张 付 东

（驻马店市达远路桥勘察设计院，河南 驻马店 463000）

关于水泥混凝土中化学合成纤维的运用研究

张 付 东

（驻马店市达远路桥勘察设计院，河南 驻马店 463000）

化学合成纤维混凝土是近年来迅速发展的一种新型混凝土材料，能显著提高混凝土的抗拉韧性、抗冻性、耐磨性等，幵且能有效地防止混凝土早期裂缝的问题。简要地介绍了纤维混凝土这种新型的建筑材料，就聚丙烯纤维混凝土的抗掺性能、抗冻性能以及抗拉性能等开展试验研究。

水泥混凝土；化学合成纤维；研究

混凝土破坏过程是其内部原有的微裂纹在外界因素作用下，形成宏观裂纹的过程，普通混凝土内各种微裂缝比较多，因此严重影响到混凝土结构的耐久性和使用寿命。然而在混凝土中掺人化学合成纤维后，因而使复合材料的抗拉与抗折强度以及断裂能力与未增强的水泥基体相比较有明显的提高。

1 化学合成纤维混凝土的分类

纤维作为建筑材料使用已有相当长的历史，早期人们就把天然纤维，例如稻草、麦秆、棉、麻等添加到墙体建设材料中，以增加墙体的强度和韧性。现在化学合成纤维混凝土通常是以水泥净浆或者砂浆为基体，以非连续的短纤维或者连续的长纤维做增强材料所组成的水泥基复合材料。

1.1 按应用材料的分类

1.1.1 金属纤维——钢纤维

钢纤维是当今世界各国普遍采用的混凝土增强纤维材料。它具有抗冲击性能强、抗裂、耐磨强度高等特点，同时也具有良好的水泥亲和性好。只需经过一定的施工工艺可以可增加混凝土构件的强度；但值得注意的是，刚纤维混凝土自重大、振捣浇注时往往会沉于混凝土下部，此外搅拌时易结团，不适合大体积混凝土的施工。

1.1.2 无机纤维

（1）碳纤维

碳纤维是20世纪60年代开发研制的一种高性能纤维。具有抗拉强度和弹性模量高、化学性质稳定，具有与混凝土粘结良好的优点。在所有的合成纤维中，碳纤维的增强效果最好，只需掺入较低含量碳纤维的就能明显提高水泥制品的弹性模量，但是碳纤维的主要缺点是价格高，致使工程应用中受到很大限制。

（2）耐碱玻璃纤维

耐碱玻璃纤维具有高抗拉强度，延伸性低，很高的抗变形能力的特点。玻璃纤维在道路混凝土工程施工中，其与路面混合料具有良好的相容性。但采用玻璃纤维混凝土存在的问题在于，暴露于大气中一段时间后，耐碱玻璃纤维强度和韧性会有大幅度下降，影响耐久度。

1.1.3 有机纤维

（1）合成纤维

常用的大多数合成纤维，如经机械、表面活性剂、氧氟等表面处理后，其短纤维都可用于混凝土的改性；而且价格低廉，生产工艺先进，且施工方便，被广泛应用于广场、机场等大面积混凝土工程中。

（2）玄武岩纤维

玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维。比重为

2.639～2.89 g/cm3，用它与水泥混凝土和砂浆混合时易于分散，新拌玄武岩纤维混凝土的体积稳定、耐久性好，耐酸又耐碱，具有优越的耐高温性、防渗抗裂性和抗冲击性，抗弯强度。

1.2 按弹性模量分类

1.2.1 高弹性模量纤维混凝土

高弹性模量纤维混凝土具有无毒、质轻、耐酸、耐碱等优点，由于高弹性模量纤维混凝土主要是纤维受力，因此即使混凝土开裂之后，复合材料承载能力也不会降低。由于其价格较高，对其广泛应用仌然存在一定的制约。

1.2.2 低弹性模量纤维混凝土

譬如聚丙烯纤维、聚酰胺纤维、聚乙烯醇纤维等都属于低弹性模量纤维，它们与钢纤维的相似点是不受水化产物的侵蚀，同时具有良好的施工性能、抗早期塑性干燥收缩、抗爆、抗冲击、抗疲劳性能以及良好的裂后韧性的特点。但是易发生较大的蠕变，在持续的较高应力作用下，复合材料会产生显著的伸长或挠曲，对材料的性能造成一定的影响，因此这类纤维常用于基体一般不会发生开裂的地方。

2 化学合成纤维的添加对混凝土性能的影响

2.1 阻裂

在裂缝较小阶段，由于合成纤维的变形能力大，它对微小裂缝的阻滞效果不明显，因此，粗合成纤维对混凝土加载初期性能的提高幅度显著小于加载后期性能；在裂缝较大阶段，粗合成纤维的弹性变形能力大及根数较多，它与基体不易发生脱黏，合成纤维极大地延缓了裂缝的扩展，因此能有效延缓新裂缝的出现。

2.2 防渗

通过阻裂提高水泥基体的密实性，以防止外界水分侵入混凝土，改善水泥基体抗冻，抗疲劳等性能，提高混凝土的耐久性。

2.3 抗冲击

在使用高弹性模量纤维前提下，可以起到提高基体的抗拉强度的作用。提高水泥基体的耐受变形的能力．仍而改善其韧性和抗冲击性。

3 聚丙烯纤维混凝土的性能的研究

3.1 抗渗性能试验

试验依据GB／T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》的规定进行。参照生产企业的建议（每方混凝土纤维掺量为 0.9～1.8 kg、长度为12～19 mm)，其中本试验用于抗渗试验的试件数量为 5×6=30个(试件尺寸为：上口径 175 mm，下口径185 mm，高150 mm)；试验采用的聚丙烯工程纤维长度为19 mm，此外混凝土配合比为水泥∶石子∶砂∶水=360∶1065∶720∶205。使用同一台搅拌机，纤维加在集料之间。干拌30 s左右,然后加水泥和水进行强制搅拌。在进行搅拌的过程中，当6个试件中有3个试件表面出现渗水时, 试验结束，幵记录此时的水压，同时根据相关公式计算抗渗等级。

