聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用

鉴定文件汇编

北京城建集团有限责任公司混凝土分公司

聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用

鉴定大纲

一、 鉴定项目名称

聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用

二、 鉴定形式及组织鉴定单位

1. 鉴定形式：专家评议

2. 组织鉴定单位：北京市建设委员会

三、 鉴定内容

通过审查技术文件，对本成果技术水平的先进性和实用性及质量指标、应用前景做出评价。

四、 会议审查技术文件

1. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用鉴定大纲

2. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用研究工作报告

3. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用技术工作报告

4. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土生产技术规程

5. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土检测报告

6. 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土工程应用证明

7. 科技查新报告

五、 鉴定会议程序

1. 通过鉴定委员会名单

2. 由鉴定委员会组织鉴定，通过鉴定大纲

3. 由课题组介绍研究工作技术及应用报告

4. 文件审查及评价

5. 鉴定委员会提出意见

6. 鉴定委员会通过鉴定意见并签名

7. 会议结束

聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用

工作报告

一、 概述

混凝土作为现代建筑工程中最大宗的原材料，在保证建筑工程质量，改善人们的生活居住及工作环境方面发挥了巨大的作用。特别是近十多年提出高性能混凝土概念以来，研究、开发、应用高性能混凝土已经成为一种趋势。在这种情况下，针对预拌混凝土施工过程中出现的诸多问题，各施工企业、预拌混凝土生产企业和科研单位都从不同角度进行了研究并予以解决，使混凝土由最早的单一品种逐步走向多品种、多功能并逐步完善。但是，自从水泥混凝土出现以来，裂缝问题一直困扰着人们，特别是大流动性混凝土的使用、外加剂的引入及强度等级的提高使水泥用量大大增加，都不同程度的增加了混凝土在水化硬化后出现裂纹的机率。因此，研究混凝土裂缝产生的原因，控制和预防裂缝的出现，是业内人士长期努力奋斗的目标。

二、项目来源

本项目的研究与开发是根据目前混凝土存在的问题和修建国家大剧院及奥运会大型体育场馆对混凝土防渗抗裂的要求，由北京城建集团有限责任公司于2000年3月组织立项的。研究时间为2000年3月至2001年10月。

三、本研究的主要内容

纤维抗渗防裂混凝土是采用水泥、砂石、外加剂掺合料经优化配比后，掺加适量纤维以改善混凝土防渗抗裂性能、提高混凝土防裂能力、延长混凝土使用寿命的特种混凝土。这项技术的研究，是为了解决混凝土在水化硬化早期及后期出裂缝影响混凝土使用寿命的技术难题。

四、纤维抗渗防裂混凝土研究的技术路线及技术方案

4.1 纤维抗渗防裂混凝土研究的技术原理

纤维抗渗防裂混凝土是充分利用混凝土各种原材料在混凝土中的功能优势，通过优化配料，使用干燥收缩较小的水泥，降低混凝土干缩的外加剂、掺合料，配制出具有刚性防水抗裂功能的结构密实的基体混凝土，然后在这种混凝土的基础上掺加纤维，改善此混凝土的孔结构，通过乱向分布的纤维各向同性的特性，限制和约束混凝土在不同方向的结构缺陷破坏，从而达到防止裂缝出现的目的。这样配制的纤维抗渗防裂混凝土，从原理上看，就具备刚柔相济，柔中带刚的抗裂防渗功能。

4.2 纤维抗渗防裂混凝土研究的技术路线

纤维抗渗防裂混凝土研究的技术路线是：先将水泥、外加剂、掺合料、纤维对混凝土收缩的影响进行试验，从中选出强度等级和工作性能相通、收缩值最低、抗拉强度和抗折强度最高的单因素配比，然后进行方案优化选择出最合理的配比，经检测各项主要力学性能指标满足设计要求后再应用于实际工程。

4.3 纤维抗渗防裂混凝土研究的技术方案

为了得到最优的研究结果，我们采用单因素试验方法优选，然后将各种因素综合考虑，得到最佳配比。其流程如下图：

图4-1 纤维抗渗防裂混凝土研究技术方案

五、纤维抗渗防裂混凝土的研究阶段

本研究的主要内容分为以下几个阶段进行：

5.1  纤维抗渗防裂混凝土试验用基准混凝土的性能研究试验

（1） 膨胀剂对混凝土性能的影响

（2） 防水剂对混凝土性能的影响

（3） 掺合料对混凝土性能的影响

5.2 纤维抗渗防裂混凝土性能的试验

（1） 抗碱玻璃纤维抗渗防裂混凝土的试验

（2） 聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的试验

（3） 钢纤维抗渗防裂混凝土的试验

5.3 纤维抗渗防裂混凝土的性能检测

5.4 纤维抗渗防裂混凝土的工程应用

六、研究结论

本研究通过对纤维抗渗防裂混凝土各种原材料的优选、配合比的调整，特别是纤维品种的选择和掺量的调整试验，配制出符合抗渗防裂要求，具有良好施工性能的纤维混凝土，应用于工程实践，得出以下结论：

