聚丙烯纤维在再生混凝土中的试验研究

第一章.绪论1.1 引言废弃混凝土块经过破碎、清洗、分级后，按一定比例混合形成再生粗骨料，部分或全部代替天然骨料配制而成的新混凝土称为再生混凝土[1]。

再生混凝土技术不仅可以从根本上解决废弃混凝土的处理问题, 还可节约天然骨料资源, 带来显著的社会、经济和环境效益, 是一条节约资源、能源、减轻地球环境负荷及维护生态平衡的可持续发展的道路, 已倍受人们关注。

在积极倡导建设节约、经济、环保型社会的今天, 再生混凝土技术具有重要的现实意义。

再生混凝土由于再生骨料富含杂质、孔隙率高、吸水性大等自身缺陷, 其强度一般低于用天然骨料配制的混凝土, 因而,其应用范围受到限制。

为了使再生混凝土能够更加广泛地应用于工程实际, 创造社会价值, 我们必须采取相应的技术措施, 对其进行强化, 提高其强度。

目前, 这项研究工作在国内已有展开, 并且取得了一定的研究成果。

但从已有的研究成果来看, 再生混凝土的强化效果并不十分明显, 且施工操作不便。

本课题探求利用在再生混凝土中掺入聚丙烯纤维, 实现对其强化的目的。

此技术操作方便, 实用性强。

1.2 聚丙烯纤维的特点聚丙烯(Polypropylene 简称PP ）原材料从单体63H C 而得，是一种高分子碳氢化合物。

聚丙烯纤维一般分为单丝和网形两种规格长度在 19mm ～50mm 之间，抗拉强度为260～414MPa ，极限延伸率为15～160%，其物理性能基本相同。

即聚丙烯纤维不溶于水，表面疏水性，不会被水泥浆浸湿，无味、无毒，密度约为3/91.0cm g ， 熔点约为 160℃，燃点约为 580℃，耐热性能好，导电性、导热性极低，抗酸碱性极高。

聚丙烯纤维的化学性质非常稳定，只是依靠改变混凝土的物理结构而改变混凝土的性能，而本身不会吸收其它物质，同混凝土的骨料、外加剂、掺合料和水泥都不会有任何化学作用，故与混凝土材料有良好的亲和性。

它的化学稳定性好，和大多数化学物质不发生作用，具有良好的耐久性[2]。

为了增强纤维与混凝土的表面粘结力，纤维表面都经过了特殊的工艺处理。

此外，聚丙烯纤维经过特殊的抗紫外线处理后，具有一定的抗紫外线老化能力。

同聚丙烯纤维混凝土相比，聚丙烯纤维混凝土具有纤维掺量少、成本低、耐化学腐蚀性好的优点。

根据国内外的试验研究和工程应用经验，聚丙烯纤维混凝土有下列主要特点:1、聚丙烯纤维的阻裂效应最主要的是对砂浆、混凝土早期收缩裂缝的抑制作用，己得到许多研究和工程应用的证实。

2、提高混凝土的耐久性掺加聚丙烯纤维可改善混凝土的抗冻性能。

试验表明，掺入聚丙烯纤维后能减少混凝土干缩、开裂指数，提高极限拉伸，降低弹性模量，提高弯曲韧性系数、抗冻等级，掺入聚丙烯纤维可以明显减少混凝土收缩和开裂，改善混凝土的变形性能和提高耐久性。

可明显提高水泥砂浆和混凝土的抗冲磨、抗渗性能。

3、提高混凝土的耐火性能可提高混凝土尤其是高强混凝土的耐火性和遇火时的安全性，能防止混凝土高温试验后的爆裂，高温后混合纤维增强混凝土的抗压、劈裂剩余强度比普通混凝上高。

对于聚丙烯纤维高性能混凝土也一样。

4、提高冷热循环后的性能文献[3]试验结果显示，经过80次冷热循环后，冷热循环导致素混凝土劈裂抗拉强度、连接强度的显著损失，而掺加聚丙烯纤维后，混凝土的劈裂抗拉强度、粘接强度损失较少。

