合成纤维在混凝土中的效果和机理综述--工程用合

    摘要：综述了国内外科研人员对合成纤维在混凝土中所起作用的研究状况，其中包括对混凝土的抗塑性收缩、抗渗性、抗冻性、抗冲击性、抗腐蚀性和对混凝土抗弯强度影响的理论机理及使用时注意事项。
    关键词：混凝土；合成纤维；抗裂
    中图分类号：TU528.57     文献标识码：A
    混凝土是一种抗压强度大而抗张强度相对较低的脆性材料。随着现代建筑技术的不断发展，对水泥混凝土这一最大宗建筑材料提出了更高的要求，它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、高体积稳定性和优工作性的方向发展。一般来说，在水泥基体中随机分布一些合成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。各种可用的纤维，如钢纤维、合成纤维、天然纤维已被应用于混凝土。本文旨在综述合成纤维在混凝土领域的增强效果机理。
1 用于增强混凝土的合成纤维种类及性能指标
　　常用于增强混凝土的合成纤维有：聚丙烯（PP）纤维、聚酯纤维、聚酰胺（PA）纤维高强高模聚乙烯（PE）纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维等。其性能指标见表1。

表1　常用纤维性能指标 
Table 1 The properties of fiber

2 合成纤维应用于混凝土中的增强效果和机理
　　大量实验表明，在混凝土中加入少量的合成纤维对混凝土的抗压强度变化不大，而对混凝土的抗弯强度、塑性收缩、抗渗性、抗冻性、抗冲击性、抗腐蚀性有明显提高，表2是水利部长江科学院在混凝土中掺入聚丙烯纤维的实验结果数据对比。其中聚丙烯纤维为中国纺织科学研究院的CTA
Fiber，抗拉强度：500MPa，直径：48μm，长度：19mm，断裂伸长率：18.2%。

表2 实验结果以对比 
Table2 Comparison of test results

2.1　合成纤维的掺入对混凝土塑性收缩的影响（抗裂性）
　　合成纤维掺入到混凝土中对混凝土的最大影响是大大提高了混凝土的抗裂性，水泥砼裂缝的产生主要有两个原因：（一）混凝土在拌料过程中有大量的水化热产生，在混凝土浇捣成型过程中必然受到热胀冷缩的效应作用。在混凝土浇捣成型过程中料与料之间主要靠表面间的吸附力作用，所以表面积大的吸附力也较大。混凝土在成型过程中，我们可以看成是较大表面积的料体（如卵石）吸附表面积较小的料体形成的单体的集合。单体与单体之间的吸附力必然小于单体内部的吸附力。在混凝土成型过程中受热胀冷缩的作用必然总体积要减少，致使混凝土在成型过程中收缩，这种收缩又受到基底、模板等的作用，使得混凝土的收缩不可能以某点为中心四周收缩，而是以单体为单位收缩，这样单体与单体之间不可避免地也现裂缝。（二）混凝土在浇捣以后，由于脱水产生收缩，这种收缩受到基底、模板和钢筋等不同程度的约束作用，因而在混凝土内部产生了拉应力。所以混凝土产生了不同程度的塑性裂缝。
　　 为了抑制早期裂纹的生长，必然要使得单体与单体之间的吸附力增大使之趋于一个整体，使混凝土内部能很好的传递消耗基底、模板和钢筋在混凝土成型过程中产生的拉应力，在混凝土中掺入少量的合成纤维就很好地做到了这一点。由于合成纤维是一种较低弹性模量纤维，纤维自身柔韧性很好，且掺入到混凝土中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，它既能很好增大混凝土形成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合成纤维能很好地阻止在混凝土浇捣成型过程中裂缝的产生，从而对混凝土的抗裂性有很好的效果，并且随着掺入量的增加效果更好。表3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3　不同掺量纤维混凝土抗裂效果对比 
Table3 Cracking—resistance test results

