聚丙烯纤维混凝土在工业建筑中的应用

摘  要：聚丙烯纤维混凝土能有效提高混凝土抗裂性能，抗冲击和耐磨性能。本文结合某超长工业建筑聚丙烯纤维混凝土应用实例，浅析了聚丙烯纤维混凝土工作性能及特点

关键词：聚丙烯纤维、裂缝、混凝土

1、   引言

混凝土是一种抗压强度大而抗拉强度相对较低的脆性材料。随着现代建筑技术的不断发展，对混凝土提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、环保型方向发展。一般来说，在水泥基体中随机分布一些纤维是提高混凝土的韧性、耐冲击性、抗渗性及耐收缩断裂性的有效途径。各种可用纤维，如钢纤维、合成纤维、天然纤维等已被应用于混凝土。

我国以往对钢纤维增强混凝土的研究和应用较多。近年来，合成纤维作为次级增强材料在混凝土工程中的应用日益增多。在合成纤维中：聚丙烯（PP）纤维由于具有耐化学腐蚀、强度高、加工性好、质量轻、蠕变收缩小、价格低廉和在低掺量下对混凝土的抗裂增韧效果显著等优良的技术经济性能，因而在建筑工程中得到越来越广泛的应用。国家标准《纤维混凝土结构技术规程》CECS38:2004已将合成纤维列入相关条文^[2]。

2、   聚丙烯凝土的工作性能

2.1聚丙烯纤维又称PP改性纤维，经过改性的聚丙烯纤维掺入混凝土中，在很小的掺量的情况下，就可取得显著的抗裂效果。原因在于聚丙烯纤维高度分散于混凝土基体中，每根纤维表面又有许多原纤化的微纤，在混凝土产生裂纹源之后，高度分散的纤维以及每条纤维表面、两端的微纤可以在混凝土基体中充分发挥搭接作用和牵制作用，在混凝土内部构成一种乱向支撑体系，起到“次级加强筋”的效果，从而有效抵制裂纹的进一步扩展。例如体积掺量只有0.05%的杜拉纤维（Durafiber）增强混凝土，抗裂能力可提高近70%。

2.2 提高混凝土的抗冲击性能

提高混凝土的抗冲击性能是纤维增强混凝土的共同特点。在一定范围内，随着纤维掺量增高，混凝土抗冲击强度也将提高。与其他纤维相比，经过改性的聚丙烯纤维对混凝土的增韧效果更加显著，往往在掺量非常小时就能大幅度提高混凝土抗冲击性能，纤维与水泥基集料有极强的结合力，在混凝土内构成的分布均匀的乱向支撑体系有助于提高混凝土受冲击时动能的吸收。

2.3 提高混凝土抗冻性能

与普通混凝土相比，掺入聚丙烯纤维后混凝土抗冻性能可以得到提高，原因在于混凝土中掺入聚丙烯纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部的温度应力，当初始裂纹发生后，可以阻止温度裂缝的进一步发展。因此，在混凝土中掺入聚丙烯纤维可作为一种有效的混凝土温度补偿抗冻手段。

3、   工程应用

3.1 概述

某工业建筑长×宽为219m×45m，为沿海软土地基上的单层工业厂房，上部为钢结构，生产工艺要求地面下沉量极小，因此地面设计采用钢筋混凝土架空地面，基础采用PHC管桩，建筑高度32m，单跨跨度45m，生产工艺要求地面耐磨、抗冲击，不允许设置变形缝，建筑物长度219m，大大超过《混凝土结构设计规范》GB50010-2002关于伸缩缝最大间距的规定[1]。

3.2 设计技术措施

3.2.1 设计方案及材料选择

为满足生产工艺地面耐磨抗冲击、超长无缝的要求，设计选用C30砼，200厚钢筋混凝土地面，配双层受力钢筋网。间隔40m设一道1m宽微膨胀混凝土后浇带，后浇带混凝土强度等级提高一级为C35混凝土。为了提高混凝土的耐磨、抗冲击性以及抵抗温度变形能力，设计对在混凝土中掺入钢纤维和聚丙烯纤维进行技术性能和经济性对比分析，认为：钢纤维混凝土的钢纤材料，热膨胀性能、导温性能远大于混凝土，而且容重大，与混凝土搅拌均匀性差，施工困难，造价高，而采用聚丙烯纤维能克服钢纤维的缺点；且与水泥基体相容性好，化学性能稳定，价格低廉，施工简易、无毒、环保，经济性优于钢纤维。

聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维。该纤维的特点是：直径小（10μm-100μm）、数量多、易分散，但弹性模量较低（3.5Gpa-3.8Gpa）。在混凝土中的通常用法是以较低的掺量直接投入混凝土拌合物中，依靠拌合物自身的摩擦和揉搓作用使纤维分散。由于聚丙烯纤维具有直径小、数量多、纤维间距小等特点，因而能减少混凝土因塑性、温度及干缩等作用因素引起的裂缝，通常把聚丙烯纤维当作混凝土的防裂纤维或“次要增强筋”使用，聚丙烯纤维能提高混凝土的整体性、改善使用功能，提高混凝土抗冲击性能。本工程聚丙烯纤维掺量为1kg/m³。