遭受冷热循环后，聚丙烯纤维在维持混凝土的粘结强度起显著作用。

5、改善砂浆的性能混合运用聚丙烯纤维和从拆除建筑中回收再用的细骨料能使得砂浆的准备(配制)显示出好的性能，尤其用来粘结砖块时。

6、在高强、高性能混凝土中的应用有试验显示高强混凝土中掺加聚丙烯纤维不会显著影响混凝土的抗压强度，与不含纤维的混凝土相比.含纤维的抗拉强度都有提高。

7、与其他纤维混合应用改善混凝土的性能混凝土相对地是一种脆性材料，短纤维随机分布于增强混凝土中能够提高胶凝材料的韧性，通过阻止或控制裂缝的开始、蔓延、合并，纤维主要有聚丙烯纤维、碳纤维、合成纤维，在合成纤维中，聚丙烯纤维混凝土由于其突出的韧性备受关注。

不同种类和尺寸的混合纤维能不同程度地减少裂缝数量和宽度，改善高性能混凝土的收缩性和渗透性[4]。

8、对混凝土的基本力学性能的影响另外，聚丙烯纤维对混凝土的基本力学性能的影响，尤其是对抗压强度、劈裂抗拉强度的影响，国内外各类研究却有截然相反的说法。

1)掺加纤维后抗压强度、劈裂抗拉强度都降低。

王成启等的试验结果显示:聚丙烯纤维使混凝土基体抗压强度降低，降低幅度为18.2%。

随着纤维弹性模量的降低，纤维对混凝土的增强作用降低。

纤维对混凝土劈拉强度的影响也有相同的规律。

葛其荣等在白溪水库项目的试验研究中，由于纤维混凝土在调整坍落度时少量增加了用水量，混凝土抗压、抗拉和抗折强度均稍有下降，但下降很少[5]。

2)掺加纤维后抗压强度下降，劈裂抗拉强度增加。

从Yeol Choi等的试验结果看，掺加玻璃纤维、聚丙烯纤维后似乎不会提高抗压强度，劈裂抗拉强度增加。

而且掺加玻璃纤维、聚丙烯纤维显著增加混凝土的韧性[13]。

王是等在国家大剧院项目的试验显示:聚丙烯纤维丝掺量0. 9kg/3m较合适;抗折强度增加10%，抗弯曲性能好，极限变形增大，能有效地抵抗外力引起的裂缝;抗压强度略有降低，下降幅度一般在10%左右;纤维混凝土比空白混凝土的抗拉强度增加10%以上，极限拉伸也有所增加，抗压强度略有下降，表明掺加纤维后，混凝土的力学性能，特别是抗拉防裂性能有了明显增加3)掺加纤维后抗压强度、劈裂抗拉强度都。

掺聚丙烯纤维可提高水泥基材的强度，增强效果不明显;聚丙烯纤维可提高混凝土早期极限拉伸值，降低混凝土弹性模量，有利于抗裂能力的提高;聚丙烯纤维可抑制水分的蒸发，有减少干缩的作用;聚丙烯纤维混凝土具有较高的抗冲磨、抗冻、抗渗性能。

高丹盈[6]等认为聚丙烯纤维的加入显著地提高了高强混凝土的劈裂抗拉强度在最大纤维掺量下(1. 2kg/m³)，其劈拉强度的增强率达26%。

东南大学的王瑞兴等认为聚丙烯纤维的掺入对于混凝土抗压强度没有显著提高，在掺量为0.3、0.6kg/m³时，抗压强度、抗折强度、劈裂强度、轴心抗压强度、弹性模量也只是略有增长，劈裂强度、轴心抗压强度、弹性模量只有在聚丙烯纤维掺量达到0.9kg/3m，时有一明显增幅[7]。

1.3 国内外聚丙烯纤维混凝土发展、研究及工程应用20世纪60年代中期Goldfein研究用合成纤维作水泥砂浆增强材料的可能性，发现尼龙、聚丙烯、聚乙烯等纤维有助于提高砂浆的抗冲击性。

而Zoflo 等的实验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0.1%一0.3%的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少12%一25%[8]。

国外对聚丙烯纤维的研究可以追溯到上个世纪 60 年代，那时就有人发现在水泥净浆与砂浆中掺入少量聚丙烯纤维可以明显提高其抗冲击性能。

此后，英国将短切聚丙烯膜裂纤维少量(＜0.05%)掺加于混凝土中用以制造桩壳、墙板、浮体等预制品。

1970 年美国开始大力开发丝束相连的膜裂聚丙烯纤维，用以代替聚丙烯筋网片控制混凝土的收缩。

近 20多年来又陆续开发出一系列可掺入混凝土中的单丝合成纤维，如聚丙烯、尼龙、聚酯、聚乙烯等，其中聚丙烯单丝纤维因其价格低廉、化学耐腐蚀性高，并且来源较12广而最吸引人[9]。

