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[摘 要] 通过介绍混凝土专用聚丙烯纤维的研究与发展情况及国外对聚丙烯纤维用于混凝土规范，了解聚丙烯纤维工作机理和工程设计要求。
[关键词] 纤维混凝土 聚丙烯纤维 增强型 外掺料型 纤维网
1．前 提
纤维在提高混凝土性能方面扮演着日益重要的角色。混凝土的发展已有100多年历史，高强化在很长时间里是努力的目标，被认为是优质混凝土的特征。但是混凝土是一种脆性材料，韧性差，抗疲劳能力低，易产生裂纹，抗冲击碎裂性差，这种问题不是因为强度不够，而是耐久性不够。多年来，工程技术人员从原材料、配合比、外加剂、制造工艺、养护工艺等多方面加以研究改进，虽取得了一些成效但不理想，因此，混凝土的高性能化才是解决问题的关键。
中国工程院院士吴中伟教授认为：复合化是水泥基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心。自70年代，纤维增强水泥复合材料发展起来，钢纤维、玻璃纤维已较早地应用于混凝土，可以从多方面改善混凝土的性能，关于钢纤维、玻璃纤维应用领域和使用情况已趋于明确，我国于1992年颁布了钢纤维的设计使用标准规范。随着材料加工技术的进步，专用于混凝土的聚丙烯纤维研制成功，使纤维混凝土技术进入一个新的阶段。
2．纤维混凝土
纤维混凝土就是在混凝土拌合过程中加入一定量的纤维材料，通过纤维的密集分布来提高混凝土的性能。在民间，很早就把麦秆剁碎或用切断的发丝拌入泥浆中，建造土坯或挡墙，获得阻裂的效果。纤维混凝土的机理与其有一定的接近，纤维对混凝土的贡献是从抑制塑性开裂开始的。而纤维对混凝土性能的提高，必须具备以下几个主要条件：
(1) 分布均匀 (2) 与混凝土的握裹性强 (3) 材料本身抗腐蚀、抗碱集料反应强
(4)材质的抗拉强度好
这四个条件每个都是重要和必不可少的。需要说明的是，纤维对混凝土的作用不是为提高强度，而是通过达到上述的条件，来提高混凝土的抗裂、抗碎、抗渗水、抗折、抗冲击、抗疲劳等综合性能。钢纤维与合成纤维都对混凝土强度有提高，因材质不同钢纤维提高的要大。
钢纤维是最早应用于混凝土的，这自然源于钢筋混凝土的启发，随着纤维混凝土技术的发展的，人们把研究重点倾向于合成纤维，合成纤维成本低，当在混凝土中均匀分布后，能提供更好的韧性。混凝土是硬性材料，合成纤维是软性材料，这种钢柔相济的办法能提高混凝土坚韧性。在合成纤维中聚丙烯是最好的材料，耐腐蚀、抗碱反应。
3．用于混凝土的聚丙烯纤维
早在70年代，英国西部海岸的加固工程中，工程人员把切碎的聚丙烯掺入到混凝土中，用来砌成防护堤。许多工程技术人员都在进行聚丙烯纤维用于混凝土的研究。那时的试验结果或相互矛盾或不理想，这些试验结果一直被做为评定聚丙烯纤维的基础。人们一直认为聚丙烯无法对混凝土产生效果，而且这些顾虑现在依然存在，这是很不幸的。因为那些试验所使用的聚丙烯纤维，要么是聚丙烯废品回收后制成，要么是从纺织业中借用的，再者就是用剪断的包装带、绳子代替，这些材料根本无法解决上述纤维混凝土的四个要点，由于存在纤维本身的缠绕，在拌入混凝土中易结团，所以关于聚丙烯是否可用于混凝土一直存在争议。
80年代初期，美国军队工程师的混凝土专家为解决军用混凝土工事在受炮火攻击后的抗碎问题，同时也为解决军事工程的耐久性问题，他们测试研究了很多种材料和方法。最后确认，在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维效果最好，于是混凝土专家与美国最大的化工产品企业──合成工业公司的聚丙烯材料专家共同研制用于混凝土的专用纤维，并于1984年成功研制出混凝土聚丙烯纤维──“FIBERMESH”，中文译为“纤维网”。这是世界第一种成功用于混凝土增强的聚丙烯纤维。