注：　1.此实验用聚丙烯性能指标为：直径：48mm，长度：19mm，抗拉强度：276MPa，类型：束状型
　　　 ，拉伸极限：15%，比重：0.91弹性模量：3793MPa，长径比：396
　　　2.此实验采用的数值对应为：d≥3mm，3mm>d≥2mm为2，2mm>d≥1mm为1，1mm>d≥0.5mm为0.5，d>0.5mm为0.25
　　 从上表实验结果可以看出，在砂浆中加入体积掺量分别为0.05%和0.10%的聚丙烯纤维后，砂浆的抗裂性能有明显的改善。其裂缝减少分别达到65%和75%。并且裂缝的产生趋于细化。
2.2纤维掺入混凝土对其抗渗性的影响
　　一种物体的渗水性可归结为两种情况的组合：①是由物体中的毛细管现象产生的微渗水。②是物体中的大孔隙和裂隙产生的宏渗水。在混凝土中加入少量的合成纤维，纤维在混凝土中能很好地均匀分布且与混凝土的粘合性很好，在混凝土浇捣成型过程中增加了混凝土内部的束缚力，从而减少了混凝土在成型过程中大孔隙和裂隙的产生，减小了宏渗水，在混凝土中加入少量的合成纤维，在混凝土的成型过程中因为纤维的掺入增加了其内部的束缚力，从而使混凝土构件成型后的机构更加紧密，从而有效地减少了微渗水的产生。所以，合成纤维掺入到混凝土中对其抗渗性有很大的提高。表4是水利部长江科学院对掺有0.1%体积率的聚丙烯纤维的混凝土和未掺纤维的混凝土进行抗渗对比实验。所用混凝土的配合比与表2相同。可以看到少量的纤维掺入到混凝土中就能很好地改善其渗水性。

表4　抗渗试验结果 
Table4 Seeping resistance test results

2.3 纤维掺入混凝土对其抗冻融性和抗化学侵蚀性能的影响
　　混凝土在冻融条件下产生较大的膨胀压力，易使混凝土开裂和原有裂隙扩展。在混凝土中掺入少量的合成纤维，虽然掺入量较小，由于纤维条干较细，且能很好地在混凝土中均匀分布，单位面积的纤维数量较多，这样纤维能起到一个很好的约束作用，抵抗冻融和化学侵蚀时的膨胀力。同时，纤维的掺入大大提高了混凝土的抗渗性，这样便阻得了化学物质的渗入，大大提高了混凝土的抗化学侵蚀性能。表5及图1是纤维混凝土与素混凝土的抗冻性和抗化学侵蚀性能的实验结果。

表5 抗冻试验结果 
Table5 Freezing resistance test results

　　从表5的结果可知，经过50次和100次的冻融循环，纤维增韧高性能混凝土试样与普通混凝土试样相比，其重量损失和强度损失均大为减少，说明纤维增韧高性能混凝土具有很强的抗冻性。从图1结果可知，在50%（WT）Na2SO4溶液侵蚀后，纤维增韧高性能混凝土和基准普通混凝土试件都发生了膨胀，但纤维增韧高性能混凝土试件抗硫酸盐侵蚀能力明显改善，这说明纤维的掺入提高了混凝土抵抗化学侵蚀的能力。
2.4纤维掺入混凝土中对其抗冲击性的影响
　　 抗冲击性是指物体受到冲击时，抵抗冲击对其造成的破坏能力。物体抗冲击能力的好坏由三方面决定，即由物体瞬时能承受的最大冲击力、物体吸收、传递冲击能量的多少决定。物体瞬时能承受的最大冲击力由物体本身的强度所决定。在混凝土中掺入少量的合成纤维对混凝土构件的抗压强度和抗弯强度有不同程度的提高，从而混凝土构件的抗瞬时最大冲击力得以提高。在混凝土中掺入少量的合成纤维能使混凝土的韧性有很好的提高，韧性是提高使混凝土受冲击时，纤维混凝土较素混凝土能更好的积蓄冲击时带来的能量，使能量慢慢的释放，这样纤维混凝土较素混凝土因能量释放过快而造成的破坏要小得多。混凝土中掺入合成纤维，在混凝土受到破坏时，合成纤维仍具备一定的荷载传递效应，这样也对混凝土的抗冲击性有利。