通过实验发现，混凝土中掺入聚丙烯工程纤维后, 大幅度提高了混凝土的抗渗性能，掺量越大，抗渗性能等级越高[1]。

3.2 抗弯性能试验

对聚丙烯纤维混凝土抗弯韧性试验在Instronl343伺服系统机上采用三分点加载方式进行，试件跨度为300 mm，采用恒定位移控制加载，加载速率为0.10 mm·s。挠度测定时将夹式引伸仪置于试件的中性轴来测定试件的挠度，计算机自动记录数据，幵自动绘制荷载——挠度曲线。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm。制作试件时，先将称好的砂、水泥、石依次放入搅拌机，干拌2 min，再将水分2次或3次加入，将纤维分散加入幵搅拌3 min左右，混凝土搅拌好后倒入模具内振捣幵抹平，浇注24 h后脱模幵在标准养护室养护28 d，试验前3 h仍养护室取出晾干。

实验结果表明：聚丙烯纤维在混凝土中的掺量对试件抗弯韧性有一定的影响，同时单掺或混掺不同几何尺寸粗合成纤维后，试件具有很好的韧性，呈延性破坏；抗弯韧性指数随纤维掺量的增加而增大；基体强度提高时，抗弯韧性指数略有上升；纤维直径不同时，抗弯韧性指数变化不明显。

3.3 疲劳试验

疲劳试验对于混凝土的性能鉴定起着重要的作用，在疲劳试验前，必须采用三分点加载法先对混凝土小梁进行静载弯曲破坏试验以测得混凝土的抗折强度。幵且对材料的选取方面，要保证每种材料取6根试件，幵求平均强度。试验先对普通混凝土进行，试件龄期为28 d，疲劳试验的应力比(疲劳荷载与破坏荷载之比)取0.5、0.55、0.6、0.7、0.8 五种。每个应力比作3到4个试件。由于应力比0.5时疲劳循环次数很大，造成仪器出现一定故障，该应力比仅完成了一个试件。

实验结果表面：在相同应力比下，纤维混凝土的疲劳寿命高于普通混凝土；聚丙烯腈纤维混凝土的疲劳寿命是普通混凝土的2.02～2.33倍，平均为2.16倍。

3.4 混凝土的养护

试验养护环境分别为自然环境、室内养护室、及干燥养护箱。试验期间日最高气温 36 ℃，日最低气温 7～28 ℃，空气相对湿度 21%～96%；GZ一在养护箱中迚行，温度为(20±2)℃、相对湿度为60%±5%，通过相关试验发现：

（1）相比室内养护条件，自然和干燥养护条件下，普通混凝土的收缩变形分别增加了 270%和302%。并且随着养护条件的劣化，混凝土的收缩率也加大。此外在室内养护的环境下，普通混凝土的收缩变形曲线并不随着养护的龄期增长有显著地变化，这有效地表明了保持混凝土表面的湿度能够有效降低混凝土的干燥收缩变形，增强混凝土的性能。

（2）无论是室内养护、还是自然养护，或者是水养7 d后再迚行干燥养护，聚丙烯纤维和改性聚酯纤维混凝土的收缩率均小于普通混凝土，说明掺入合成纤维能够减少各种养护环境下混凝土的收缩。同时结合疲劳试验的结果，在室内标准养护条件下，聚丙烯纤维混凝土的疲劳寿命是普通混凝土的1.8～2.6倍左右。在室外养护条件下，提高幅度更大，这对延长道面混凝土的使用寿命有重要意义[2]。

4 结论与建议

化学合成纤维在混凝土中的应用，能很大程度上提高混凝土的性能，然而其性能好坏以及性能的提高幅度与所掺纤维品种、掺量的大小等有关，也与养护条件有关。在对纤维混凝土的开发与应用是，需要考虑多方面因素的影响。

［1］公路:邓宗才，何唯平，孙成栋．聚丙烯纤维增强水泥混凝土的抗弯性能[J]．2004(2)：129-134.

［2］混凝土:詹镇峰. 合成纤维混凝土组成与性能的试验研究[J]. 2005(2)：32-35．

Research on Application of Chemical Synthetic Fibers in Cement Concrete

ZHANG Fu-dong
（Zhumadian Dayuan Highway Bridges Survey and Design Institute, Henan Zhumadian 463000，China）

Synthetic fiber reinforced concrete is a new type of concrete material which has obtained rapid development in recent years. Synthetic fibers can significantly improve the concrete tensile toughness, frost resistance, abrasion resistance, and can effectively prevent early crack problems of concrete. In this article, synthetic fiber reinforced concrete as a new type of building material was briefly introduced. Mixing performance, frost resistance and tensile properties of polypropylene fiber concrete were tested.

Cement concrete; Chemical synthetic fibers; Study

TQ 172

A

1671-0460（2014）10-2084-03

2014-07-09

张付东（1973-），男，高级工程师，毕业于北京建筑工程学院道桥专业，研究方向：现从事公路桥梁勘察设计等相关工作。