聚丙烯纖維除了具有控制混凝土龜裂的能力外，還具有改進(jìn)耐磨損性和眾所周知的降低滲水性的優(yōu)點(diǎn)。通過控制主鋼筋受腐蝕來(lái)延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)壽命的可行性，使建筑業(yè)將來(lái)在混凝土工程中有條件用規(guī)范來(lái)強(qiáng)制使用聚丙烯纖維。

    近年來(lái)，玻璃纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維等已開始在改良混凝土的設(shè)計(jì)中扮演日益重要的角色?？梢韵胂螅F(xiàn)在必須要搞清哪些纖維適用于哪些地區(qū)，而且通過充分可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定在每種情況下所用纖維的可行性。此外，在這些纖維的初期發(fā)展，認(rèn)可和使用階段，針對(duì)這些纖維的推廣出現(xiàn)了一些猜測(cè)和急診，對(duì)聚合物或通常稱作合成纖維的使用和推廣尤其如此。

    本文限于考慮一種典型的合成纖維――聚丙烯纖維。現(xiàn)在看來(lái)，關(guān)于玻璃纖維和鋼纖維的使用方法和應(yīng)用領(lǐng)域已趨于明確，而聚丙烯纖維的采用在國(guó)際上有些地區(qū)依然存在很多顧慮。一部分顧慮還基于這樣的事實(shí)：聚丙烯纖維的那些優(yōu)點(diǎn)是在每立方米混凝土中加入相對(duì)很少一些聚丙烯纖維后得到的，這從重量上考慮就顯得似乎太少了。為打消這一顧慮，我們必須知道聚丙烯的比重是0．91，而玻璃纖維的比重是2．6，鋼纖維的比重是7．8。美國(guó)一家聚丙烯纖維制造商推薦，在每立方米混凝土中加入0．9kg聚丙烯纖維，計(jì)算可知，如果纖維均勻分布的話，在每m³混凝土中大約有七百萬(wàn)根19mm長(zhǎng)的纖維（或(mm)³內(nèi)有7根）。然而，在建筑業(yè)中，最大的顧慮在于自從25～30年前聚丙烯產(chǎn)品首次商品化以來(lái)公布的一些相互矛盾的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這是很不幸的。因?yàn)?980年以前在混凝土中作試驗(yàn)所用的聚丙烯纖維中從紡織業(yè)中借用的。這種纖維本來(lái)是用來(lái)作包裝帶、捆草繩的；要么僅僅是廢品，要么是紡織加工中的再生纖維。

    技術(shù)

    直到前年，也沒有專門用于混凝土的纖維，因此，就不可能指望得到一致而優(yōu)異的試驗(yàn)結(jié)果。更不幸的是，那些并不可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)一直被認(rèn)為是評(píng)定混凝土專用聚丙烯纖維生產(chǎn)的巨大飛躍。這也預(yù)示著纖維鋼筋混凝土技術(shù)的一個(gè)重大突破。

    1986美國(guó)“建筑分類”雜志12月號(hào)的主要文章認(rèn)為，三個(gè)問題將決定未來(lái)的混凝土工業(yè)即耐久性、修復(fù)和混凝土試驗(yàn)結(jié)果的整理。而聚丙烯纖維可望在改善混凝土的耐久性、改善修復(fù)專用混凝土的性能等方面起相當(dāng)重要的作用。準(zhǔn)確地說(shuō)，在傳統(tǒng)混凝土工程中，耐久性是根據(jù)混凝土對(duì)除冰雪鹽的抵抗能力、工業(yè)地板上的負(fù)載磨損、堿、集料引起的內(nèi)部應(yīng)力和其它化學(xué)腐蝕來(lái)衡量的、在未來(lái)，混凝土的耐久性標(biāo)準(zhǔn)，而不考慮以前的任何性能標(biāo)準(zhǔn)?；炷两Y(jié)構(gòu)大多建在惡劣的環(huán)境中，因此必須加以改善來(lái)抵抗諸如淺水區(qū)鹽水的飽和、結(jié)冰、砂子和碎石的磨損，以及盡可能降低混凝土的水飽和。

