聚丙烯纖維在混凝土設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用

摘 要 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用，近年來在我國(guó)的工程建筑界已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。倍斯特纖維在建筑工程中的推廣和應(yīng)用，不但進(jìn)入時(shí)間早，工程實(shí)踐多，而且涉及的工程類別和應(yīng)用范圍也廣。本文結(jié)合倍斯特纖維在各類工程的大量推廣應(yīng)用的實(shí)踐，從纖維作用的實(shí)質(zhì)、纖維發(fā)生作用的條件、纖維的適當(dāng)摻量、考量纖維混凝土的指標(biāo)以及纖維混凝土配制的便易性等方面，對(duì)目前工程界中對(duì)聚丙烯纖維混凝土普遍存在的認(rèn)識(shí)問題提出商榷，提出在聚丙烯纖維混凝土的推廣和應(yīng)用上需要解決的一些問題。

關(guān)鍵詞 聚丙烯纖維混凝土 倍斯特纖維 分散性

1 纖維作用的實(shí)質(zhì)

1.1 經(jīng)過多年的推廣，聚丙烯抗裂纖維主要用在道路、橋梁、機(jī)場(chǎng)、地鐵、工業(yè)及民用建筑、水利工程以及預(yù)制構(gòu)件、保溫材料、干粉砂漿等各個(gè)方面。如高速公路收費(fèi)站特殊路段；軟基層路面；大型橋梁、立交橋、高架路的鋪裝層；橋梁修護(hù)；公路修補(bǔ)；建筑物的地下室底板、側(cè)墻、擋土墻；露天及室內(nèi)停車場(chǎng)、車道；飛機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪、機(jī)庫；上人屋面、天面；樓板、樓梯板；轉(zhuǎn)換層大梁、超大型梁和柱、直線加速器防輻墻、油庫底座、溢洪道閘墩、石化焦炭塔框架、風(fēng)力發(fā)電風(fēng)塔基座等大體積混凝土；高強(qiáng)混凝土鋼管混凝土柱；薄壁結(jié)構(gòu)；設(shè)備基座；游泳池、儲(chǔ)水池、化污池；排污管道、通信電纜管道；網(wǎng)球場(chǎng)、籃球場(chǎng)；大型垃圾堆放池；核廢料填埋、核廢料儲(chǔ)存容器；住宅小區(qū)道路；工業(yè)及民用建筑的內(nèi)外墻抹灰；室內(nèi)裝修；水渠、泄洪洞等沖磨混凝土；水利堤圍；地鐵、輕軌地下基礎(chǔ)；隧道；涵洞、護(hù)坡；廠房、橋梁加固和修復(fù)等。自1999年防水專家將聚丙烯纖維寫入《深圳建筑防水構(gòu)造圖集》之后、廣州、北京等地依據(jù)大量的工程實(shí)踐數(shù)據(jù)和專家論證，在輕板墻體工程、保溫工程方面采納了倍斯特纖維規(guī)格、摻量和做法，將聚丙烯纖維的使用納入了地方技術(shù)規(guī)程。之后繼續(xù)擴(kuò)大的工程實(shí)踐，以及其它許多品牌工程用纖維的大量推廣和應(yīng)用，為我國(guó)合成纖維混凝土開拓了一個(gè)良好的發(fā)展勢(shì)頭。

在不同類型工程和不同地區(qū)氣候條件下的應(yīng)用實(shí)踐中，倍斯特纖維都取得了成功。工程用合成纖維所起作用的本質(zhì)到底是什么？如何看待合成纖維所起的作用？隨著目前呈現(xiàn)了眾多品牌工程用合成纖維的開始激烈競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，對(duì)此問題卻引出了許多疑問。部分廠商宣傳纖維作用的時(shí)候存在片面性，好像只要在混凝土/砂漿中一摻加纖維，裂縫就不復(fù)存在，違背了纖維發(fā)生作用的機(jī)理和忽視了具體工程的個(gè)性條件。合成纖維解決的主要對(duì)象是混凝土早期的原生裂縫，無限夸大合成纖維對(duì)裂縫的抑制作用是不對(duì)的。事實(shí)上，混凝土/砂漿摻加纖維，也只能是對(duì)非結(jié)構(gòu)性裂縫的阻裂作用，不可能完全消滅裂縫。

