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摘 要：本文分析了使用聚丙烯纤维来改善水泥混凝土路用性能的优点，阐述了聚丙烯纤维水泥混凝土配合比设计的注意事项，对聚丙烯纤维改善水泥混凝土的强度和耐久性能进行了试验研究与分析。
关键词：聚丙烯纤维；水泥；混凝土
1. 引言
作为一种低弹性模量的纤维，聚丙烯具有价格低、强度大，无污染等特点，近年来，其作为混凝土加强筋的研究和应用发展都比较快。
聚丙烯纤维对混凝土有明显的增强、增韧、阻裂和提高耐久性的作用，可以广泛用于路面、桥面、屋顶、码头、堤岸等经受动荷载作用或需要较高耐久性的工程结构。
本文通过对聚丙烯纤维混凝土进行了试验研究，确定其在改善水泥混凝土路用性能方面的作用。
2. 聚丙烯纤维水泥混凝土配合比设计
聚丙烯是由丙烯（化学式CH3—CH=CH2）聚合而成的高分子化合物，是一种结构规整的结晶聚合物，乳白色、无味、无臭、无毒、质轻的热塑性塑料。与高弹性模量的钢纤维相比，柔性低弹性模量（Ef / Ec<1）的聚丙烯纤维对于混凝土的增强和增韧等机理，以及其对混凝土配合比的影响都有所不同。人们在实践中逐渐总结出如下的配合比经验：
（1）低掺量提高混凝土性能，高掺量降低混凝土性能
较低含量（约低于2kg/m3，体积掺率0.2%）的聚丙烯纤维由于分布较均匀，在混凝土浇注中起到了类似筛网的作用，减缓了粗粒料的快速下沉和游离水的上升，降低了混凝土失水速率，防止混凝土快速失水产生裂缝，延缓了初始塑性收缩裂缝出现的时间；同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展，使裂缝变成多而窄的多发形态。为此，较低的纤维掺量可以在稍提高或不降低混凝土的强度（视不同纤维与混凝土的界面粘结力而不同）的前提下提高混凝土的耐久性和韧性，但是，聚丙烯纤维与水泥基体间的界面粘结力远小于钢纤维与水泥基体之间的粘结，更高的掺量将大大增加硬化混凝土的薄弱界面，抵消其在混凝土中的积极作用，显著降低混凝土的抗折和抗压强度。
（2）低剂量掺入不改变基本混凝土集料配合比
在聚丙烯纤维混凝土中，主要材料成分仍然是水泥和各种集料所构成的混凝土，低掺量掺入的柔性的短纤维对集料空隙率基本无影响或不会显著影响混合料的集料骨架，因此低掺量的聚丙烯纤维混凝土不需要改变集料配合比。
（3）聚丙烯纤维混凝土需要略提高水泥用量和水灰比
由于聚丙烯纤维具有良好的自分散性和极高的化学稳定性，不必对水泥基体的性质提出额外的要求，但即使是低掺量掺入的纤维也具有较大的表面积（长度19mm的美国GoodRoad网状纤维，以1kg/m3的剂量掺入，经搅拌，约会分布成700万根），需要更多的水泥浆形成裹覆。
3. 聚丙烯纤维水泥混凝土强度试验
本文对分别掺加了四种聚丙烯纤维（聚丙烯单丝纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯网状纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维）及不掺纤维的普通混凝土进行了混凝土的抗折强度和抗压强度的对比试验，试验中对各种混凝土进行了编号，编号0#代表没有掺加纤维的普通混凝土，编号1#～4#分别代表掺加了聚丙烯单丝纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯网状纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维的混凝土。对比试验为同配合比、同条件养生的含不同种类纤维的聚丙烯纤维混凝土及普通混凝土的抗折和抗压强度。试验结果如表1所示。
通过表1的试验结果表明聚丙烯纤维混凝土的强度受以下条件的影响：
（1）纤维的用量
聚丙烯纤维在混凝土中存在明显的最佳用量范围，且对于抗折强度和抗压强度，此范围基本重叠。
（2）纤维短束是否能在拌和中充分展开成网
只有强制拌和纤维束与骨料的干混合料才能保证纤维真正的网状分布。