    我們記得，以前諸如壓力試驗(yàn)，抗拉試驗(yàn)以及類似的物性強(qiáng)度試驗(yàn)表明：加入這些量的聚丙烯纖維不會(huì)明顯增加混凝土的強(qiáng)度，大都認(rèn)為，加入纖維后使混凝土的物理強(qiáng)度有少許改觀，這僅僅表明加入纖維后至少不降低混凝土的性能。直到近些年在混凝土專用聚丙烯纖維的生產(chǎn)技術(shù)上有了飛速發(fā)展，才使我們明白了聚丙烯纖維之所以被大量應(yīng)用的原因，即通過減少塑性龜裂從整體上改善混凝土的性能。這種減少成為最初聚丙烯纖維用于混凝土的基本動(dòng)機(jī)。但現(xiàn)在看來(lái)，聚丙烯纖維的優(yōu)點(diǎn)還遠(yuǎn)不止這些。塑性龜裂一直是制約獲得優(yōu)質(zhì)混凝土工程的關(guān)鍵因素，正是裂縫導(dǎo)致混凝土主鋼筋受腐蝕，縮短了混凝土的使用壽命。混凝土形成初期是其最脆弱的階段，而聚丙烯纖維的加入就可明顯降低在此時(shí)外部原因引起龜裂的可能性。

    美國(guó)Webster工程協(xié)會(huì)完成了一系列纖維加強(qiáng)混凝土和標(biāo)準(zhǔn)樣品的比較試驗(yàn)，兩者的試驗(yàn)方法沒有區(qū)別。但結(jié)果卻表明了纖維加強(qiáng)混凝土從根本上優(yōu)于普通混凝土樣品，最有益的是試驗(yàn)描述了混凝土壽命與抗拉應(yīng)變性質(zhì)之間的關(guān)系。第一個(gè)試驗(yàn)表明加入纖維的混凝土比普通混凝土降低裂縫形成15%。Webster工程協(xié)會(huì)期望纖維的加入使壽命—應(yīng)變曲線達(dá)到更高的水平，將普通混凝土和按0．9kg/m³比例加入聚丙烯纖維的混凝土進(jìn)行2h、4h和6h試驗(yàn)來(lái)確定各自開始裂縫的拉伸力。2h后，兩者均需要0．12p的拉伸力就裂縫；然而當(dāng)約6h即混凝土開始凝固時(shí)，兩者需要的裂縫拉伸力就明顯不同，普通混凝土只需要的裂縫拉伸力就裂縫。試驗(yàn)表明，加入纖維可在混凝土形成的最關(guān)鍵階段提供大于普通混凝土40%的抗裂縫能力。

                                                   表1    混 凝 土 混 合 料

試驗(yàn)序號(hào)		1	2	3
每立方米混凝土中的成份配比(Kg)	水泥	393	399	399
	硅石	59	60	60
	沙子	106	108	108
	沙子	955	970	970
	礫石	510	518	518
	水	291	295	295
	聚丙烯纖維(38mm)	1.0	1.4	0

    
    表2 砂 漿 混 合 料

     挪威水泥混凝土研究所也在STF65—A85309報(bào)告中研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土裂縫的控制效果，試驗(yàn)中將混凝土灌筑在有鋼輻條的鋼輪內(nèi)、外側(cè)，輻條可以拉伸混凝土，其中三個(gè)嵌在混凝土中，六個(gè)固定在砂漿中。所用混凝土專門設(shè)計(jì)對(duì)較大的裂縫敏感。表1所示為混凝土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表2是砂漿集料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在混凝土開始干凝后2—4.5h后就有裂縫形成并持續(xù)大約2—3h。在干凝結(jié)束時(shí)立刻測(cè)量每個(gè)樣品裂縫頭尾寬度之和，見表3—4。報(bào)告的結(jié)論是：每m³砂漿中摻入1kg聚丙烯纖維可降低裂縫形成50%；當(dāng)改變摻入量為1.4kg/m³，將更顯著降低裂縫形成；當(dāng)改用12.5mm長(zhǎng)纖維按1kg/m³加入時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明降低裂縫形成33%；而當(dāng)這種長(zhǎng)度的纖維增加摻量以1.4kg/m³加入時(shí)，對(duì)裂縫形成沒有更進(jìn)一步的降低。Sintef得出如下結(jié)論：“即使更少量的加入聚丙烯纖維將顯著地降低混凝土砂漿對(duì)早期干凝引起的裂縫的抵抗力”。 
                                  