相对而言，聚丙烯纤维混凝土在国内的应用研究起步较晚.从目前国内的研究水平来看，主要集中于对聚丙烯纤维混凝土的物理、力学性能的研究: 从国内研究状况来看，对聚丙烯纤维的研究主要是在基本性能方面。

如广东工大学的苏健波、李士恩在对美国、日本、韩国和我国七家实验室的数据的基础上，选择了80 组力学实验数据进行尺寸换算以适应我国的《混凝土结构设计规范》。

结果表明当聚13丙烯纤维掺量小于 0.1%时，聚丙烯纤维混凝土的立方体抗压强度和弯曲抗压强度没有明显提高，劈裂抗拉强度提高也不大当聚丙烯纤维掺量大于 0.1%时，聚丙烯纤维混凝土的力学性能比普通混凝土还要低。

上海市政研究院的孙家瑛、孙建祥做的硅灰聚丙烯纤维混凝土的实验结果表明:在水灰比相同的条件下，当硅灰掺量为 10%时，掺入 0.15%的聚丙烯纤维可使混凝土的抗折强度提高 34%，抗压强度提高 20%。

上海市政工程研究所的孙家瑛对混凝土的抗折强度进行了实验研究，结果表明：在水灰比不变的情况下，当聚丙烯纤维的掺量从 0 增加到 0.15%时，虽然聚丙烯纤维掺入对抗压强度影响不大，但是抗折强度可以提高 27%。

从国外研究近况来看，对聚丙烯纤维的研究在基本性能研究的基础上，已有一定的延伸。

Sydney Furlan Jr.等对 14 根梁做了抗剪试验，指出与素混凝土梁相比，抗剪强度、刚度(特别是在第一开裂期后)和韧性都有提高，同时还研究了箍筋对纤维梁的影响。

G．D．Manolis 等试验了一系列纤维含量不同、支撑条件不同的聚丙烯纤维混凝土板的抗冲击性能及自振周期，发现纤维的引入对混凝土板的抗冲击性能随纤维含量的增加逐渐提高，但对自振周期基本无影响。

随着纤维混凝土在中国的应用推广，建筑材料理论界也在国外学术界研究成果的基础上开始关注并研究相关的理论问题。

研究指出：聚丙烯纤维在工程中不但可以用作非结构性补强材料来防止塑性收缩裂缝，而且可以作为结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构延性。

聚丙烯纤维对搅拌设备及搅拌工艺也没有特别的要求。

施工时，在保持混凝土原配合比不变的条件下，可根据配合比直接将整袋纤维投入到搅拌机或分次投入，只要适当保证搅拌时间即可使用，无论是在搅拌站还是在施工现场都十分简便。

值得注意的是，加入纤维后，混凝土的原配合比不变，混凝土的粘聚性有所增强，坍落度有很小的损失，但不会对工作性有不利影响。

如确需提高坍落度，不可加大用水量，只需稍增大减水剂用量。

在聚丙烯纤维的应用方面，谷章昭、倪梦象等指出尼龙及聚丙烯纤维混凝土具有较好的抗裂性，可提高混凝土的使用性能及耐久性，并已成功地在上海 8 万人体育场看台、地铁工程及东方明珠电视塔等工程中推广应用。

苏健波、李士恩较详细地介绍了自 1996 年开始，杜拉纤维(即束状单丝聚丙烯纤维)在我国的广泛应用。

如广州市的东环、西环、南环等高速公路的路面，不仅解决了收费站的无磁性要求问题，而且有效满足了路面的抗裂、抗磨耗、抗冲击等要求。

在民用建筑中，它有效地解决了高强聚丙烯管混凝土柱的施工工艺，提高了高强混凝土的延性和韧性。

此外，聚丙烯纤维混凝土还可用在污水处理厂的污水池、游泳池、粮食仓储库、大型停车场、机场停机坪，以及在地下洞室、护坡等工程中可应用喷射聚丙烯纤维混凝土。

1.4 聚丙烯纤维混凝土的机理分析混凝土变形和破坏是由于内裂缝发展引起的，而聚丙烯纤维的主要作用在于控制水泥基体微裂缝的生成及发展，缓和混凝土内部应力集中，防止和阻碍混凝土中裂缝的生成和扩展。