（3）是否能达到与普通混凝土同样的密实度
纤维增稠后的混凝土需要稍延长振捣时间才能达到与普通混凝土同样的密实度。
（4）聚丙烯纤维的表面特性
尽管聚丙烯纤维在生产时，其表面会进行过特殊处理，但是聚丙烯纤维的不亲水性，使其在掺入混凝土后引入纤维—基材薄弱界面，造成抗折与抗压强度的降低。此薄弱界面对于内部拉应力传递的不利影响大于剪应力传递的影响，使抗折强度的降低比抗压强度的降低更明显，或抗折强度的提高没有抗压强度提高的多。
（5）聚丙烯纤维的弹性模量
聚丙烯纤维经过表面处理，其表面与混凝土基材具有足够的握裹能力，但是较低弹性模量的纤维对于提高混凝土的强度是起不到作用的。形象地看就是在混凝土中掺入橡皮筋，即使混凝土构件已经拉断了，橡皮筋还没有使上劲。
以上五条的分析大部分对于混凝土的强度提高是不利的，但是试验表明混凝土的强度确实得到了提高，这种现象目前大多数研究人员都认为是由于乱向分布的短单丝纤维或纤维网约束了混凝土内部的初始干缩微裂纹，进而使得硬化后的混凝土内部的缺陷更少而起到的贡献。
表1 聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土强度对比
4. 聚丙烯纤维水泥混凝土耐久性试验
本文按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE 30-2005）中（T0568-2005）和（T0565-2005）进行水泥混凝土的抗渗性和抗冻性试验，对比上述四种聚丙烯纤维同样养护条件的抗渗等级、动弹性模量及质量变化率，试验结果如表2、表3、表4所示。
表2 聚丙烯纤维混凝土抗渗性试验结果
表3 聚丙烯纤维混凝土相对动弹性模量变化
表4 聚丙烯纤维混凝土质量损失率变化
抗渗性试验结果表明聚丙烯纤维混凝土达到抗渗标号S11，具有较高的抗渗性，满足路面防水混凝土的设计要求和在我省高寒环境中的耐久性要求。
在整个试验过程中，所有试件的相对动弹性模量都下降。试验表明，由于相对动弹性模量降低至60%以下而结束试验的2#和4#混凝土，其质量减少率均没有超过5%。另外，经过50次冻融循环，五种混凝土试件的相对动弹性模量均下降至95%左右。
通过上述理论与试验分析，表明聚丙烯纤维在改善路面混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性等路用性能方面都有较好的效果。■
关键词：聚丙烯纤维；水泥；混凝土
1. 引言
作为一种低弹性模量的纤维，聚丙烯具有价格低、强度大，无污染等特点，近年来，其作为混凝土加强筋的研究和应用发展都比较快。
聚丙烯纤维对混凝土有明显的增强、增韧、阻裂和提高耐久性的作用，可以广泛用于路面、桥面、屋顶、码头、堤岸等经受动荷载作用或需要较高耐久性的工程结构。
本文通过对聚丙烯纤维混凝土进行了试验研究，确定其在改善水泥混凝土路用性能方面的作用。
2. 聚丙烯纤维水泥混凝土配合比设计
聚丙烯是由丙烯（化学式CH3—CH=CH2）聚合而成的高分子化合物，是一种结构规整的结晶聚合物，乳白色、无味、无臭、无毒、质轻的热塑性塑料。与高弹性模量的钢纤维相比，柔性低弹性模量（Ef / Ec<1）的聚丙烯纤维对于混凝土的增强和增韧等机理，以及其对混凝土配合比的影响都有所不同。人们在实践中逐渐总结出如下的配合比经验：
（1）低掺量提高混凝土性能，高掺量降低混凝土性能
较低含量（约低于2kg/m3，体积掺率0.2%）的聚丙烯纤维由于分布较均匀，在混凝土浇注中起到了类似筛网的作用，减缓了粗粒料的快速下沉和游离水的上升，降低了混凝土失水速率，防止混凝土快速失水产生裂缝，延缓了初始塑性收缩裂缝出现的时间；同时，在混凝土开裂后，纤维的抗拉作用阻止了裂缝的进一步发展，使裂缝变成多而窄的多发形态。为此，较低的纤维掺量可以在稍提高或不降低混凝土的强度（视不同纤维与混凝土的界面粘结力而不同）的前提下提高混凝土的耐久性和韧性，但是，聚丙烯纤维与水泥基体间的界面粘结力远小于钢纤维与水泥基体之间的粘结，更高的掺量将大大增加硬化混凝土的薄弱界面，抵消其在混凝土中的积极作用，显著降低混凝土的抗折和抗压强度。