 表3  24小時(shí)后混凝土的裂痕寬度

    表4  24小時(shí)后砂漿的裂痕寬度

    美國(guó)伊利諾斯洲H.H.Hoimes試驗(yàn)室試驗(yàn)了四種樣品來(lái)比較加氣混凝土的優(yōu)勢(shì)。在兩個(gè)加氣混凝土和未加氣混凝土的樣品中均摻入681g聚丙烯纖維，另外也采用ASTM規(guī)范666—80的方法A進(jìn)行了試驗(yàn)，該方法要求在300次循環(huán)之后的耐久性因子在80以上。兩種加氣混凝土樣品3A.B.C和4A.B.C均滿足上述要求,兩種未加氣混凝土樣品則由于不能滿足耐久性要求而在180次循環(huán)之后停止試驗(yàn)。

    配料

    伊利諾斯洲E.Hime研究了加氣混凝土暴露在除冰劑中時(shí)加入聚丙烯纖維的效果?；炷辆捎肁STM—C192m之要求的配料比設(shè)計(jì)。當(dāng)混凝土板制成28天后，根據(jù)ASTM  C－672要求將其經(jīng)過50個(gè)凍融循環(huán)，每隔一定時(shí)間，混凝土板上表面的鹽溶劑將被去除并測(cè)量去除程度，普遍混凝土板在經(jīng)過35個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)后比上述樣品板剝落少得多。每0.765m³加入454g纖維的混凝土板在經(jīng)過50個(gè)凍融循環(huán)試驗(yàn)后達(dá)到表面5級(jí)剝落。在混凝土中加入纖維并不是想取代加氣混凝土，而加氣是混凝土在凍融循環(huán)試驗(yàn)時(shí)的必要條件。然而試驗(yàn)均表明在加氣混凝土中再添加纖維后將更進(jìn)一步改善混凝土的凍融循環(huán)抵抗力。

    這樣一來(lái)就很明顯，即使按每立方米0.9kg的配方加入聚丙烯纖維也將大大降低混凝土的滲水性，這是由兩個(gè)完全獨(dú)立的因素形成的。第一個(gè)是減少收縮裂縫，這在前面已討論過，主要是裂縫提供渠道使水直接進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在ASTM并沒有提出一個(gè)試驗(yàn)混凝土滲水性的滿意方法。目前備受推崇的Von試驗(yàn)法被ASTM認(rèn)為是檢驗(yàn)滲水性的標(biāo)準(zhǔn)方法，這種方法反復(fù)使用來(lái)測(cè)量混凝土的滲水性。一般來(lái)說(shuō)，在280mm的水混凝土滲水性進(jìn)入51mm。表5是混凝土試驗(yàn)樣品的滲水測(cè)量結(jié)果?？梢钥吹?，滲水百分比隨不同集料設(shè)計(jì)配方而變化。

                                      表5  51 mm混凝土中的滲水性

    加拿大國(guó)家研究院1984年在深入的實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上,也組織了一系列路段試驗(yàn)以確定混凝土中聚丙烯纖維的效果.試驗(yàn)中比較了普遍混凝土和按0.9kg/m³配比加入聚丙烯纖維的混凝土,試驗(yàn)進(jìn)行了28天.國(guó)家研究院的報(bào)告CNRC24863的結(jié)果是：“疲勞斷裂機(jī)制的形成分三個(gè)階段：

    ·裂紋發(fā)生

    ·裂紋慢擴(kuò)展

    ·裂紋快擴(kuò)展直至斷裂

    在一個(gè)大快混凝土樣品中，這三個(gè)階段區(qū)分很明顯，然而在小塊普通混凝土樣品（100×100×400）中，這三個(gè)階段迅速接連發(fā)生。在纖維加強(qiáng)混凝土的裂紋擴(kuò)展的過程中，沿著每根纖維長(zhǎng)度上出現(xiàn)應(yīng)力重新分布，新的裂紋遇到另一根纖維后即停止。因此，裂紋的擴(kuò)展迅速即被大大減慢”。普通混凝土可承受的最大循環(huán)次數(shù)為165.800次，而纖維加強(qiáng)混凝土可承受370,360次。因此，在本實(shí)驗(yàn)中聚丙烯纖維使抗疲勞力增加兩倍。

