基于高性能水工混凝土中聚丙烯纤维的应用研究

宋丽萍

(北票市哈尔脑乡水利服务站，辽宁 朝阳 122100)

水利工程是关乎社会稳定和经济发展的重要工程，一旦失事势必会给下游防洪安全带来严重威胁，所以高性能化水工混凝土非常重要[1-2]。水工混凝土具有抗冲击性能差、易开裂、脆性大等特点，加之长期与水接触具有更高的抗冲磨、抗冻、抗渗等性能要求，并且大体积水工混凝土面临着突出的温度裂缝和水化热温升问题[3]。因此，必须综合考虑以上要求配制性能优良的混凝土。掺入适量的聚丙烯纤维可以有效改善混凝土的脆性破坏特征和抗冲磨性、韧性、抗冻、抗渗等性能，抑制脆性破坏和收缩裂缝，为水利工程的长效安全稳定运行提供可靠保障。

1 高性能水工混凝土特点

HPC高性能混凝土应具有恶劣环境下使用寿命长、体积稳定性好、早期韧性与强度高、能长期保持高超的力学性能、易于振实浇筑而不离析等性能要求，换而言之就是要有优异的耐久性、高的流动性和强度[4]。目前，中国学者普遍认为高性能混凝土必须符合使用寿命≥100a、工作性良好、强度≥C30等要求，即高耐久性、高工作性和高强度。因此，耐久性要求是高性能混凝土的重要指标，通过科学搭配以及合理选用原材料，综合考虑施工工艺、拌合物流动性等要求配制高强、密实而又质量均匀的混凝土，有效改善其耐久性。

高性能水工混凝土应重点考虑其耐久性要求，结合水工结构特点研究开发高强、耐久的混凝土。一般地，将高性能水工混凝土按照耐久性要求、使用条件以及所处部位划分成三类：大体积内部混凝土(D区和E区)、大体积外部混凝土(A区、B区和C区)、抗冲耐磨混凝土(F区)。坝体分区，见图1。

图1 坝体分区

大体积内部混凝土的特点是要求具有较大适应变形的能力、易于振捣密实、和易性好、徐变量大、水化温升低，为减少温度裂缝和收缩裂缝应尽量降低温度应力。大体积外部混凝土的特点是要求较高的抗冻性、抗渗性和高强低热性能。抗冲磨混凝土大多用于排沙洞、导流隧洞、输水隧洞、溢流面等衬砌结构，因长期受到泥沙磨蚀和高速水流冲磨作用，对抗冲耐磨性能要求较高；此外，由于工程质量要求高、施工条件差、浇筑体积大，应高度重视混凝土的黏聚性、流动性以及水化热温升等要求。综上分析，高性能化水工混凝土必须考虑其抗冲耐磨性、抗冻性、抗渗性和抗裂性等。

2 聚丙烯纤维改善混凝土性能机理

2.1 聚丙烯纤维的特性

聚丙烯纤维的弹性模量3500MPa，密度0.90g/cm3，长度18-50mm，熔点与燃点165℃、590℃。工程用聚丙烯纤维主要有两种规格，即网形和单丝形，具有酸碱盐阻抗高、导热性低、不吸水、无毒等特性，经特殊处理混凝土与纤维表面的黏结力可明显增强。聚丙烯纤维相对于常见钢纤维，具有混凝土中纤维间距小(充分分散后按0.9kg/m3掺量可获取纤维单丝达700-3000万)、数量多、比表面积大、细度高(直径当量0.02-0.1mm)等典型特征，均匀搅拌后可以形成乱向均匀的支撑体系。

2.2 对收缩裂缝的控制

2.2.1 减少塑性收缩与收缩裂缝

一般地，在完成浇筑的2-10h混凝土会发生塑性收缩，收缩体积不超过绝对体积的1%：①该过程中出现泌水，混凝土水分快速蒸发产生失水收缩；②拌合物内颗粒的不均匀沉降和泌水使得胶结材料与骨料、钢筋与混凝土间出现沉缩变形。硬化前失水收缩导致混凝土表面产生拉应力，由于钢筋和骨料的约束内部表面也会引起拉应力，若收缩产生的应力超过混凝土的早期抗拉强度就会产生不可恢复的塑性收缩裂缝[5]。