表6 抗冲击实验结果 
Table 6 Impact--test results

　　表6是钢球冲击法测得的素混凝土与合成纤维混凝土抗冲击性的实验结果。
　　 从上表中的实验数据可以看出，纤维的掺入使混凝土的抗冲击性得到了很大的提高，且随着纤维量的增加而提高。

2.5纤维掺入到混凝土中对其抗冲刷耐磨性能的影响
　　众所周知，物体的尖端在外力的作用下容易被破坏，而物体的破坏总是从其最薄弱环节开始，慢慢扩展。混凝土构件的裂缝就好像构件的尖端和最薄弱环节，混凝土构件在水冲刷和外力磨损作用下的破坏总是从裂隙处开始，且裂隙越大越容易被破坏。合成纤维掺入到混凝土中具有很好的抗裂作用，在混凝土浇捣成型的过程中很好地减少了裂缝的产生，从而减少了混凝土构件的薄弱环节的形成。所以，合成纤维掺入到混凝土中对混凝土的抗冲刷耐磨性有很大的提高。表7是在混凝土中掺入0.05%体积合成纤维的抗冲耐磨和弹模检测结果。

表7 弹性模量及抗冲耐磨性能 
Table7 Elastic modulus and the properties in scouring and wearing

　　从上表看出，无论掺入何种纤维，混凝土掺入纤维后的抗冲耐磨性能均有提高，且提高的幅度较大，达1.4-2.0倍，弹性模量早龄期明显下降，这对防裂是有利的。总之，纤维掺入混凝土中大大提高了混凝土的抗冲耐磨性能。

2.6合成纤维掺入混凝土中对混凝土抗压强度和抗弯（折）强度的影响 
从表2实验数据可以看出，与基准混凝土相比，在混凝土中掺入聚丙烯纤维，随着纤维体积量的增加，纤维混凝土的抗压强度变化很小。由于在混凝土中掺入的聚丙烯纤维量较少，且聚丙烯纤维在混凝土中的物理、化学性质较稳定，不会改变混凝土的物理、化学性能。少量的掺入量也不会对混凝土的脆性产生较大的影响。
抗折强度主要检验其韧性。材料的韧性反映材料在破坏时吸收能量的能力。虽然在混凝土中掺入少量的聚丙烯纤维，由于聚丙烯纤维组织结构为纤化网状，与混凝土基体的粘结强度较高，当应力自基体传递给聚丙烯纤维时，纤维因变形而消耗能量，使混凝土构件达到初裂时的荷载及宏观变形增大。其次，因聚丙烯纤维具有良好的延伸性，极限变形值很大，混凝土一经开裂，聚丙烯纤维跨接在裂纹的表面，阻止裂纹的迅速扩展。只有当（弯）应力大于聚丙烯纤维与基体的粘结强度或大于纤维抗拉强度时纤维才可能被拨出或拉断。但在受拉（弯）断裂时，聚丙烯纤维将提高混凝土的断裂韧性。所以，纤维混凝土的抗弯（折）强度明显提高。各方人员通过对其他几种纤维实验得出相同结论。

