聚丙烯纤维

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聚丙烯纤维在混凝土中的作用

一、混凝土的性能
混凝土属于脆性材料，裂缝作为其致命性因素影响了混凝土的应用。一直以来，裂缝被认为是混凝土构件不可避免的，尤其是非结构裂缝被认为不影响混凝土构件的安全可靠性。然而，现今人们对混凝土这一应用最广泛、最主要的建筑材料有了更高的安全性、耐久性及可靠性的要求。随着高层超高层建筑的兴起、高标号混凝土的应用，怎样有效的防治混凝土中裂缝的产生成为人们现今特别关注的问题。
混凝土结构在设计荷载或其他外力作用下引起的结构裂缝可用增大截面尺寸等设计的方法来控制，但混凝土的非结构裂缝却一直难以解决。目前混凝土结构中的裂缝绝大部分属于微裂缝：混凝土由于水泥石脱水收缩（干缩）、水泥水化引起内外温差（温缩）、水泥水化过程中的体积变形（化学收缩）等材料、自然环境因素引起的微裂隙虽然不会影响结构使用，但此种塑性收缩裂缝一般贯穿整个构件或板块，使混凝土达到其设计强度前就形成薄弱面而降低其整体性、耐久性，降低结构的抗渗、抗冻、抗冲击等功能。
1965年Goldfein建议用聚丙烯纤维作为混凝土的掺和料，建造美军工兵部队的防爆建筑，它的研究包括在砂浆及水泥净浆中掺入各种天然纤维及人造纤维。这之后，全世界各国便开始关注纤维对混凝土性能的作用。
二、纤维性能和基体性能
1、纤维分类
总的来说，如果按弹性模量可将纤维分为两大类：弹性模量小于水泥基体的纤维被称为柔性纤维，如纤维素纤维、尼龙纤维和聚丙烯纤维；弹性模量大于基体的纤维被称为刚性纤维，如石棉纤维、玻璃纤维、钢纤维、碳纤维等。纤维的具体性能如表1

纤维名称	相对密度	抗拉强度（MP）	弹性模量(MP)	泊桑比	极限延伸率（%）
聚丙烯单丝	0.91	400～650	0.5～0.7	-	18
尼龙纤维	1.1	665.8～1331.5	2.2～6.6	-	15～25
石棉纤维	2.60	500～1800	15.0～17.0	2.0～3.0	-
碳纤维	1.99	1400～2100	38.5～45.5	0.20～0.40	0.4
不锈钢纤维	7.80	2100	15.4～16.8	-	3.0
玻璃纤维	2.70	1400～2500	7.0～8.0	0.22	2.0～3.5

2、两类纤维的比较
2.1、柔性纤维
柔性纤维易发生较大的徐变，这表明对于有裂缝的复合材料承受持久的较高应力，在一段时间内将产生显著伸长或很大挠度。因此，此纤维多用于要求基体不裂或有瞬时应力的场所。此类纤维在混凝土中的主要功能是作为材料的抗裂、防渗、增韧的手段。
柔性纤维抗折强度高，不会因各种外力作用而容易断裂，不会在与混凝土拌和或施工中对机械设备产生磨损，在纤维混凝土生产、施工中较刚性纤维优越。
2.2、刚性纤维
柔性纤维能够提高混凝土韧性、抗冲击性能、抗热爆性能等与韧性有关的物理性能。刚性纤维不仅能提高上述性能，还能使混凝土的抗拉强度和刚性有较大提高。这两类纤维被应用于不同的场合。但柔性纤维较刚性纤维应用更广泛。
2.2.1、钢纤维是发展最早的一种纤维，但它应用领域较合成纤维小，主要是因为钢纤维易锈蚀，在混凝土搅拌和泵送过程中对设备有磨损，且成本较高。
2.2.2、玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时间以后，其强度和韧性会有大幅度下降，且玻璃纤维的耐碱性低，使其应用受到一定限制。
2.2.3、碳纤维是新开发的一种高性能纤维，具有弹模、抗拉强度高，化学性能稳定等特点，但碳纤维生产成本高，不适合大规模推广应用。
2.3、泊桑比控制着纤维与基体界面的侧向拉应力，如果超过纤维与基体粘结力，纤维便会被拔出。在实际应用中，柔性纤维常常将短纤维采用三维乱向分布，以减少纤维未发挥作用便被拔出的概率；对于刚性纤维，如钢纤维、玻璃纤维等，除非表面积很大，否则也需要增加机械粘结以免拔出。解决办法有：将钢纤维制成变截面或端部弯曲的；玻璃纤维在水泥浆中浸泡一段时间后再使用。纤维的弹性模量高则不但可以抑制混凝土微裂缝的产生，还能承担更大部分的拉应力，分担受力钢筋的一部分应力，提高混凝土结构的抗拉强度。
3、纤维性能
因为纤维在混凝土中的作用是纯物理作用，从理论上讲，控制纤维混凝土材料性能的主要因素是纤维及基体的物理性能，以及两者之间的粘结强度。某些纤维如矿棉、玻璃纤维与大多数植物纤维都要求水泥基体具有低碱度，以延缓混凝土基体碱化产物对纤维的化学侵蚀，但是这种要求在实际中是难以满足的。可以说，混凝土的碱性环境影响着玻璃纤维及钢纤维的耐久性。而低弹模的合成纤维具有良好的自分散性和极高的抗碱性，对水泥基体本身并无特殊要求，在低弹模纤维中因为聚丙烯纤维具有应用时不需要对原有技术路线和施工工艺作任何改变的特点，以及它的高抗碱性等优点，使聚丙烯纤维得到设计施工部门极大关注和广泛使用，本文也主要介绍聚丙烯纤维混凝土的性能。