    磨損輪

    挪威最大的水泥制造廠——挪威化工公司設(shè)計(jì)了一種道路磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)器，這種磨損機(jī)由一個(gè)圓盤磨損輪組成，它有四個(gè)卡車輪子，每個(gè)輪子的壓力可改變，最大為5t，這等價(jià)于在輪軸上負(fù)重10t的壓力。試驗(yàn)中所使用輪胎承受最大碰擊力和加速磨損。試驗(yàn)混凝土樣品放置在輪子底下的軌道上，通常被分成每段1.5m長(zhǎng)的12截。為了比較不同混凝土的性能，每段樣品可以是不同成份的混凝土。每隔一定事先確定的轉(zhuǎn)數(shù)后周期性地測(cè)量磨損，轉(zhuǎn)數(shù)由聯(lián)于計(jì)算機(jī)的測(cè)量?jī)x測(cè)定。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，計(jì)算機(jī)可直接打印出不同等級(jí)的磨損曲線。據(jù)計(jì)算，在磨損輪下運(yùn)行一周等價(jià)于大約在12，000~15，000輛次/天的道路上磨損一年。

    表6所示為試驗(yàn)所用混凝土的配比，所列數(shù)字是兩組平行試驗(yàn)的平均值，普通混凝土樣品的設(shè)計(jì)配比與1986年挪威高速公路E-16的改造所用配比相同。

表6  混凝土組合  

     表7  物理性質(zhì)

    兩片樣品由不同的混凝土組成,在1986年2-3月期間灌筑,且在恒溫固定濕度條件下養(yǎng)護(hù),第一周用聚丙烯覆蓋.在Vcisliter的試驗(yàn)開始于1986年3月,正常情況下,試驗(yàn)開始于1986年3月，正常情況下，試驗(yàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)八周后進(jìn)行，不同樣品的物理性質(zhì)見表7。為了防止試驗(yàn)表面不平引起的振動(dòng)，采用兩種不同速度56m/h 和70m/h的平行試驗(yàn)，輪胎的壓力是75kg/cm²，軸向負(fù)重是5t。磨損機(jī)運(yùn)行30min后即停止90min以便輪胎冷卻，然后再自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)行／停止循環(huán)。每隔24h自動(dòng)測(cè)量磨損濃度。這樣總共138000轉(zhuǎn)可模擬在每天12000~15000輛次的道路上磨損10~12年的情況。初始磨損指的是上面層的剝落，通常中由混凝土的非均勻性和其它因素所致的不規(guī)則質(zhì)量引起。對(duì)普通的表層混凝土質(zhì)量，上述初始磨損期經(jīng)34000轉(zhuǎn)后即完成。初始磨損期后緊接著在干燥條件下56000轉(zhuǎn)的磨損，然后是加水磨損的60000轉(zhuǎn)。

    結(jié)果表明，纖維加強(qiáng)C―75混凝土比普通C－75混凝土的耐磨損性高34．4%，甚至混凝土的耐磨損性高17．2%，纖維加強(qiáng)的C－50混凝土的抗壓強(qiáng)度也比C－75普通混凝土高44%。現(xiàn)行的各種試驗(yàn)表明，無(wú)論是在干燥路面和濕水路面的條件下，加入聚丙烯纖維均可大大改善混凝土路面的抗壓和耐磨損性。

    環(huán)境

    聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是它能夠在抑制混凝土主鋼筋受腐蝕方面起重要作用。可以相信，聚丙烯纖維最終將成為惡劣環(huán)境下為根除主鋼筋受腐使用的混凝土設(shè)計(jì)配料中必不可少的成份。少量加入聚丙烯纖維就能達(dá)到此目的可能性就成為它用于混凝土結(jié)構(gòu)中的最公正的說(shuō)明。