2.7合成纤维掺入混凝土中对混凝土抗爆裂能力的影响
　　混凝土抗爆裂能力是反映混凝土构件在遭受突然强大冲击和爆炸等条件下混凝土构件的破损情况。合成纤维本身具有较高的抗拉强度，且掺入混凝土中后能均匀分布在水泥混凝土中，由于合成纤维直径小，单位体积中的纤维数量多（如：掺入体积率.1%的CTA纤维，每立方米的混凝土约有三千万条的纤维均匀分布其中），这样合成纤维在混凝土中形成了三维乱向支撑网，使混凝土构件保证了良好的整体性，合成纤维在混凝土中起到了很好的配筋作用，在混凝土爆裂时这些配筋有效地减少了混凝土构件破碎机率。另外合成纤维掺入到混凝土中提高了混凝土的韧性，合成纤维在混凝土中的荷载传递特征又能极大地减少混凝土构件遭受爆炸时产生的应力集中现象。美军在贝鲁特对未添加聚丙烯纤维和添加了聚丙烯纤维的混凝土柱进行火箭弹破实验得出，未添加聚丙烯纤维的混凝土柱完全粉碎性破损，而添加了纤维的混凝土柱破损很小，且破损的地方因纤维粘连而保持整体性。总之，合成纤维掺入到混凝土中能大大提高混凝土构件的抗爆裂能力。

3 在混凝土中使用合成纤维注意事项
　　（1）合成纤维的使用极为方便，无须改变原设计的配比，也不取代原设计的受力钢筋。纤维在加入干料（砂石、水泥等）之后，加水之前投入，搅拌时间比不加纤维的混凝土搅拌时间略延长30～60秒。纤维只作为混凝土的“次要加强筋”，主要作用为抑制混凝土裂缝的产生，提高混凝土基体的抗渗性等，延长混凝土的使用寿命，而非“主要增强筋”承担结构主要荷载。因此，纤维的掺入不能改变原设计中心主要受力筋的配筋率。
　　 （2）纤维的加入会增加拌合料的粘稠度，使塌落度略有降低。每个工程需要不同的塌落度，所以在工程使用前应通过实验调节塌落度。如果塌落度不能满足施工要求时，不应用增加用水量来提高塌落度，而应采用塑化剂或减水剂来提高塌落度以满足施工要求。
纤维的加入不会影响结构的强度，但应在每个工程使用前对已确定的混凝土配合比进行掺加纤维与不掺加纤维的强度对比试验。
　　 （3）混凝土出模后立即进行一次压面，特混凝土初凝结束前完成二次压面。此外在压面时应尽量利用钢或铁质抹子，木质的不够光滑，会勾出纤维。
　　 （4）掺入了纤维的混凝土在成型时无特殊要求，但应保证混凝土充分振实。掺加了纤维的混凝土养护无特殊要求，可按正常混凝土的养护进行。不能因掺入纤维而放松对混凝土的早期养护。

4 结语
　　1）少量合成纤维掺入混凝土中对混凝土成型时的塑性影响很大，可以很好地提高混凝土的阻裂性，当混凝土中体积掺入量为0.05%和0.1%时，其裂缝减速少分别达到65%和75%。
　　 2） 少量的合成纤维掺入混凝土中能很好改善其抗渗性，当混凝土中掺入0.1%体积率的聚丙烯纤维时，渗透性减少了60%
　　3） 少量合成纤维掺入混凝土中能增加混凝土的抗冻性和抗化学侵蚀性能。经过50次冻融，纤维增韧高性能砼的重量损失率只有普通砼的7.6%，经过100次冻融，纤维增韧高性能砼的重量损失率只有普通砼的重量损失率的2.4%。在5%（WT）Na2SO4侵蚀40周后，纤维高性能混凝土的膨胀率约是普通高性能混凝土的1/3，约是普通混凝土的1/10。
　　4） 少量的合成纤维掺入混凝土中能很好地增加混凝土的抗冲击能力，且随着纤维量的增加而提高。当纤维掺入量分别为0.05%和0.1%体积掺量时，其初裂冲击次数和破坏冲击次数约提高2.0～2.5倍和1.5～2.0倍。
　　5） 掺入体积率0.05%的合成纤维时，其抗冲刷耐磨性提高达1.4～2.0倍。
　　6） 少量合成纤维掺入混凝土中对混凝土的抗压强度影响不大，而掺入体积率从0.05%～0.1%时，其抗折强度提高12%～26%
　　7） 合成纤维掺入到混凝土中能大大提高混凝土构件的抗爆裂能力，在混凝土构件受爆炸时仍有可能保持良好的整体性。
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