3.1纤维网
纤维网一种网状结构的聚丙烯纤维束，由美国纤维网砼公司及其国际代理机构拥有专利。它从各个角度解决了聚丙烯纤维用于混凝土所遇到的问题：
(1) 集束形网状结构在混凝土中拌和时先呈束状大面积分布，搅拌中期每束中的5-8个小束纤维分离出来，受骨料冲击后展开成网状，并随着搅拌冲击被撕开成不规则单丝，达到均匀分布的目的。这种被称之为“二次分布法”的均匀分布方式与某种同样可均匀分布的钉书针式排状钢纤维是一个原理。完全解决了分布均匀的问题。
(2) 与混凝土的握裹性问题，钢纤维以做成波浪状或两关弓形来解决握裹性问题，在合成类纤维中，有多种单丝纤维截面成圆形，纤维丝面光滑，无法达到良好的握裹性。纤维网在拌和时撕裂成丝，界面被撕成毛糙状，加上在纤化工程中使纤维截面成矩形，与混凝土有很强的握裹力。
(3) 由于众所周知聚丙烯拥有很高的耐腐蚀性，耐酸碱性极高，使之在混凝土中能保持原有的材质性能。
(4) 纤维网在本身材质强度上比其它类聚丙烯纤维更好，这是由于它加工工艺是一种纤化工艺，原料中不含再生链、烯、烃材料。在美国有80种以上聚丙烯原树酯。纤维网的原料是专家通过长期试验从其中精选出来的，加上特殊配方和纤化工艺。所以其抗拉强度可达700Mpa以上，而普通聚丙烯纤维约300Mpa左右。这些特点使纤维网在硬化混凝土中发挥作用。并能达到ASTMC-1116、ASTMC-1018规范中的要求，是目前聚丙烯纤维类唯一的增强型纤维，称之为“混凝土次要加强筋”。
3.2聚丙烯纤维的“增强型”与“外掺料型”
国外聚丙烯纤维的研究和应用较早，已颁布了使用规范并对聚丙烯纤维的作用做了定义，简要介绍一下以助于工程使用和设计者在实际工作中对不同纤维的应用领域进行区分。
以聚丙烯为代表的合成纤维，因材质不同，使用性能不同，类别不同对混凝土的作用也不同，绝不能认为每一种聚丙烯纤维的作用是相同的。ASTMC-1116与ASTMC-1018确定标准并阐明了区别：即合成纤维（聚丙烯）掺入混凝土因对混凝土的作用不同而分为两种：
A．外掺料型纤维
仅用于在混凝土早期减少塑性收缩开裂，不起次要加强作用。
B．增强型纤维
在硬化的混凝土中控制温度与收缩裂缝，提供增强作用（称混凝土次要加强筋）。可代替焊接金属网用作组合桥面体系的裂缝控制系统。
ASTMC-1116Ⅲ类4.1.3节明确了聚丙烯纤维类型的区别标准，即纤维混凝土“一级韧性指数I5≥3”。
3.3增强型聚丙烯纤维──纤维网
纤维网在研制后于全球性持续做了一系列实验，以评定其应用价值，美国韦博特工程师协会，通过4年的研究试验，给出结论：纤维网除了有对混凝土其它性能提高外，对混凝土结构体有一个重大贡献：纤维网可以保护和延缓混凝土结构体主钢筋不受腐蚀，从而提高整体结构的寿命。这个论文发表于1991年在香港召开的“国际纤维混凝土会议”上。
美国权威建筑评估机构ICBO(International Conference of Building Officials)对纤维网规范认定为“增强型聚丙烯纤维”。证明在混凝土中含有0.1%体积量的纤维网时，其一级耐性指标I5为3.519。
4．增强型纤维用于铁路桥梁保护层
