聚丙烯具有價格低、物理力學(xué)性能好、抗早期塑性千燥收縮、抗爆、抗沖擊、抗疲勞、韌性好等特點，常用作非結(jié)構(gòu)性補強(qiáng)材料。 
早期混凝土中使用的聚丙烯纖維，大多是由聚丙烯薄膜經(jīng)高倍拉伸后，再經(jīng)針輥穿刺而成的束狀合成纖維，習(xí)慣上稱為聚丙烯膜裂纖維。目前生產(chǎn)方法是直接拉絲制成的單絲束狀集合體，每一束中有多根纖維單絲，在投人攪拌時自動分散。某些聚丙烯纖維生產(chǎn)過程中經(jīng)過了特殊的表面處理，這樣保證了聚丙烯纖維與混凝土中水泥水化物之間較好的粘結(jié)。 
目前工程中常用的是美國生產(chǎn)的DR纖維，其經(jīng)過特別的工藝處理，可以保證纖維在混凝土中長期發(fā)揮功效，保持混凝土優(yōu)良的性能。表1列出杜拉纖維主要技術(shù)參數(shù)。 
表1 杜拉纖維主要技術(shù)參數(shù) 
材料 纖維類型 密度 吸水性 熔點 導(dǎo)熱性 導(dǎo)電性 拉伸極限 
聚丙烯 束狀單絲 0.91g/cm3 無 168℃ 極低 極低 15% 
抗拉強(qiáng)度 安全性 吸濕率 抗酸堿性 燃點 旦尼爾 彈性模量 自分散性 
≥276MPa 無毒材料 ≤0.1% 極高 580℃ 15±2 3793MPa 好 


1研究狀況 
與木材、鋼材等建筑材料相比，混凝土有著十分明顯的優(yōu)點，但也存在著一些缺點。如抗拉強(qiáng)度低，通常其抗拉強(qiáng)度只是抗壓強(qiáng)度的1/8-1/6；極限拉伸率極小，僅為0.005%-0.05%，在受拉或受彎時的變形能力很差且呈脆性破壞，抗斷裂性、抗沖擊性相應(yīng)較低。 
早在20世紀(jì)60年代中期，Goldfein用合成纖維作為水泥混凝土增強(qiáng)的可能性，發(fā)現(xiàn)尼龍、聚丙烯、聚乙烯等纖維有助于提高混凝土的抗沖擊性能。而Zollo等的試驗結(jié)果表明，若在混凝土巾旅右0.1％-0.3％的聚丙烯纖堆，可使混凝土的塑性收縮減少12%-25%。Grzybowaki與Shah用圓環(huán)形試件測定不同纖維體積摻率的聚丙烯纖維混凝土的裂縫寬度，發(fā)現(xiàn)該值隨纖維摻率的提高呈現(xiàn)較大幅度的下降。Ramakrishnantan的研究結(jié)果表明，摻有0.1%-0.3%聚丙烯纖維的混凝土經(jīng)過200萬次加荷后，疲勞極限較素混凝土增加15%-18%。Hughes等研究了摻入原纖化和單絲聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并指出摻入聚丙烯纖維后混凝土的增韌效果顯著。 
國內(nèi)關(guān)于聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的研究是隨著聚丙烯纖維在國內(nèi)建設(shè)項目中的大規(guī)模應(yīng)用開始的，目前主要集中于聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土的物理力學(xué)性能的研究。朱江等根據(jù)美國、日本、韓國和中國等七家試驗室對PFRC的力學(xué)試驗進(jìn)行誤差分析，建立力學(xué)性能計算，并按我國混凝土規(guī)范建立的變異系數(shù)原則修正力學(xué)關(guān)系，從而使PFRC的力學(xué)性能設(shè)計指標(biāo)能與現(xiàn)行國家混凝土規(guī)范并軌。