作用：1、提高基体的抗拉强度；2、阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展延缓新裂缝的出现；3、提高基体的变形能力从而改善基体韧性与抗冲出性。
聚丙烯纤维混凝土依靠纤维材料力学性能（即纤维本身的力学性能）、聚丙烯纤维与混凝土界面的粘结力、握裹力（也就是纤维截面的形状，粗糙程度以及与混凝土材料的亲和性）、纤维的有效长度、单位体积内纤维的数量与混凝土共同承受各种收缩力，减少微裂纹，从而提高混凝土的结构性能。纤维的有效长度：是由纤维的长径比来确定，短而粗的纤维将产生从混凝土界面被拔出的结果，这是一种材料未得到充分利用的结果。细而长的纤维会在混凝土出现裂纹处被拉断，置于两者之间的长径比称为临界长径比。不同纤维的临界长径比确定了各种纤维的临界握裹长度。试验证明，纤维的有效长度应是纤维临界握裹长度的二倍。同样材料的纤维，圆形、光滑表面纤维的临界长径比比不规则矩形、表面粗糙纤维的临界长径比要大。
4聚丙烯纤维发生作用的条件
聚丙烯纤维作用的机理无论如何解释，都是建立在纤维能够在混凝土中呈均匀、乱向分布的状态基础之上的。聚丙烯纤维在混凝土中的作用能否得以充分发挥，从以下三个方面来理解：
4.1聚丙烯纤维由于在生产工艺过程中对其表面采用不同活性剂配合进行处理，遇水容易均匀分散，我们可以简单做个试验，将少量纤维放入装了清水的透明玻璃容器中进行搅动，可以从直观上发现纤维在水中呈立体悬浮状乱向分散状态，长时间放置且不会有太大变化，这是因为聚丙烯纤维密度小于水以及表面活性剂的作用，分散在水中的纤维会受浮力及受表面活性剂的影响，逐渐呈现较为明显的分层和扩散状态，此项观察办法和有人提出的“纤维层高稳定率”办法类同。
4.2掺入聚丙烯纤维的混凝土搅拌过程中，外力作用下使纤维与各种集料充分握裹，纤维进一步均匀分散，纤维对集料的握裹状况，是衡量纤维是否发挥作用的另一个关键因素，纤维应尽可能多的握裹集料，避免在受力或其它外界作用下被拔出或损伤。各类纤维由于生产工艺、制成标准不同，握裹集料的情况也会有所差异。如果加入纤维后的混凝土塌落度在某种程度上没有损失，粘聚性没有增强，说明这种纤维不是分散性不好就是握裹力差，纤维的作用基本上也无从谈起。
4.3聚丙烯纤维能够发挥作用，纤维本身的力学性能也是重要因素。如抗拉强度、拉伸极限、纤维均匀度、抗酸碱腐蚀和紫外光线的老化能力等。据纤维专家解释，抗拉强度和拉伸极限成一定的反比关系。而且这种关系要适当，并非纤维的抗拉强度特别高才能产生高的阻裂效用，纤维抗拉强度过大，可能会导致脆性加大；拉伸极限过大，在受力变形过程中又可能无法控制裂纹。一般纤维的拉伸极限15%左右，接近天然纤维，纤维的生产技术需要不断控制和改进，纤维的改性也表现在这一方面，拉伸极限指标是衡量纤维抗裂性能优劣的一种重要指标。不同品种纤维因弹性模量、抗拉强度、长径比、掺量等差异，在混凝土中阻裂效应的作用机理和效果也不尽相同。
5 聚丙烯纤维混凝土的相关性能
60年代初期，英国开始将少量的聚丙烯膜裂纤维(≤0.05%)掺入混凝中用于工程施工，70年代，美国大力开发丝束相连的膜裂聚丙烯纤维，与此同时其它纤维增强水泥基复合材料也相应发展起来，钢纤维、玻璃纤维、合成纤维等纤维材料应用于水泥混凝土中，有效改善混了凝凝土的抗裂、抗渗、抗冻、抗耐磨、抗疲劳等综合性能，延长混凝土的使用寿命。聚丙烯纤维用于混凝土中，以价格低廉、掺加工艺简单、化学耐蚀力高、原料来源广、性能优异等特点，近年来得到建筑行业一致好评，并在国内外得到广泛推广应用。武警水电第二总队和兄弟单位近年来承建的三峡工程、洪家渡水电站、西龙池抽水蓄能电站，以及目前承建的河南国网宝泉抽水蓄能电站等均采用了聚丙烯纤维混凝土，且得到成功应用。下面参照河南国网宝泉抽水蓄能电站上水库副坝防渗面板混凝土施工中使用的美国希尔兄弟化工公司生产的混凝土专用聚丙稀纤维(杜拉纤维)，对聚丙烯纤维混凝土有关性能进行探讨。
