鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院 盛黎明    
 
[摘  要]  通過介紹混凝土專用聚丙烯纖維的研究與發(fā)展情況及國(guó)外對(duì)聚丙烯纖維用于混凝土規(guī)范，了解聚丙烯纖維工作機(jī)理和工程設(shè)計(jì)要求。
[關(guān)鍵詞]  纖維混凝土  聚丙烯纖維  增強(qiáng)型  外摻料型  纖維網(wǎng)
1．前 提
纖維在提高混凝土性能方面扮演著日益重要的角色。混凝土的發(fā)展已有100多年歷史，高強(qiáng)化在很長(zhǎng)時(shí)間里是努力的目標(biāo)，被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)混凝土的特征。但是混凝土是一種脆性材料，韌性差，抗疲勞能力低，易產(chǎn)生裂紋，抗沖擊碎裂性差，這種問題不是因?yàn)閺?qiáng)度不夠，而是耐久性不夠。多年來，工程技術(shù)人員從原材料、配合比、外加劑、制造工藝、養(yǎng)護(hù)工藝等多方面加以研究改進(jìn)，雖取得了一些成效但不理想，因此，混凝土的高性能化才是解決問題的關(guān)鍵。
中國(guó)工程院院士吳中偉教授認(rèn)為：復(fù)合化是水泥基材料高性能化的主要途徑，纖維增強(qiáng)是其核心。自70年代，纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料發(fā)展起來，鋼纖維、玻璃纖維已較早地應(yīng)用于混凝土，可以從多方面改善混凝土的性能，關(guān)于鋼纖維、玻璃纖維應(yīng)用領(lǐng)域和使用情況已趨于明確，我國(guó)于1992年頒布了鋼纖維的設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。隨著材料加工技術(shù)的進(jìn)步，專用于混凝土的聚丙烯纖維研制成功，使纖維混凝土技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的階段。
2．纖維混凝土
纖維混凝土就是在混凝土拌合過程中加入一定量的纖維材料，通過纖維的密集分布來提高混凝土的性能。在民間，很早就把麥稈剁碎或用切斷的發(fā)絲拌入泥漿中，建造土坯或擋墻，獲得阻裂的效果。纖維混凝土的機(jī)理與其有一定的接近，纖維對(duì)混凝土的貢獻(xiàn)是從抑制塑性開裂開始的。而纖維對(duì)混凝土性能的提高，必須具備以下幾個(gè)主要條件：
(1)  分布均勻    (2)    與混凝土的握裹性強(qiáng)     (3)  材料本身抗腐蝕、抗堿集料反應(yīng)強(qiáng)        
(4)材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度好
這四個(gè)條件每個(gè)都是重要和必不可少的。需要說明的是，纖維對(duì)混凝土的作用不是為提高強(qiáng)度，而是通過達(dá)到上述的條件，來提高混凝土的抗裂、抗碎、抗?jié)B水、抗折、抗沖擊、抗疲勞等綜合性能。鋼纖維與合成纖維都對(duì)混凝土強(qiáng)度有提高，因材質(zhì)不同鋼纖維提高的要大。
鋼纖維是最早應(yīng)用于混凝土的，這自然源于鋼筋混凝土的啟發(fā)，隨著纖維混凝土技術(shù)的發(fā)展的，人們把研究重點(diǎn)傾向于合成纖維，合成纖維成本低，當(dāng)在混凝土中均勻分布后，能提供更好的韌性。混凝土是硬性材料，合成纖維是軟性材料，這種鋼柔相濟(jì)的辦法能提高混凝土堅(jiān)韌性。在合成纖維中聚丙烯是最好的材料，耐腐蝕、抗堿反應(yīng)。
3．用于混凝土的聚丙烯纖維
早在70年代，英國(guó)西部海岸的加固工程中，工程人員把切碎的聚丙烯摻入到混凝土中，用來砌成防護(hù)堤。許多工程技術(shù)人員都在進(jìn)行聚丙烯纖維用于混凝土的研究。那時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果或相互矛盾或不理想，這些試驗(yàn)結(jié)果一直被做為評(píng)定聚丙烯纖維的基礎(chǔ)。人們一直認(rèn)為聚丙烯無(wú)法對(duì)混凝土產(chǎn)生效果，而且這些顧慮現(xiàn)在依然存在，這是很不幸的。因?yàn)槟切┰囼?yàn)所使用的聚丙烯纖維，要么是聚丙烯廢品回收后制成，要么是從紡織業(yè)中借用的，再者就是用剪斷的包裝帶、繩子代替，這些材料根本無(wú)法解決上述纖維混凝土的四個(gè)要點(diǎn)，由于存在纖維本身的纏繞，在拌入混凝土中易結(jié)團(tuán)，所以關(guān)于聚丙烯是否可用于混凝土一直存在爭(zhēng)議。
80年代初期，美國(guó)軍隊(duì)工程師的混凝土專家為解決軍用混凝土工事在受炮火攻擊后的抗碎問題，同時(shí)也為解決軍事工程的耐久性問題，他們測(cè)試研究了很多種材料和方法。最后確認(rèn)，在混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維效果最好，于是混凝土專家與美國(guó)最大的化工產(chǎn)品企業(yè)──合成工業(yè)公司的聚丙烯材料專家共同研制用于混凝土的專用纖維，并于1984年成功研制出混凝土聚丙烯纖維──“FIBERMESH”，中文譯為“纖維網(wǎng)”。這是世界第一種成功用于混凝土增強(qiáng)的聚丙烯纖維。
3.1纖維網(wǎng)
纖維網(wǎng)一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚丙烯纖維束，由美國(guó)纖維網(wǎng)砼公司及其國(guó)際代理機(jī)構(gòu)擁有專利。它從各個(gè)角度解決了聚丙烯纖維用于混凝土所遇到的問題：
(1) 集束形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在混凝土中拌和時(shí)先呈束狀大面積分布，攪拌中期每束中的5-8個(gè)小束纖維分離出來，受骨料沖擊后展開成網(wǎng)狀，并隨著攪拌沖擊被撕開成不規(guī)則單絲，達(dá)到均勻分布的目的。這種被稱之為“二次分布法”的均勻分布方式與某種同樣可均勻分布的釘書針式排狀鋼纖維是一個(gè)原理。完全解決了分布均勻的問題。
(2) 與混凝土的握裹性問題，鋼纖維以做成波浪狀或兩關(guān)弓形來解決握裹性問題，在合成類纖維中，有多種單絲纖維截面成圓形，纖維絲面光滑，無(wú)法達(dá)到良好的握裹性。纖維網(wǎng)在拌和時(shí)撕裂成絲。