谷章昭等研究認(rèn)為，摻入合成纖維后可以使數(shù)以萬計的纖維均勻地分布在混凝土內(nèi)部，混凝土塑性階段干縮及冷卻所產(chǎn)生的表面裂縫一旦延伸到纖維即可停止發(fā)生。纖維的抗裂性取決于纖維的長度與摻量，綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)一并考慮，纖維摻量為0.6-0.9kg/m3已有良好的抗裂性。中國國家建筑材料測試中心按中國國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ82-85對摻有0.1%體積率的聚丙烯單絲纖維混凝土與素混凝土進(jìn)行抗?jié)B試驗和50次凍溶循環(huán)后試件重量與抗壓強(qiáng)度損失作了對比，證明聚丙烯的摻人對于抗?jié)B和降低強(qiáng)度損失方面有較好的效果。馬一平等在聚丙烯對于水泥混凝土性能影響方面主要研究內(nèi)容有：聚丙烯單絲與水泥石界面脫粘強(qiáng)度及其影響因素；聚丙烯纖維對水泥復(fù)合材料物理力學(xué)性能，聚丙烯纖維參數(shù)、纖維幾何形態(tài)對水泥混凝土塑性干縮開裂性能的影響等。沈榮熹研究了低摻率合成纖維在混凝土中的作用機(jī)制，歸納總結(jié)了合成纖維作為混凝土增強(qiáng)材料的特點，表明低摻率合成纖維在混凝土中具有阻裂和增韌作用。亢景付介紹了水泥混凝土早期塑性收縮的發(fā)展過程，約束狀態(tài)下塑性收縮變形及收縮應(yīng)力的量測方法，聚丙烯纖維的尺寸和摻量對改善塑性收縮裂縫的影響，并嘗試著對聚丙烯纖維阻裂增韌的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。 
相比之下，國內(nèi)對于纖維作用深層次的微觀機(jī)理如：纖維增強(qiáng)材料的疲勞行為、疲勞裂紋的增長機(jī)理等的研究等還很少有報道。同時由于各種原因，國內(nèi)外研究的重點都放在了短纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料上，而長纖維及其織物增強(qiáng)水泥復(fù)合材料研究的相關(guān)報道則較少。 
有報告稱“摻人DR纖維的混凝土比未摻人杜拉纖維的混凝土無論是抗壓強(qiáng)度還是軸心抗壓強(qiáng)度都有明顯的提高”；也有觀點聲明“低摻率合成纖維對混凝土的抗壓、抗拉與抗彎強(qiáng)度以及楊氏彈性模量均無明顯影響。”中國國家建筑材料測試中心曾對美國兩家公司的聚丙烯纖維分別以低摻率加入于混凝土中進(jìn)行壓、拉、彎強(qiáng)度指標(biāo)的檢測，那些“低摻率的合成纖維即可適度提高混凝土強(qiáng)度指標(biāo)”的試驗結(jié)果“很可能是帶有選擇性的”。 
一般而言，在混凝土中加人聚丙烯纖維能顯著改善混凝土的以下性能: 
(1)收縮能力。當(dāng)混凝土中含有低摻率的聚丙烯纖維時，即可顯著減少其塑性收縮與早期干縮，纖維體積摻率越大效果愈佳。 
(2)抗裂抗?jié)B能力。聚丙烯纖維阻止了混凝土的離析現(xiàn)象，提高了澆注體的整體性，不致發(fā)生各層的不均勻收縮，可顯著減少裂縫的數(shù)量、裂縫的長度和寬度，并因而降低生成貫通裂縫的可能性，提高抗?jié)B能力。 
(3)抗凍能力。聚丙烯纖維可以減少多次凍融循環(huán)溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部的抗拉集中應(yīng)力，阻止微裂縫中擴(kuò)展;混凝土抗?jié)B能力的增加也可大大增加混凝土的抗凍能力。 