5.1抗裂性能
聚丙烯纤维的阻裂效应主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展，简单的理解可认为，是通过聚丙烯纤维提高了早期混凝土的抗拉强度实现的，聚丙烯纤维钝化了原生裂隙尖端的应力集中，使介质内的应力更加连续和均匀所至。当纤维的拉应力大于纤维与混凝土界面的粘结强度或大于纤维的抗拉强度时，纤维才可能被拔出或拉断。因此，这部分延续增加的挠度基本上是纤维发挥的作用，也就是纤维对试件材料韧性的提高。在河南国网宝泉抽水蓄能电站副坝防渗面板混凝土施工前对聚丙烯纤维混凝土做了相应的对比试验，表1为聚丙烯纤维混凝土抗裂性能测试成果；图1、图2为河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室在进行聚丙烯纤维混凝土收缩裂缝试验时的对比照片。从图 1、图2 可以分析出在相同的环境条件下，掺聚丙烯纤维混凝土试件相比基准试件抗塑性开裂性能要高。
表1
测试单位 纤维规格 体积掺量(磅/立方码) 裂纹减少量(%) 说明
美国加州罗未达.韦尔瑞克工程及检测公司 3/16〞 0.75(0.6公斤/立方米) 76.6 抗裂性能提高在70%以上。
河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室 3/4〞 掺量 纤维类型 裂缝降低系数 限裂效能等级
0.6Kg/m3 掺杜拉纤维 86.3% 一级
掺格雷斯纤维 81.8% 一级
掺博赛特纤维 81.7% 一级
5.2抗渗性能
混凝土中掺入聚丙烯纤维后，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量聚丙烯微纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面析水与集料离析，从而降低混凝土中直径为50～100纳米和＞100 纳米的孔隙含量，避免了连通毛细孔的形成，因而提高了混凝土的抗渗性能。一般来说， 只有100纳米以上的孔隙才对抗渗性有害，小于50纳米的孔数量的多少可能反映出凝胶数量的多少，水化产物多，则抗渗性好。试验表明聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土的抗渗能力提高了60～70%。表2为掺聚丙烯纤维混凝土抗渗性能测试成果。
表2
测试单位 试件说明 水位迁移量(毫升) 说明
2天 7天 21天 28天 总数 %
美国 普通混凝土试验样 0 1.0 1.7 2.6 5.3 100 添加纤维后抗渗性能提高62%
掺杜拉纤维混凝土试样 0 0 0.4 1.6 2.0 38
国家建筑材料测试中心 渗水高度(mm) 掺杜拉纤维混凝土试件(体积掺量0.05%) 无纤维对比组 添加纤维后抗渗性能提高70%
15 50
郑州大学建筑工程材料检测中心 在1.2Mpa水压下试件渗水高度(mm) 杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 混凝土对比组
26 34 45
5.3抗冻性能
在混凝土中加入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止温度裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。表3为掺聚丙烯纤维混凝土抗冻性能测试成果。
表3
测试单位 快速冻融试验后混凝土试件动态弹性模量(Ed)的变化比较
美国Law工程测试公司 试件组别 起始Ed(Mpa) 最终Ed(Mpa) Ed保留率(%)
素混凝土 37080 4800 12.9
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.05%) 35780 22780 63.7