1)将聚丙烯纤维掺入水泥混凝土中，由于纤维的存在使得表层材料的失水范围缩小，从而增大了水分的迁移难度，在一定程度上降低了毛细管失水收缩张力。

2)聚丙烯纤维有利于减少塑性收缩，弹性模量相对较低而抗拉强度较高的纤维单丝能够分散收缩的能量，从而明显改善混凝土韧性，对于控制微裂缝的形成与扩展发挥着重要作用。

3)由数千万条纤维构成的支撑体系，为混凝土泌水均匀以及抑制沉降裂缝的形成提供了保证。

4)此外，与塑性浆体相比聚丙烯纤维的弹性模量较高，依据水泥浆与纤维间的机械齿合力、吸附黏聚力等可增强塑性抗拉强度，从而使材料塑性抗拉强度高于失水收缩引起的应力，减轻或消除材料开裂情况。研究发现，混凝土的开裂和收缩变形减小幅度随着纤维掺量的增大而减小，混凝土塑性收缩变化趋势，见图2。

图2 混凝土塑性收缩变化趋势

2.2.2 抑制裂缝的形成与扩展

养护结束后，混凝土还会因碳化出现碳化收缩、温度降低出现冷缩和干燥失水出现干燥收缩等变形，若未能有效控制这些变形，使其>混凝土极限变形必将产生开裂。此外，承受荷载时混凝土内部也会形成许多裂缝，对于以上裂缝的形成与扩展聚丙烯纤维发挥着有效的抑制作用。

混凝土内部均匀分布的聚丙烯纤维，其单位体积内的数量较多，在收缩变形过程中纤维必然会消耗部分能量，从而阻碍裂缝的形成及其进一步扩展。纤维的存在会限制裂缝尖端的发展，即裂缝若要发展必须拉断或者绕过纤维，要消除纤维对裂缝发展的限制作用就需要消耗巨大的能量[6]。因此，聚丙烯纤维相当于促使原生裂隙尖端的应力集中发生钝化，从而提高抗拉强度，纤维约束裂缝扩展的作用机理，见图3。若纤维的间距小于微裂缝的长度，纤维将发挥桥梁作用传递荷载，使得内部应力场更加均匀和连续，通过钝化应力集中有效约束裂缝的进一步扩展，如图3(a)；若纤维间距>微裂缝长度，裂缝接近纤维时将跨越纤维生成更细的裂缝场或其延伸方向发生改变，微裂缝扩展所需消耗的能量显著增大，如图3(b)。

(a)

(b)

2.3 对强度和变形性能的影响

2.3.1 对强度的影响

聚丙烯纤维混凝土相对于普通混凝土，其抗压强度没有提高反而有所下降，但下降幅度不超过10%。这是由于混凝土的弹性模量明显高于聚丙烯纤维，在较高的应力条件下纤维尚未产生约束应力混凝土就已开始破裂，因此聚丙烯纤维无法提高抗压强度。然而，聚丙烯纤维可以提高抗折和抗拉强度，在一定程度上降低混凝土脆性系数，有研究表明掺入0.2%的聚丙烯纤维能够提高混凝土10%的抗折可劈裂强度。

聚丙烯纤维的阻裂效应是降低混凝土脆性的关键，从无缺陷理想状态的角度上混凝土抗折、抗压强度应保持相同的增长幅度，而聚丙烯纤维提高抗折强度的作用高于抗压强度主要与混凝土内部各尺度微裂缝的存在有关，抗压强度受微裂缝的影响远小于抗折强度。混凝土硬化过程中纤维抑制了裂缝的形成，使裂缝尺度变小以及裂缝源数量减少，从而降低了裂缝尖端的应力集中程度和应力强度因子，受力过程中又阻止了裂缝的扩展。因此，纤维的掺入无法提高抗压强度，但能够明显增强抗折强度[7]。

2.3.2 对变形的影响

掺入适量的纤维能够明显提高混凝土的韧性与延性，弯曲荷载作用下的P-δ曲线和高强混凝土(C100)轴压应力-应变曲线，混凝土变形性能曲线，见图4。结果显示，掺入聚丙烯纤维后高强混凝土的抗压强度略微下降，但极限压应变和断裂能明显增大，显著提高了构件的韧性与延性。

(a)P-δ曲线

(b)轴压应力-应变

聚丙烯纤维混凝土的极限拉伸变形明显提高，其断裂伸长率较普通混凝土有所增大，而这些特征显著提高了混凝土的变形性能，对于提高混凝土裂后承载力以及约束混凝土裂缝的扩展发挥着重要作用。