（2）低剂量掺入不改变基本混凝土集料配合比
在聚丙烯纤维混凝土中，主要材料成分仍然是水泥和各种集料所构成的混凝土，低掺量掺入的柔性的短纤维对集料空隙率基本无影响或不会显著影响混合料的集料骨架，因此低掺量的聚丙烯纤维混凝土不需要改变集料配合比。
（3）聚丙烯纤维混凝土需要略提高水泥用量和水灰比
由于聚丙烯纤维具有良好的自分散性和极高的化学稳定性，不必对水泥基体的性质提出额外的要求，但即使是低掺量掺入的纤维也具有较大的表面积（长度19mm的美国GoodRoad网状纤维，以1kg/m3的剂量掺入，经搅拌，约会分布成700万根），需要更多的水泥浆形成裹覆。
3. 聚丙烯纤维水泥混凝土强度试验
本文对分别掺加了四种聚丙烯纤维（聚丙烯单丝纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯网状纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维）及不掺纤维的普通混凝土进行了混凝土的抗折强度和抗压强度的对比试验，试验中对各种混凝土进行了编号，编号0#代表没有掺加纤维的普通混凝土，编号1#～4#分别代表掺加了聚丙烯单丝纤维、聚丙烯腈纤维、聚丙烯网状纤维和束状绞联增强聚丙烯纤维的混凝土。对比试验为同配合比、同条件养生的含不同种类纤维的聚丙烯纤维混凝土及普通混凝土的抗折和抗压强度。试验结果如表1所示。
通过表1的试验结果表明聚丙烯纤维混凝土的强度受以下条件的影响：
（1）纤维的用量
聚丙烯纤维在混凝土中存在明显的最佳用量范围，且对于抗折强度和抗压强度，此范围基本重叠。
（2）纤维短束是否能在拌和中充分展开成网
只有强制拌和纤维束与骨料的干混合料才能保证纤维真正的网状分布。
（3）是否能达到与普通混凝土同样的密实度
纤维增稠后的混凝土需要稍延长振捣时间才能达到与普通混凝土同样的密实度。
（4）聚丙烯纤维的表面特性
尽管聚丙烯纤维在生产时，其表面会进行过特殊处理，但是聚丙烯纤维的不亲水性，使其在掺入混凝土后引入纤维—基材薄弱界面，造成抗折与抗压强度的降低。此薄弱界面对于内部拉应力传递的不利影响大于剪应力传递的影响，使抗折强度的降低比抗压强度的降低更明显，或抗折强度的提高没有抗压强度提高的多。
（5）聚丙烯纤维的弹性模量
聚丙烯纤维经过表面处理，其表面与混凝土基材具有足够的握裹能力，但是较低弹性模量的纤维对于提高混凝土的强度是起不到作用的。形象地看就是在混凝土中掺入橡皮筋，即使混凝土构件已经拉断了，橡皮筋还没有使上劲。
以上五条的分析大部分对于混凝土的强度提高是不利的，但是试验表明混凝土的强度确实得到了提高，这种现象目前大多数研究人员都认为是由于乱向分布的短单丝纤维或纤维网约束了混凝土内部的初始干缩微裂纹，进而使得硬化后的混凝土内部的缺陷更少而起到的贡献。
表1 聚丙烯纤维混凝土与普通混凝土强度对比
4. 聚丙烯纤维水泥混凝土耐久性试验
本文按《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE 30-2005）中（T0568-2005）和（T0565-2005）进行水泥混凝土的抗渗性和抗冻性试验，对比上述四种聚丙烯纤维同样养护条件的抗渗等级、动弹性模量及质量变化率，试验结果如表2、表3、表4所示。
表2 聚丙烯纤维混凝土抗渗性试验结果
表3 聚丙烯纤维混凝土相对动弹性模量变化
表4 聚丙烯纤维混凝土质量损失率变化
抗渗性试验结果表明聚丙烯纤维混凝土达到抗渗标号S11，具有较高的抗渗性，满足路面防水混凝土的设计要求和在我省高寒环境中的耐久性要求。
在整个试验过程中，所有试件的相对动弹性模量都下降。试验表明，由于相对动弹性模量降低至60%以下而结束试验的2#和4#混凝土，其质量减少率均没有超过5%。另外，经过50次冻融循环，五种混凝土试件的相对动弹性模量均下降至95%左右。
通过上述理论与试验分析，表明聚丙烯纤维在改善路面混凝土抗冻性、抗氯离子渗透性等路用性能方面都有较好的效果。■