1． 采用优化配比的基准混凝土，分别掺加膨胀剂（或防水剂）和聚丙烯纤维，可以分别配制出适用于潮湿环境或干燥环境的纤维抗渗防裂混凝土。这种混凝土生产成本低，工作性能好，在相应的环境工作中具有良好的抗渗漏、防裂、防潮、护筋作用，有效的改善了混凝土的耐久性，对提高建筑物的使用寿命发挥了积极的作用。

2． 采用膨胀剂、防水剂和聚丙烯纤维复合配制混凝土，实现了无机刚性防裂、有机刚性防裂及复合材料柔性防裂的有机结合，在改善水泥基胶凝材料的功能方面具有鲜明的技术创新性，为今后混凝土向高性能、多功能方向发展提供了一条值得借鉴的方式方法。

3． 纤维抗渗防裂混凝土采用国产改性聚丙烯纤维，它比国外同种纤维具有分散性能好，价格低等优势，单方混凝土造价比基准混凝土增加32元，与掺加膨胀剂或防水剂的混凝土造价基本接近，不须额外增加费用。但防裂效果、适用范围明显改善和增加，施工养护中可节省人工费3~5元/m3，因此具有明显的技术经济效益。

七、主要完成人员

聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土研究与应用

技术报告

一、概述

纤维抗渗防裂混凝土是采用水泥、砂石、外加剂掺合料经优化配比后，掺加适量纤维以改善混凝土防渗抗裂性能、提高混凝土防裂能力、延长混凝土使用寿命的特种混凝土。这项技术的研究，是为了解决混凝土在水化硬化早期及后期出裂缝影响混凝土使用寿命的技术难题。

二、国内外混凝土使用过程中出现的问题及产生原因

目前国内外建设的许多大型桥梁、江河堤坝、大型体育场馆等公用设施，都或多或少的出现结构缺陷裂缝，有的部位已经延伸到钢筋部位，使混凝土建筑物（构筑物）的整体性受到破坏，堤坝出现渗漏，地下室渗水变潮，桥梁的安全性受到质疑并最终拆除重建，许多公共场所被迫关闭，造成大量的人力物力浪费，人们的生命财产安全受到严重威胁。究其原因，主要是由于混凝土在使用的过程中内部应力集中，使内部存在结构缺陷的混凝土产生微裂纹，并逐渐扩展延伸最终形成较大的裂缝。随着这些裂缝的产生与扩展，其表层逐渐碳化，当裂缝扩展至钢筋时，混凝土的护筋作用完全丧失，空气中的腐蚀性气体直接侵害钢筋导致钢筋锈蚀，引起钢筋混凝土结构的破坏最终完全失效。

三、国内外预防裂缝产生的方法及不足

根据裂缝产生的机理，目前国内外预防裂缝主要采取以下三种方式：

3.1  膨胀剂抗裂

根据混凝土开裂原因的分析，目前为防止混凝土裂缝的产生，在注意砂石粒径及级配的基础上，一般采用掺加膨胀剂的方法。对于处于潮湿环境及地下的混凝土工程、游泳池及水工工程，此方法发挥了重要作用，基本上实现了在使用掺加膨胀剂混凝土后不开裂，不渗漏，保证了这些混凝土建筑物（构筑物）的正常使用。但对于大多数露天工程，特别是桥梁、大型体育场馆的顶板和屋架、大面积公用建筑的地面、飞机跑道等混凝土构筑物，掺加膨胀剂不仅不能起到防裂的作用，而且在使用过程中开裂的更严重，王铁梦教授多年的研究和测试结论也证明了这一点。究其原因，是由于膨胀剂的水化和水化产物的形成，必须在饱水的条件下进行，一旦周围环境水分不足，膨胀剂不仅不会起到膨胀抗裂作用，并且由于膨胀剂水化还要争夺原本不多的水分，在混凝土内部产生毛细管力，导致混凝土收缩，形成裂纹。在这种情况下，采用膨胀剂控制和预防露天条件下工作的混凝土的开裂显然并不适合。