    Webster工程協(xié)會(huì)正在組織一系列復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估在傳統(tǒng)鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)中加入聚丙烯纖維后整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能特征和減輕腐蝕的機(jī)制。混凝土鋼筋受腐的主要原因是在其使用期內(nèi)外來(lái)氯化物離子浸入所致。最普遍的來(lái)源是海洋環(huán)境中的鹽、除冰鹽的使用以及某些特定的工業(yè)加工，我們最期望的材料是降低混凝土的滲水性、大塊或篩分氯化物或其它阻止混凝土受腐蝕時(shí)而不破壞其它性質(zhì)的材料，象纖維這類整體分布的材料就比那些僅在表面起密封作用的材料更受注意，因?yàn)榍罢卟灰妆荒p。

    更重要但通常被忽視的事實(shí)是一旦在鹽混凝土中出現(xiàn)腐蝕，腐蝕的速度就會(huì)很關(guān)鍵。受腐蝕的鋼筋占原鋼筋的二倍之多，這就在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生巨大的體積爆裂力，據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局估算，內(nèi)部壓力可達(dá)4000psi，最終使混凝土裂縫以致從主鋼筋上完全剝離。更進(jìn)一步的研究熱點(diǎn)是引發(fā)腐蝕的機(jī)制。大量的試驗(yàn)認(rèn)為，主鋼筋嵌入混凝土的兩頭將形成一種“腐蝕電池”，這種鋼筋的兩頭之間就存在正負(fù)電勢(shì)差，于是有電流從中流過。鋼筋一層即巨電池的陰極剝落，將大大減緩鋼筋表層即陽(yáng)極的腐蝕速度。

    Webster 工程協(xié)會(huì)使用的試驗(yàn)法是把四根獨(dú)立的鋼筋棒灌筑在一個(gè)直徑38mm的混凝土圓柱體內(nèi)，四個(gè)棒是：

    普通混凝土

    按890g/m³加入后合成纖維的混凝土

    按水泥重的12%加入氯化鈣的普通混凝土

    每m³加入890g聚丙烯纖維和10%氯化鈣的混凝土

    在養(yǎng)護(hù)28天后，將樣品棒的1/3浸放含有15%氯化鈉的水中，考察每個(gè)樣品的腐蝕程度時(shí)，先用硫酸銅電極測(cè)量樣品棒上的電勢(shì)差。由該試驗(yàn)得出的結(jié)論是：在普通混凝土中按特定配比加入聚丙烯纖維后將加倍延長(zhǎng)混凝土在腐蝕環(huán)境下的腐蝕開始時(shí)間，其次，還明顯降低受腐樣品的電勢(shì)差，由此降低了受腐速度。用此方法完成的第二類試驗(yàn)要求按每立方米混凝土加入890g聚丙烯纖維。四組試驗(yàn)中用同樣的混凝土。試驗(yàn)中先灌筑直徑51mm、長(zhǎng)305mm的普通混凝土圓柱體，然后在剩下的混凝土中加入聚丙烯纖維。

    經(jīng)過28天養(yǎng)護(hù)后，將圓柱體浸入含氯化鈉10%的水中100mm，然后將鋼筋棒嵌入混凝土中按21天一周三次測(cè)量電勢(shì)差以確定發(fā)生腐蝕的時(shí)間，兩塊普通混凝土樣品在浸入15%氯化鈉水溶液后5~7天即達(dá)到腐蝕電勢(shì)差500mv，而兩塊加入聚丙烯纖維的混凝土樣品在16~27天后仍未達(dá)到500mv的電勢(shì)差。很顯然，纖維的加入降低了氯離子的擴(kuò)散速率，近而延遲了腐蝕的發(fā)生時(shí)間。
鑒于聚丙烯纖維加入后具有控制混凝土塑性裂縫的超強(qiáng)能力，現(xiàn)在聚丙烯纖維已得到商界的認(rèn)可。此外，它還可改善混凝土的耐磨損性、降低滲水性以及增加抗碎力。因此，通過降低鋼筋的受腐蝕程度來(lái)延長(zhǎng)混凝土的壽命，這一優(yōu)勢(shì)可使聚丙烯纖維在未來(lái)混凝土的加強(qiáng)工程中起主導(dǎo)作用。