为维护铁路混凝土桥的耐久性，必须使防水层不被破坏，保持良好的防水性能，要求防水层不碎、不裂，设计使用增强型纤维混凝土──纤维混凝土增强，取代原钢丝网混凝土设计，使保护层有较高的抗拉强度、抗弯强度、抗冲击性、抗疲劳强度、耐磨、良好的韧性及抗裂止裂能力，在设计中曾用钢纤维取代了防裂金属网。
纤维混凝土的发展，使在设计中有了多重选择，参照国际规范，在新型铁路混凝土桥防水层保护层中首次设计了使用合成纤维：Fibermesh纤维网和耐碱玻璃纤维，依据和设计要求，这两种软纤维属增强纤维，满足施工要求，降低了材料成本，提高了施工简便性。
5．纤维网的应用
纤维网于1987年商品化以来，已在世界60多个国家广泛应用。美国的丹佛国际机场，共520万立方码的混凝土用量，从机场跑道到停机坪，全部加入纤维网，提高了工程质量。高68层约11.6万平方米的达拉斯联合银行大厦，在复合楼板中用聚丙烯纤维网代替了钢丝网结构，不仅提高了工程质量，还加快了工程进度。
1986年墨西哥大地震给政府带来了很大的损失，现在许多建设的大楼中在主体加入了纤维网，以提高抗震力和耐久性。
挪威最大的奥斯陆集装箱码头，货物吞吐量大，集装箱的撞击加海水的侵蚀，使码头经常需要修复，这又影响了经济效益。为提高抗撞击、耐磨性和抵御海水对混凝土的侵蚀，在修复工程中使用了纤维网混凝土。同样是地处北欧的冰岛，其环境气候世人共睹，政府指定用纤维网混凝土铺设桥面，以防止融和腐蚀，并取掉了防裂金属网，这样不但提高了桥面寿命，而且还节约了成本。
世界著名的英国希斯罗国际机场，在机场跑道停机坪中均使用纤维网，在机场外的汽车通道与停车场也加入了纤维网。
意大利Montalto中心工厂，铺设混凝土路面时要求不能有任何裂纹，设计者专赴美国考察，最终选择纤维网进行路面增强。香港的文化中心广场由三个建筑组成，“艺术博物馆”、“文化中心”和“太空博物馆”，在施工中加入纤维网提高工程质量。在香港国际机场附近的东港隧道的喷射混凝土施工中，用纤维网替代了钢纤维，节约了成本，混凝土的耐久性更好。
聚丙烯纤维在我国一直处于研究阶段，1996年，纤维网进入中国以来，已在中国数百个工程中得到应用，涉及道路、桥梁、水利大坝、机场、码头、电力工程、军事工程等。
位于西安市二环路的金花路高架桥、车流量大，为减少修复，提高质量，在桥面的混凝土铺装中加入纤维网，通车6年后，路面状况完好。
山海关船厂15万吨级修船坞坞室板表层原设计为70mm厚的钢筋混凝土，选用直径6mm的钢筋加强，经过试验和一系列有针对性的技术研究，最终确定用纤维网替代钢筋网，混凝土各项指标均符合设计要求与规范要求。自1998年至今，未发现质量问题，不仅加快了施工进度，还节约资金2万余元。
广州市北环高速公路，第三期工程用纤维网替代原设计的钢纤维，不仅节约了成本，也避免了钢纤维出现的锈蚀和易扎破轮胎而造成安全隐患。而且聚丙烯纤维带来路面的柔韧性，使行车更舒适。
现在，纤维网正大量应用于秦沈客运专线的箱梁、T梁保护层混凝土，不仅因为纤维网比钢纤维、耐碱玻璃纤维成本低，而且在使用中极为简便，受到施工人员的好评。从施工单位的使用报告中可以看出，纤维网使用效果良好。
6．结束语
高品质的聚丙烯纤维用于混凝土工程，是纤维混凝土的发展方向，对不同的设计要求，也应选择相应的纤维类型，由于聚丙烯纤维网在铁路工程设计中初次使用，建设施工人员对纤维的使用方法，工作机理以及评定方法存在一些疑虑和问题。我们将在下期做以介绍和说明。总之，随着纤维混凝土技术的发展，聚丙烯纤维将会为高性能混凝土提供一个良好的途径。
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