3.2.2 聚丙烯纤维的物理性能

混凝土专用聚丙烯纤维的性能如下：

材料：聚丙烯（PP）	耐酸碱性：极高
密度：0.9(g/cm3)	安全性：无毒材料
熔点：165～170℃	拉伸极限：≤30%
长度：4～17mm	抗拉强度：≥300MPa
含湿量：0.2%	弹性模量：≥3795MPa
吸水性：无	导性、导热：极低

3.2.3聚丙烯纤维混凝土抗裂、抗冲击性能指标

由于聚丙烯纤维是一种较低弹性模量纤维，纤维自身柔韧性很好，且能很好地分布在混凝土中，形成一种三维乱向支撑网。在单体与单体内部形成一种“桥梁”结构，它能增大混凝土成型过程中单体之间的吸附力，又能很好地吸收基底、模板和钢筋在成型过程中产生的拉应力。所以在混凝土中掺入少量的聚丙烯纤维能很好地阻止在混凝土浇捣成型过程中裂缝的产生，从而对提高混凝土的抗裂性有很好的效果，并且随着掺入量的适当增加其抗裂效果会更好。表1是素混凝土和不同体积掺量聚丙烯纤维混凝土的抗裂实验结果。

表2是钢球冲击法测得的素混凝土与聚丙烯纤维混凝土抗冲击性的实验结果。

表1

表2

试件类别	素混凝土	聚丙烯纤维混凝土 (Vr=0.05%)	聚丙烯纤维混凝土 (Vr=0.1%)
试件出现初裂的冲击次数	30	89	103
试件破坏时的冲击次数	37	98	114

3.3 施工工艺

聚丙烯纤维混凝土的搅拌与普通混凝土相似，搅拌时间以纤维能在混凝土中均匀分布为度，本工程采用泵送施工，使用插入式振动器进行振实，振动频率和时间以能使拌合物中所含空气充分逸出为准，振捣对振捣器移动间距控制为30-40cm，上层应插入下层50mm；由于聚丙烯纤维混凝土的粘性很大，为了提高楼地面混凝土的密实性，板面使用二次振捣施工工艺，20-30min后进行复振。

聚丙烯纤维混凝土的养护工艺同普通混凝土相同。本工程施工中避开高温季节，加强早期保水养护工作，在混凝土压光抹面后，立即覆盖塑料薄膜养护，待混凝土达到终凝后，再加盖麻袋，浇水养护，保证纤维混凝土面处于温润状态。

3.4 工程质量情况

3.4.1 工程施工前分别对C30、C35混凝土进行了掺与不掺聚丙烯纤维的对比实验。实验结果表明：

掺入聚丙烯纤维会降低混凝土的坍落度，但仍能较好的满足施工要求；聚丙烯纤维对不同龄期的混凝土强度会有一定的降低，但降低幅度在4%以内，不会显著降低混凝土的强度。

3.4.2 通过现场检测，纤维混凝土坍落度在120mm左右，满足设计要求；和易性好，不影响泵送混凝土的施工；同时，在混凝土浇灌中观察，纤维均匀分散，与混凝土各种骨料紧密为一体，混凝土凝固后可发现混凝土基面布满无数细小的纤维。

本工程为超长结构现已进入工程验收阶段，经过台风、暴雨、暴晒等恶劣气候的考验，楼面板均未发现因混凝土收缩膨胀而引起的微裂缝，无渗漏痕迹，效果良好。

3.5总结

从以上工程的使用情况可以看出，聚丙烯纤维混凝土的抗裂性好，抗渗效果也好。聚丙烯纤维因其施工方法、养护工艺和依据的施工规范都和普通混凝土相似，对混凝土骨料、外加剂、掺合料、水泥的使用都不会产生冲突，对施工设备也没有特别的要求，不需要特殊的操作工艺，使用起来极为方便；聚丙烯纤维在混凝土中是完全的物理作用，使用起来很容易控制其效果；聚丙烯纤维对混凝土的塌落度没有多大的损失，施工不会受到明显的影响；产品对人无毒害作用。

4、   结束语：

4.1 聚丙烯纤维混凝土最大的优点是大幅度的减少砼裂缝，在混凝土中掺入1kg/m³，改性聚丙烯纤维能有效地提高混凝土抗渗性能及抗裂性能。

4.2聚丙烯纤维混凝土施工方便，不改变普通混凝土的配合比，易于搅拌，易于泵送混凝土的施工。

4.3 聚丙烯纤维混凝土特别适用于有抗冲击和耐磨要求的工业建筑楼地面中，在超长工业建筑中使用聚丙烯纤维混凝土也是行之有效的抗裂措施之一。