1.2 微細(xì)纖維摻加在混凝土/砂漿中，以對(duì)裂縫的阻裂作用為主要表征，實(shí)際上由于低彈模的纖維摻加在相對(duì)高彈模的混凝土中，作用的實(shí)質(zhì)是最大可能地降低了混凝土的脆性，從而解決了由于混凝土先天帶來的某些不足方面的問題---因脆性引起的容易開裂等，對(duì)改善混凝土/砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到了重要作用。這種作用不同于一般的加筋配筋，而是一種從根本上對(duì)混凝土/砂漿自身缺陷的改善。其中包括有效增加混凝土的韌性；減少裂縫，提高抗?jié)B能力；減少裂縫，延緩鋼筋銹蝕；減少混凝土結(jié)構(gòu)受到的化學(xué)侵蝕；增強(qiáng)抗凍融能力，減少混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞；減少混凝土的泌水，使表面混凝土的質(zhì)量得以改善；減少裂縫，提高耐磨性和抗沖擊能力等等。所起的作用不是某幾個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)能夠體現(xiàn)的，而是多個(gè)指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，尤其是混凝土耐久性。合成纖維混凝土成為國(guó)內(nèi)理論界熱衷研究的真正意義，也在于如何真正揭示、衡量纖維對(duì)混凝土作用的本質(zhì)。正是由于我們?cè)谕茝V倍斯特纖維過程中，揭示了其作用的實(shí)質(zhì)，倍斯特纖維的應(yīng)用才由簡(jiǎn)單的外墻處理，逐漸轉(zhuǎn)向應(yīng)用于技術(shù)難度較高，抗裂、抗?jié)B、耐磨、抗沖擊、抗震要求高的許多結(jié)構(gòu)性重要部位。成功應(yīng)用的實(shí)例數(shù)不勝數(shù)，驗(yàn)證了合成纖維在混凝土中的作用，作為一種混凝土抗裂不可缺少的添加材料受到了工程界的歡迎。

混凝土是工程中用量最多的建筑材料，也是最主要的結(jié)構(gòu)材料，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)已成為世界上應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式。我國(guó)目前正進(jìn)行著舉世空前的大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)，但是有許多混凝土結(jié)構(gòu)，包括橋梁、道路、隧道、港口、大壩、建筑物等，在建期間或建成時(shí)間不長(zhǎng)后出現(xiàn)可見裂縫，影響外觀，影響在侵蝕環(huán)境中運(yùn)行結(jié)構(gòu)的耐久性，還使一些結(jié)構(gòu)的使用功能受到影響，暴露出較嚴(yán)重的耐久性問題，壽命低于設(shè)計(jì)壽命標(biāo)準(zhǔn)。只有認(rèn)真解決各類混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，才能使資源充分得到利用。盡可能延長(zhǎng)各類建筑物的壽命，延緩因時(shí)間推移而帶來的結(jié)構(gòu)安全性方面的威脅，保證其正常使用，才能盡可能節(jié)約重建和修復(fù)費(fèi)用。在混凝土結(jié)構(gòu)中大量推廣普及合成纖維混凝土，不僅可以解決當(dāng)前由于建筑物向高、大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜發(fā)展帶來的一些問題，也應(yīng)成為解決結(jié)構(gòu)耐久性的一種重要手段。

2 纖維發(fā)生作用的條件

2.1 纖維發(fā)生作用的條件，可以從纖維外部和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)方面來理解。