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.1%) 35900 29860 83.2
国家建筑材料测试中心 50次冻融循环后混凝土抗压强度变化比较
无纤维对比组 -6.3%
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.05%) -0.4%
杜拉纤维混凝土(体积掺量0.1%) +0.6%
郑州大学工程材料检测中心 抗冻性能(50次冻融循环后相对动弹模)
混凝土对比组 72%
杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 81%
杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 85%
5.4强度性能
聚丙烯纤维混凝土從不同程度上可以改善抗压、抗折、抗剪、劈裂抗拉强度。表4为聚丙烯纤维混凝土强度性能测试成果。
表4
测试单位 试件组别 抗压强度(Mpa) 抗折强度(Mpa) 劈裂抗拉强度(Mpa) 抗剪强度(Mpa) 静态弹性模量(Gpa)
美国 普通混凝土 23.72 3.65 2.90 \
杜拉纤维混凝土(0.68Kg/m3) 24.48 3.90 3.17 \
郑州大学建筑工程材料检测中心 混凝土对比组 35.3 3.35 2.68 6.35 3.06
杜拉纤维混凝土(0.6Kg/m3) 36.1 3.56 2.83 7.01 3.11
杜拉纤维混凝土(0.9Kg/m3) 36.6 3.69 2.95 7.54 3.14
5.5其它性能
经过大量试验论证，聚丙烯混凝土抗收缩性、抗冲击性、抗疲劳性、耐火性、和易性、抗碳化及抗碱骨料反应性性能均要优于普通混凝土。近年来工程技术人员通过聚丙烯混凝土性能进行研究测试，对聚丙烯纤维混凝土也存有另类说法： “聚丙烯纤维的弹性模量低(约为混凝土的1/10)、具有一定的增稠作用和弱界面效应，都是对混凝土强度不利的因素，但由于聚丙烯纤维在混凝土中常用的体积掺量很低，以上不利因素对混凝土强度的影响并不显著。许多试件的测试结果也表明，掺入聚丙烯纤维对混凝土的强度无显著影响或使混凝土的强度稍有降低”。河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室试配的C5W4F200基准混凝土28d抗压强度为34.0Mpa，掺杜拉聚丙烯纤维混凝土28d抗压强度为33.2Mpa。聚丙烯纤维在对混凝土抗压强度是否起着增强或降强作用，笔者认为都是微乎其微的，它的主要作用应该体现在：阻裂、提高抗拉强度、提高基体的变形能力。今后的研究方向应是，聚丙烯纤维和钢纤维的复合效应、聚丙烯纤维对高强高性能混凝土性能的影响、聚丙烯纤维和硅灰或粉煤灰等活性混合材的复合效应、以及对纤维使用效果的评价方法等。对聚丙烯纤维混凝土的研究，除了用室内小试件进行性能评价，更应注重观察实际工程的应用效果。
6结 语
从现代建筑和可持续发展观点看，需要发展高性能混凝土，聚丙烯纤维是当前水泥基材料的主要发展方向。在我国，随着高强、高性能混凝土的广泛使用，聚丙烯纤维混凝土日臻完善的技术及聚丙烯纤维逐步国产化，聚丙烯纤维将成为改善混凝土性能有效手段之一，聚丙烯纤维混凝土在现代建筑中会呈现出良好的发展势态，应用前景会更加广阔，聚丙烯纤维混凝土也将会成为工程界一段时间内热衷研究的课题。
参考文献：
[1] 河南国网宝泉抽水蓄能电站现场试验室检测资料赵云北
[2] 国家建筑材料测试中心测试数据
[3] 郑州大学建筑工程材料检测中心检测资料
[4] 关于聚丙烯纤维对混凝土性能影响的几点认识曹诚 刘兰强
[5] 北京特希达科技有限公司
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。