综上分析，混凝土中掺入聚丙烯纤维能够有效解决变形能力差、韧性低、脆性大等问题。

3 聚丙烯纤维的高性能化作用

优异的耐久性是高性能水工混凝土的典型特征，对水工混凝土而言最为重要的是其抗疲劳、抗冲磨、抗冻、抗渗、抗裂耐久性[8]。

3.1 改善抗裂性能与脆性

乱向分布的聚丙烯纤维丝能够分散混凝土的收缩能量，从而有效控制初凝时收缩造成的裂缝和裂纹，增强整体韧性[9]；此外，由无数纤维丝构成的乱向撑拓体系有利于维持早期均匀泌水性，有助于限制骨料离析以及沉降裂纹的形成。研究表明，按0.05%体积掺入纤维可以提高70%的抗裂性能。

聚丙烯纤维可以提高混凝土抗折强度，但抗压强度则有所下降，掺入聚丙烯纤维相当于降低了其脆性系数，并且混凝土脆性的下降幅度随纤维体积率的增加而增大。因此，掺聚丙烯纤维能够有效解决混凝土脆性大的问题，对增强混凝土韧性具有正向作用[10]。

3.2 增强抗冻性与抗渗性

将聚丙烯纤维加入混凝土中，乱向支撑而均匀细密的纤维丝能够有效缓解冻融变化造成的应力作用，有利于抑制温度裂缝和收缩裂缝的形成，从而提高混凝土的抗冻性能[11]；此外，纤维能够减少离析裂纹和干缩裂缝的形成与扩展，从而防止收缩裂缝和贯通裂缝的出现；混凝土内部均匀分布的聚丙烯纤维彼此相黏连，从而发挥“承托”作用，有利于减少混凝土的离析和析水，大大降低直径>100mm和50-100mm的有害孔隙含量。因此，掺入聚丙烯纤维可增强抗渗性，试验发现掺0.05%体积的纤维可以提升60-70%的抗渗性能。

3.3 提高抗冲击性与抗疲劳性

混凝土内部聚丙烯纤维构成的乱向支撑体系有利于吸收冲击动能，纤维发挥相应的阻裂作用[12]。受冲击荷载作用时内部的纤维能够分散冲击动能，增强材料内部的连续性及其抗冲击性能，对于阻碍混凝土中裂缝的快速扩展和减少冲击波产生的局部应力集中程度发挥重要作用。对不同纤维掺量和素混凝土的抗冲击进行试验，抗冲击试验结果，见表1。结果表明较不掺纤维的混凝土掺聚丙烯纤维试件的破坏冲击次数和初裂冲击次数成倍增大，并且掺量越高增加幅度越大。

表1 抗冲击试验结果

按0.05%≤Vr≤0.1%掺入聚丙烯纤维，随掺率的增加其疲劳变形模量逐渐增大，但静力弹性模量下降，这表明聚丙烯纤维对动力荷载作用下的结构具有更明显的效果。试验表明，聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土的疲劳寿命可成倍增长，特别是高应力比条件下的弯曲疲劳性能优良。

3.4 提高水工混凝土的耐磨性

将聚丙烯纤维掺入高性能混凝土中能够明显提升其耐磨性能，因为每方数千万根的聚丙烯纤维可构成相互牵连、彼此搭接的乱向支撑体系，对磨损或冲击引起的裂缝扩展起到阻碍作用，并且纤维抑制了基体中碎块的剥落，从基体中碎块剥落所需消耗的能量更多，混凝土耐磨性能明显提高。试验表明，按0.5-1.2kg/m3的掺量掺入纤维能够提高25-50%的耐磨性能。

4 结 语

将适量聚丙烯纤维掺入水工混凝土中，可以提高其耐磨性、抗冻、抗渗、抗裂、抗冲击和抗疲劳等性能。实际工程中，聚丙烯纤维具有使用效果显著、适用性广泛、施工简单、经济性好、掺量低(体积掺率0.1%)等优点。目前，堤防护砌、大坝补强、渠道防渗、碾压混凝土面板等水利工程领域聚丙烯纤维混凝土已得到广泛。随着纤维性能的改进优化、水利事业的快速发展及高性能混凝土的研究使用，聚丙烯纤维在水利工程中的应用前景将更加广阔。