2.1.1 外部：可從纖維在混凝土/砂漿中所處的形態(tài)以及纖維對(duì)集料的關(guān)系兩個(gè)方面來理解。

纖維在混凝土/砂漿中能否亂向均勻分布，是關(guān)系到纖維能否發(fā)生作用的關(guān)鍵。纖維作用的機(jī)理無論怎樣解釋，都必須保證纖維在混凝土/砂漿中呈均勻、亂向分布的狀況下才能發(fā)揮作用。微裂縫在發(fā)展過程中，遭遇到纖維的阻擋，消耗了能量，使其難以進(jìn)一步發(fā)展，從而阻斷應(yīng)力達(dá)到抗裂的作用。由于纖維在生產(chǎn)過程中對(duì)其表面采用不同的活性劑配伍進(jìn)行處理，使纖維遇水均勻分散，再加上外力與混凝土各種集料攪拌進(jìn)一步使纖維與各種集料握裹。倍斯特纖維便于分散均勻，是所有使用過該產(chǎn)品的人員所公認(rèn)的。我們一般在透明水杯的清水中放入少量纖維進(jìn)行攪動(dòng)，便可以直觀的發(fā)現(xiàn)倍斯特纖維呈立體懸浮狀亂向分散，且長(zhǎng)時(shí)間放置都不會(huì)有太大變化；而某些同類的產(chǎn)品，經(jīng)攪動(dòng)后可能分散，但時(shí)隔不久便會(huì)上浮為一絮狀層。據(jù)反映凡是有后者情況的纖維，在混凝土/砂漿的實(shí)際配制過程中多不易均勻分散。這種觀察辦法和有人提出的“纖維層高穩(wěn)定率”辦法大同小異。由于聚丙烯纖維密度小于水以及纖維表面活性劑的作用，分散在水中的纖維受浮力及表面活化能的影響，會(huì)逐漸呈現(xiàn)較為明顯的分層和離析的狀態(tài)，將不同品牌的短纖維放置在量杯中攪拌后靜置，在不同的時(shí)間段測(cè)量其懸浮狀層高的辦法來比較其穩(wěn)定性的辦法以判斷纖維的分散性。纖維對(duì)集料的握裹狀況，是能否起作用的另一個(gè)關(guān)鍵。纖維能夠盡可能多的握裹集料，避免在受力時(shí)被拔出。不同的纖維制成標(biāo)準(zhǔn)不同，在電子顯微鏡下可以看到呈現(xiàn)不同的握裹集料的情況。如果加入纖維后的混凝土塌落度沒有損失，這種纖維不是分散不好就是握裹力差，纖維的作用無從談起。

2.1.2 纖維能夠起作用，還在于纖維本身的力學(xué)性能。

如抗拉強(qiáng)度、拉伸極限、纖維均勻度、抗酸堿腐蝕和紫外光的老化能力等。據(jù)纖維專家解釋，抗拉強(qiáng)度和拉伸極限成一定的反比關(guān)系。這種關(guān)系要適當(dāng)，并非纖維的抗拉強(qiáng)度特別高才能產(chǎn)生高的阻裂效用。纖維在受到拉力的過程中發(fā)生拉伸變形，如果比值不適當(dāng)，則抗拉強(qiáng)度不可能達(dá)到要求。當(dāng)然，由于制成材料的限制，該數(shù)據(jù)只能盡量滿足要求。聚丙烯纖維抗拉強(qiáng)度過大，可能會(huì)導(dǎo)致脆性加大。拉伸極限過大，混凝土/砂漿中的纖維在受力變形過程中又可能無法控制裂紋。據(jù)了解，倍斯特纖維的拉伸極限15%左右已經(jīng)接近天然纖維，需要一定的控制技術(shù)才能生產(chǎn)。纖維的改性也表現(xiàn)在這一方面。拉伸極限指標(biāo)也是衡量纖維抗裂能否真正達(dá)到作用的一種指標(biāo)。