2抗裂增韌作用機(jī)理 
混凝土澆注后由于泌水的原因會在其內(nèi)部形成很多毛細(xì)泌水通道，當(dāng)混凝土表面水份的蒸發(fā)速度大于水份向表面的遷移速度時，混凝土失水將由表及里向深處發(fā)展，毛細(xì)孔內(nèi)水的彎液面的曲率也將隨之逐漸增大(如圖1所示)。根據(jù)毛細(xì)原理，毛細(xì)管內(nèi)水的張力作用將使凹液面有縮小的趨勢，這種趨勢造成的孔內(nèi)負(fù)壓將使毛細(xì)管壁受到持續(xù)增長的壓縮作用。當(dāng)這種壓縮作用受到約束時，混凝土的表面將會因為處于受拉狀態(tài)而開裂，這是混凝土產(chǎn)生收縮并最終發(fā)展為裂縫的微觀原因。 
關(guān)于纖維混凝土理論研究表明，聚丙烯纖維對混凝土綜合性能改善很可能不是增加強(qiáng)度而是抗裂增韌。聚丙烯纖維摻人混凝土中所起的阻裂作用大致可分為兩個階段： 
2.1塑性收縮過程中的阻裂作用 
當(dāng)混凝土處于半流態(tài)或塑性階段，由于沉降運動、毛細(xì)管壓力、早期化學(xué)收縮以及自收縮等引起塑性收縮。當(dāng)這種變化受到約束且約束應(yīng)力超過混凝土抗拉應(yīng)力時所誘發(fā)宏觀裂縫稱為塑性裂縫。由于聚丙烯纖維的加入，可以顯著的減少甚至完全消除混凝土澆注后所產(chǎn)生的塑性裂縫。其原因為：(1)均勻散布的聚丙烯纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了“支撐”集料的作用，其作用效果是阻止了集料的沉降；同時可以減少混凝土表面的析水。這種水、料的離析使得表層失水迅速而發(fā)生較大的沉降，從而導(dǎo)致表面出現(xiàn)比較多的裂縫，這種裂縫常稱為沉降裂縫。由于聚丙烯纖維的加人可以有效的防止和抑制混凝土的離析傾向，故而也就減少甚至完全阻止了混凝土表層的裂縫產(chǎn)生。(2)聚丙烯纖維在塑性狀態(tài)的混凝土中承受干縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，因而減少裂縫的數(shù)量。塑性狀態(tài)的混凝土強(qiáng)度很低，當(dāng)水分蒸發(fā)時，混凝土因收縮而發(fā)生拉應(yīng)力，極易引起裂縫。大量均勻分散在混凝土中的單絲聚丙烯纖維可承受此種拉應(yīng)力，減少與防止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。 
2.2硬化過程中的阻裂作用 
硬化階段的混凝土?xí)�發(fā)生千燥收縮、碳化收縮和溫度收縮。在混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維，當(dāng)混凝土中一旦有裂縫發(fā)生時，因為裂縫的前端與纖維相交，當(dāng)微裂縫的長度大于纖維的間距時，纖維將跨越裂縫起到傳遞荷載的橋梁作用，使混凝土內(nèi)的應(yīng)力場更加連續(xù)和均勻，使微裂縫尖端的應(yīng)力集中得以鈍化，裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展受到約束，使得引起裂縫的拉應(yīng)力得以削弱和消除；當(dāng)微裂縫的長度小于纖維的間距時，纖維將迫使其改變方向或跨越纖維生成更微細(xì)的裂縫場，顯著增大了微裂縫擴(kuò)展的能量消耗。 
根據(jù)“纖維間距理論”，沈榮熹認(rèn)為非連續(xù)纖維在混凝土中的阻裂效應(yīng)很大程度上取決于纖維的平均間距(S值)與單位體積纖維混凝土中纖維的根數(shù)(N值)，S值與N值可分別由下面公式計算： 