3.2 传统纤维抗裂

除了掺加膨胀剂外，国内外也进行了大量的试验工作，采用掺加纤维的方法来改善混凝土的性能，并取得一定的成果。传统掺加的纤维有玻璃纤维、有机质植物纤维和钢纤维三种，从使用效果看，采用玻璃纤维的混凝土主要使用于玻璃纤维增强水泥制品，且水泥石液相中的Ca(OH)2会使玻璃纤维的硅氧键发生断裂，SiO2与Ca(OH)2发生反应生成低钙的水化硅酸钙，此种反应可以进行至玻璃中的SiO2完全消耗为止，因而玻璃纤维的抗拉强度大大降低，使混凝土的性能劣化，因此不能大规模应用于混凝土构筑物中。采用有机质植物纤维的混凝土由于纤维直径较大，强度较低，与水泥基胶结材料粘结效果较差，因此没有大规模推广使用。采用钢纤维的混凝土由于钢纤维与水泥的粘结效果好，且具有各向同性的特征，因此混凝土的强度明显提高，混凝土的耐磨性能、耐冲击性能、抗疲劳性能、韧性、抗爆性能等明显改善，减少了混凝土的各种结构缺陷，使混凝土的收缩受到一定限制，从而有效的预防了混凝土裂缝的出现。但是其昂贵的价格，复杂的操作工艺使其应用范围仅限于现场搅拌或有特殊要求的特种混凝土，不能大面积推广使用。以上三种纤维在预拌混凝土领域不能大规模应用的另一个原因就是掺加这几种纤维的混凝土坍落度损失大，扩展度小，工作性差，不利于长距离运输和泵送施工。

3.3 合成纤维防裂

针对膨胀剂防裂和传统纤维防裂方法的不足，国内外又研究了采用合成纤维配制混凝土来防止混凝土裂缝的出现。据报道，近年来，美国、德国、丹麦等国家先后提出在混凝土中掺加合成纤维来赋予混凝土一定的韧性以改善混凝土的抗裂性能。

3.3.1  国外研究及应用现状

美国NgcoN INC是尼龙纤维的生产商，它生产的尼龙纤维应用于预制混凝土构件和现场搅拌混凝土，改善了混凝土的表面质量及整体性，提高了混凝土的抗裂性能。该公司还研究了聚丙烯纤维和聚酯纤维在混凝土中的应用，值得我们借鉴。

丹麦也研究了应用聚丙烯纤维减少混凝土的早期收缩裂缝的技术，但由于掺加纤维后混凝土坍落度损失较大，没有大量应用。

德国Messrs P Baumhuter Rhedu-Wiedenbr uck 研究了聚丙烯纤维和它在混凝土中的应用，得出掺加该种纤维可以提高混凝土的抗裂及抗渗性能，抑制混凝土早期裂缝的产生；但应用于预拌混凝土中坍落度损失大，扩展度小，泵送性能差，没有在预拌混凝土行业大量应用。

3.3.2  国内研究及应用现状

国内从1993年起，上海建科院对纤维在混凝土中的应用开始研究，研究着重于钢纤维和尼龙纤维。1994年，上海建科院与中国纺织大学化学纤维研究所合作，对聚丙烯纤维在水泥中的应用进行研究，试验表明，聚丙烯纤维对控制减少水泥混凝土在水化硬化早期产生的裂纹有较大作用。在此基础上，上海建科院于1995年将聚丙烯纤维在水泥混凝土中的应用效果大力宣传，得到许多单位的大力支持，并根据不同的条件进行了试验，期望聚丙烯纤维广泛应用于预拌混凝土行业。

四、抗渗防裂混凝土先行研究的技术成果

为了从源头上消除混凝土裂缝，解决混凝土在水化硬化及使用过程中出现的裂缝问题，提高混凝土建筑物（构筑物）的整体性、稳定性、安全性和耐久性，研究和开发具有抗裂防渗性能的纤维混凝土，大批量应用与泵送混凝土施工，就显得非常必要。

在现有的试验条件下，结合国内外研究成果，研究和开发纤维抗渗防裂混凝土有以下几个可借鉴的技术。

4.1 掺加膨胀剂抗渗防裂技术

对于地下及处于潮湿环境的混凝土结构工程，采用掺加膨胀剂的办法提高混凝土的防渗抗裂性能，已经取得圆满成功。因此，我们研究纤维抗渗防裂混凝土时，对于地下及处于潮湿环境工作的混凝土可以汲取该项技术的优势，应用于新的研究过程，可实现优势迭加，把低成本的刚性防裂和柔性防裂有机结合，从而达到抗渗防裂的有机统一，实现抗裂防渗的合理匹配。