2.1.3 要真正認(rèn)識(shí)每一種材料的特性和優(yōu)劣，強(qiáng)調(diào)一種材料排斥另一種材料的做法是行不通的。材料是不斷變革的，要不斷認(rèn)識(shí)和使用新的材料。只有充分發(fā)揮材料的復(fù)合效應(yīng)，才能綜合解決工程中所遇到問題。

比如，具有高彈模的鋼纖維和低彈模的聚丙烯混用，可在混凝土破壞過程中分別起著不同的作用。聚丙烯纖維由于其數(shù)量多及性能特點(diǎn)主要約束混凝土早期原生裂縫及微觀裂縫，在較低拉應(yīng)力情況下起作用；鋼纖維根數(shù)不多但具有明顯的增強(qiáng)，對(duì)宏觀裂縫可以起到顯著的阻裂作用。兩種纖維可以從不同的階段對(duì)混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展起到約束作用，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，可以綜合兩種不同彈模的纖維吸收能量的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)混凝土內(nèi)部的缺陷產(chǎn)生協(xié)同作用，既可以有效增強(qiáng)又可以有效增韌。

又如，在水工混凝土的應(yīng)用中摻加粉煤灰或硅粉增加抗沖耐磨強(qiáng)度和抗裂。黃委會(huì)實(shí)驗(yàn)中心所做的配比試驗(yàn)，在摻加20%粉煤灰和倍斯特纖維0.6/0.9/1.2kg /m3摻量的情況下，抗沖磨強(qiáng)度分別增加6—18%。南京水科院的試驗(yàn)證明，聚丙烯纖維和硅粉共摻，可以更有效地提高混凝土的抗沖磨性能33-58%。[2] 我們?cè)趦?nèi)蒙哈拉沁水庫泄洪洞工程的實(shí)踐中也證明了這一點(diǎn)。

再如，倍斯特纖維的工程實(shí)踐中，也有不少與UEA合用解決混凝土抗裂、抗?jié)B問題的。如合肥高架橋橋面鋪裝層、安徽省職工活動(dòng)中心和力天大廈大面積地下室底板C40P8和C55P8砼采用粉煤灰、微膨脹劑和倍斯特纖維配制粉煤灰補(bǔ)償纖維混凝土，三種材料各自的抗裂效應(yīng)互為補(bǔ)充充分發(fā)揮各自的特長(zhǎng)。

推廣一種技術(shù)和產(chǎn)品，應(yīng)該堅(jiān)持科學(xué)的態(tài)度和實(shí)事求是。如果靠夸大其詞來推廣，這種新技術(shù)、新產(chǎn)品就不會(huì)有生命力。目前，在國(guó)內(nèi)建筑工程界中應(yīng)用和推廣的合成纖維有許多品牌，有進(jìn)口的，也有國(guó)產(chǎn)的，其中良莠不齊，相差很大。由于工程用纖維的生產(chǎn)屬于化纖行業(yè)，使用者為工程界。使用者對(duì)化纖生產(chǎn)是生疏的，無法從直觀上判斷纖維的優(yōu)劣，但普遍關(guān)心能否均勻分散的問題。分散性是表面、直觀的，但是從纖維的抗拉強(qiáng)度、伸展極限、握裹力等內(nèi)在質(zhì)量來看，不是直接靠觀察能夠得出結(jié)論的。如果在使用以后才發(fā)現(xiàn)問題，已經(jīng)為時(shí)晚矣！

當(dāng)然，聚丙烯纖維在混凝土中所起的作用，說到底是一種輔助作用。我們通常將其稱為次要加強(qiáng)筋?；炷廉?dāng)然要求施工正常養(yǎng)護(hù)，不能認(rèn)為添加了纖維就不會(huì)有裂縫而忽視正常養(yǎng)護(hù)。這一點(diǎn)，毋庸贅述。