………………（1） 
………………（2） 

式中：S為纖維平均間距(纖維中心間距平均值)；d為纖維直徑；Vf為纖維體積滲率；r為纖維密度；W為單方纖維混凝土中纖維重量；N為單方纖維混凝土中纖維的根數(shù)；l為單根纖維的長度。 
上述分析表明，就纖維的阻裂效應(yīng)而言，在單位混凝土體積內(nèi)纖維的根數(shù)越多，纖維的間距越小，纖維的阻裂效果越好；或者說單位體積混凝土內(nèi)纖維分散后的表面積越大，阻裂效果越好(見圖2)。以長度規(guī)格為19Inm的DR纖維為例，其直徑為48μm，比重為0.91，當(dāng)在混凝土中的纖維滲率為0.1%時，纖維平均間距只有1.9mm，此時n值2，9x107根/m3。 
聚丙烯纖維細(xì)度高、數(shù)量多的特點使其能有效的限制早期混凝土由于離析、泌水、收縮等因素引起的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，宏觀效果是使混凝土中直徑大于50nm的孔隙含量大量減少。Mehta認(rèn)為，只有100mm以上的孔才對抗?jié)B性有害，小于50nm的孔數(shù)量的多少可能反映出膠凝數(shù)量的多少，水化產(chǎn)物多，則抗?jié)B性好。均勻分布在混凝土中彼此相粘連得大量聚丙烯微纖維起了承托骨料的作用，降低了混凝土表面得析水和骨料離析，從而使混凝土中直徑為50-100nm和≥100nm的孔隙含量大大降低，達(dá)到了抗裂抗?jié)B的目的，從而大幅度提高混凝土的耐久性。 
3應(yīng)用展望 
聚丙烯纖維用于混凝土工程始于美國、加拿大并迅速推廣至墨西哥、澳大利亞、日本等國家與地區(qū)。我國于20世紀(jì)90年代初期自廣州至佛山高速公路的部分路段路面工程中試用了聚丙烯纖維混凝土，90年代中后期即在土木與建筑工程中大量使用。 
具有顯著阻裂效應(yīng)的聚丙烯纖維多用于路面、橋面等易開裂的薄板混凝土結(jié)構(gòu)，但其作用并不僅限于抑制混凝土塑性開裂。當(dāng)混凝土表面的宏觀塑性裂縫和尺度大幅下降后，路面、橋面混凝土的整體性能將有顯著提高，抵抗動荷載的能力也將顯著增強(qiáng)。可以說，聚丙烯纖維阻裂效應(yīng)對混凝土性能的改善作用最終體現(xiàn)在通過提高混凝土材料介質(zhì)的連續(xù)性、整體性使路面、橋面混凝土的綜合性能得以提高。 
從理論上說，聚丙烯纖維可以用于包括水利工程在內(nèi)的任何混凝土工程，這樣可以發(fā)揮纖維混凝土抗?jié)B、抗凍、抗沖刷、耐磨性能好的特點。大型水利工程中，如何防止大壩的混凝土面板出現(xiàn)裂縫和提高壩體的抗變形能力，一直是工程中最重要的技術(shù)難題。曾有消息說“三峽大壩出現(xiàn)大裂縫”，有關(guān)專家認(rèn)為:該裂縫是“表面向淺層發(fā)展的溫度裂縫，不是結(jié)構(gòu)型裂痕”，“經(jīng)過處理后，能夠滿足工程設(shè)計和安全運行要求”。盡管大壩出現(xiàn)細(xì)小裂縫屬于正常現(xiàn)象，裂縫在國內(nèi)外所有水電工程中均不可避免，但是如果采用聚丙烯混凝土澆鑄大壩面板肯定對克服大壩表面的裂縫會有所幫助。 
高品質(zhì)的聚丙烯纖維用于混凝土工程是纖維混凝土的發(fā)展方向。對于某些在韌性、抗裂性上有特殊要求的工程，聚丙烯纖維材料的摻人可以較好的改善混凝土在此方面的性能。相信在不太久遠(yuǎn)的將來，作為新型工程復(fù)合材料的聚丙烯纖維混凝土將逐步顯示出其性能優(yōu)勢。