4.2  掺加防水剂防水抗裂技术

对于地下及地上有防水要求的混凝土工程，采用防水剂可以增加混凝土的结构密实度，防止了自由水和结合水在混凝土内部的分解、移动、蒸发，从而有效的预防了混凝土脆性裂纹的产生。这种抗裂措施的有效实施跨越了膨胀剂只适用于地下和潮湿环境使用范围的障碍，使刚性防裂由地下及潮湿环境扩大到整个混凝土工程。因此，在成本增加不大的情况下，我们研究纤维抗渗防裂混凝土时，可以吸收该技术的优势，有效改善混凝土的抗裂性能。

4.3  掺加矿物掺和料降低混凝土水化热抗裂技术

对于大流动度混凝土，当水泥用量较多时，水化热较高，混凝土内部温度梯度太大，会产生一定的温度裂纹，因此，为防止这些温度裂纹的产生，在混凝土中掺加一定量的矿物掺和料，降低混凝土的水化热，延缓水化峰值的出现，降低混凝土内部的温度梯度，减少混凝土的温度裂缝出现的可能性，同时可以提高混凝土结构的密实度，从而达到预防混凝土裂缝产生的目的。

由于这项技术相当成熟，并且在国内外各大型混凝土生产企业均采用，因此结合这项技术，在研究纤维抗渗防裂混凝土时有效地利用这一优势，也是研究开发出优质的抗渗防裂混凝土的一项有利的技术基础。

4.4  高效减水剂的应用技术

大批量高效减水剂的应用，为改善混凝土施工性能，提高耐久性创造了良好的条件。为了消除传统纤维混凝土只适用于现场搅拌，无法泵送的不足，高效减水剂的应用为本研究起到了润滑油的作用，它为纤维防裂抗裂混凝土的泵送施工铺平了道路。

4.5  网状单丝短纤维材料

网状单丝短纤维出现，彻底消除了传统纤维价格昂贵、含碱量高、与水泥粘结效果差、长纤维较粗且不利于泵送等缺陷，使掺加纤维预拌混凝土的坍落度损失较小、扩展度较大、工作性能良好，这些都有利于纤维抗渗防裂混凝土泵送施工及大批量生产。

通过以上几个方面的技术储备，研究和开发纤维抗渗防裂泵送混凝土具备了一定的技术基础。

五、纤维抗渗防裂混凝土的试验研究

5.1 各种原材料对纤维抗渗防裂混凝土收缩性能的影响

各种原材料在纤维抗渗防裂混凝土的生产应用过程中起到非常重要的作用，特别是对混凝土的使用功能、耐久性指标等均会产生直接影响。因此通过大量的试验，优选出混凝土原材料及纤维的最佳掺量，是本研究的关键。

5.1.1  水泥品种对纤维抗渗防裂混凝土收缩性能的影响

为了选择适合配制纤维抗渗防裂混凝土的水泥，我们分别使用普通硅酸盐水泥（P．O）、矿渣硅酸盐水泥（P．S）、粉煤灰硅酸盐水泥（P．F）、火山灰质硅酸盐水泥（P．P）采用同样的配合比配制混凝土，对它们的收缩性能进行试验，从中优选出收缩较小的水泥品种用于本研究。收缩试验结果见表5-1。

表5-1  不同品种水泥混凝土的收缩值

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-1  不同品种水泥混凝土的收缩值

通过以上数据可知，几种水泥的收缩值在标准养护条件下差别不大，但是在干燥环境下区别则较为明显，采用普通水泥收缩值较小，火山灰质硅酸盐水泥有明显的收缩，粉煤灰水泥和矿渣水泥的收缩值差别不大。因此要配制收缩值较小的混凝土，优先选用普通水泥。

生产抗裂混凝土优先选用普通硅酸盐水泥从理论上讲，主要是因为普通硅酸盐水泥中熟料的含量较高，所以它的C3S、C2S、C3A、C4AF的比例较大，当水泥水化时，由于各种成分都能在适当的时间内水化，生成稳定的水化产物，并且这些水化产物都不具有可逆的分解性能，因此结构稳定，收缩较小。而火山灰质水泥由于需水量大，容易导致混凝土内的水泥凝胶体积缩减，引起混凝土结构的缩减，表现在外观上就是体积收缩。当混凝土水化后各部位应力分布不均匀时就会产生应力集中，导致结构缺陷的产生，继而引起裂纹。粉煤灰硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥由于需水量与普通水泥相差不多，而且在水泥熟料水化以后，粉煤灰和矿渣粉可以进一步水化，因此收缩较小。但由于其早期强度太低，与外加剂的适应性差，因此不适于用做研究纤维抗渗防裂混凝土的基准混凝土。