3 纖維的合適摻量

3.1 適用的纖維摻量取何值？從合成纖維的制成材料來看，由于其耐酸堿、以及物理性的增韌和增強(qiáng)，廣義地來說對(duì)混凝土是有益無害的。但到底何摻量才合適，理論界與工程界的意見不盡相同。從合成纖維在混凝土中所起作用的實(shí)質(zhì)來看，只要添加合成纖維，必然會(huì)不同程度地解決混凝土先天的缺陷---脆性，因此無論怎樣加都沒有錯(cuò)，似乎采用模糊理論來解決一個(gè)幅度的變化為更好。但是，從設(shè)計(jì)和施工角度來考慮必須要有量化的指標(biāo)。另從混凝土的工作性方面來考慮，又不得不考慮適應(yīng)施工的有關(guān)要求。

纖維摻量應(yīng)該視使用目的而定，同時(shí)考慮混凝土的具體配比、集料和其它外加劑的具體情況而定。目前多數(shù)廠家建議的摻量數(shù)據(jù)，多來自于理論界對(duì)纖維體積摻量0.05%和0.1%的試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)。不同制成材料的纖維由于其比重不一，按照體積摻量計(jì)算，折算為纖維重量摻量當(dāng)然就不一樣。倍斯特纖維在各種實(shí)際工程的應(yīng)用過程中，針對(duì)不同的要求，經(jīng)歷過每立方米混凝土/砂漿摻加0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.2、1.3kg不等的情況，均屬于低摻量，都得了良好的工程效果，摻量在0.7--0.9kg/m3時(shí)，已經(jīng)能夠滿足設(shè)計(jì)的一般要求了。一般來說，對(duì)抗裂、抗?jié)B、耐磨要求高的部位，摻量相對(duì)高一些；對(duì)使用特細(xì)砂地區(qū)的摻量相對(duì)高一些；有特殊要求的工程部位和用途要有特殊的配比。高摻量除特殊用途之外，在一般工程應(yīng)用中不一定適用。

纖維摻量的最可靠辦法是因應(yīng)工程目的進(jìn)行試配，認(rèn)真進(jìn)行比較。尤其是大型工程的結(jié)構(gòu)性部位應(yīng)用更要認(rèn)真、慎重進(jìn)行纖維多種摻量的試配和性能比較，從而選擇最佳方案。

3.2 質(zhì)量差的纖維，不但不會(huì)對(duì)混凝土增強(qiáng)、增韌，反而會(huì)有負(fù)面影響。有人認(rèn)為質(zhì)量差的產(chǎn)品可以通過增加摻量來彌補(bǔ)效用，質(zhì)量差的產(chǎn)品加大摻量，反而更會(huì)因結(jié)團(tuán)、蜂窩、空洞造成嚴(yán)重問題，根本就不能用。目前，已經(jīng)發(fā)生了因摻用纖維質(zhì)量太差致使混凝土施工質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重問題不得不下決心炸掉的教訓(xùn)。發(fā)展合成纖維混凝土是要解決在新的條件下使工程做到最優(yōu)，要保證長(zhǎng)久之計(jì)。尤其是對(duì)于水利、水電站這類工程更有著特殊意義。適當(dāng)調(diào)整纖維摻量，要講究理論，也要講究經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)結(jié)合起來，針對(duì)不同的工程部位，調(diào)整和選擇適當(dāng)?shù)膿搅?，才是科學(xué)的態(tài)度。

3.3 合成纖維混凝土是一個(gè)新的技術(shù)，而且在諸多工程中都已經(jīng)證明是可以成功應(yīng)用的，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)在目前也是有推廣意義的?，F(xiàn)在關(guān)鍵不在于數(shù)據(jù)取何值，而在于是否認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)是可以解決目前工程中需要解決的問題。如果不需要解決，再好的技術(shù)也沒有應(yīng)用和推廣的必要，正所謂要“對(duì)癥下藥”。

4 考量合成纖維作用的指標(biāo)

纖維對(duì)混凝土的力學(xué)性能的最大改變，不是旨在提高其抗壓、抗折等強(qiáng)度指標(biāo)，而是極大限度地提高了混凝土的斷裂能、延展性。沿用一般對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等性能的指標(biāo)去衡量合成纖維混凝土，不能充分反映纖維對(duì)混凝土根本性能的改善。如前所述，合成纖維在混凝土/砂漿中所起作用是一個(gè)綜合性的，在低摻量（體積摻量為0.1%左右）的條件下，具有增強(qiáng)、增韌的雙重效果。尤其對(duì)于高強(qiáng)混凝土摻加合成纖維則特別是利用其增韌的效果。從大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和工程試配數(shù)據(jù)來看，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)有提高，也有降低。但是從變化幅度和絕對(duì)值來看，均不足以影響到混凝土的原有設(shè)計(jì)要求。之所以有時(shí)候某些強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)提高，也是由于解決了部分裂縫而帶來的附加效應(yīng)。

目前，由于合成纖維混凝土在我國(guó)研究和應(yīng)用的歷史較短，加之人們習(xí)慣于以試件的抗壓或抗折強(qiáng)度衡量材料的性能水平，對(duì)增強(qiáng)指標(biāo)考慮多，對(duì)確能體現(xiàn)纖維作用的指標(biāo)，如彎拉韌性、疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命等增韌指標(biāo)考慮少。對(duì)合成纖維在混凝土中所起作用的考量指標(biāo)如果仍然停留在原有認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，將會(huì)不利于合成纖維混凝土的推廣。韌性指標(biāo)應(yīng)該定量化，及早制定出適合國(guó)情的統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)程，才能使合成纖維混凝土真正大面積推廣使用?？上驳氖牵碚摻缫呀?jīng)開始了對(duì)這方面的研究。一些專家和學(xué)者已經(jīng)開始從受彎韌度指數(shù)和剩余彎曲強(qiáng)度來研究和考量合成纖維對(duì)混凝土的增韌效應(yīng)。最近，國(guó)家纖維混凝土學(xué)術(shù)委員會(huì)的專家們用直接拉伸試驗(yàn)得到了聚丙烯纖維混凝土應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€，倍斯特纖維混凝土在摻量0.6--1.3kg/m3時(shí)，抗拉強(qiáng)度比基準(zhǔn)混凝土提高12-25%，極限拉伸應(yīng)變提高37-49%，斷裂能提高33-68%。

5 合成纖維混凝土配制的便易性

大量的工程實(shí)踐證明，聚丙烯纖維混凝土的配制是簡(jiǎn)單、易行的。

（1）簡(jiǎn)單的物理性加筋，與制備混凝土的各種骨料、外加劑和水泥都不會(huì)有任何沖突。不需要改變?cè)械脑O(shè)計(jì)配比；

（2）對(duì)攪拌設(shè)備沒有特殊的要求，容易在商品混凝土攪拌站或現(xiàn)場(chǎng)操作；

（3）施工工藝上沒有特殊的要求，不需要特別的培訓(xùn)，工人容易掌握。

合成纖維混凝土在國(guó)外已經(jīng)發(fā)展了20多年，我國(guó)在上世紀(jì)90年代中期以后開始發(fā)展并逐漸被廣大工程界所接受。我國(guó)是生產(chǎn)和使用水泥混凝土的泱泱大國(guó)，合成纖維混凝土的應(yīng)用還僅僅是在起步階段。合成纖維混凝土真正的普及和發(fā)展，最終要靠成本低廉的國(guó)產(chǎn)纖維。而各種工程用合成纖維產(chǎn)品水平的真正提高，必須建立在技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，任何急功近利、甚至弄虛作假，都會(huì)影響合成纖維混凝土作為一種新技術(shù)的健康發(fā)展。