5.1.2膨胀剂对混凝土收缩的影响

为了改善混凝土的抗渗防裂性能，采用膨胀剂可以提高混凝土在

表5-2  不同掺量UEA混凝土的收缩值

潮湿环境下的抗渗防裂能力。因此我们对膨胀剂的掺量进行试验，选出适合配制纤维抗渗防裂混凝土的最佳掺量。

    由表5-2数据可知，对于掺UEA的混凝土，在标养条件下，由于有充足的水分，膨胀作用发挥，混凝土收缩小，但在干燥环境下混凝土收缩达到甚至超过不掺膨胀剂的混凝土。因此可以得出这样的结论：

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-2  不同掺量UEA对混凝土收缩的影响

对处于地下或潮湿环境中工作的混凝土采用膨胀剂可以起到膨胀补偿收缩，防渗抗裂的作用，且从6%~12%的掺量变化中，随着掺量的增加，膨胀值增大，且稳定性较好，其最佳的掺量为8%~10%，而对于干燥环境中工作的混凝土工程而言，掺膨胀剂不仅不起防裂作用，而且使收缩值更大，因此在配制潮湿环境中工作的混凝土或地下混凝土时，我们优选8%~10%的膨胀剂配料，使刚性防水起到最优效果。

5.1.3防水剂对混凝土收缩的影响

为确保在潮湿环境和干燥环境的混凝土都具有防水抗裂的能力，有的重点工程采用掺加防水剂的措施来改善混凝土的防水抗裂功能，为了选择合理的掺量，我们对防水剂（FS）的掺量进行了试验，以便找到最适合于工程应用的防水剂掺量。

表5-3  不同掺量防水剂混凝土的收缩值

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-3  不同掺量防水剂对混凝土收缩的影响

通过以上数据可知，掺加防水剂后的混凝土试件在标养和干燥空气中的收缩值相差不大，但随着防水剂掺量的增加，收缩值逐渐变小，超过2.5%后收缩值基本不变，因此我们认为掺加2.5%的防水剂，对于配制纤维防裂混凝土具有较理想的效果，使这种适应性很强的刚性防裂措施发挥作用。

5.1.4掺合料品种及掺量对混凝土收缩的影响

采用不同的掺和料，不同的掺量对混凝土收缩的影响也不同，为了满足不同的施工需要，我们对矿渣粉、粉煤灰和复合掺合料三种材料对混凝土的收缩影响进行了试验。

表5-4  不同掺合料品种和掺量混凝土的收缩值

通过表5-4数据可知，当矿粉掺量由10%~25%增加，混凝土的收缩逐渐减少，超过25%时收缩值又有所增加。因此用矿粉配制抗渗防裂混凝土时的掺量一般应在20%~30%；当粉煤灰掺量由10%~40%变化时，混凝土的收缩值逐渐由大变小，再由小变大，因此粉煤灰配制抗渗防裂混凝土时的掺量宜控制在15%~40%； FK为矿粉与粉煤灰复合的产品，当FK掺量由20%~50%变化时，混凝土的收缩值由大变小，当掺量超过40%时，混凝土在FK40%~50%的范围内收缩值趋于稳定，因此

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-4  不同掺量矿渣粉对混凝土收缩的影响

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-5  不同掺量粉煤灰对混凝土收缩的影响

（a）标养条件                      （b）干燥空气

图5-6  不同掺量复合掺合料对混凝土收缩的影响

我们在配制防渗抗裂混凝土时，其掺量应在40%~50%。

5.2  配合比的确定

通过以上原材料的选择分析，我们认为对于单项指标的选择基本完成，在这种条件下，对以上数据的最优方案进行了直接优选实验，经试验及调整后，较优的试验方案如下：

5.2.1原材料的选择

（1）水泥    北京P.O32.5

（2）砂子    采用永定河系中砂     M0=2.8

（3）石子    采用永定河系碎卵石   d=25.0

（4）外加剂  采用辛庄TZ1-2减水剂

（5）矿渣粉  比表面积400±20m2/kg

（6）粉煤灰  Ⅱ级

（7）防水剂　FS

（8）膨胀剂  UEA

5.2.2配合比的确定

通过原材料和其他技术参数的优选，选取C30强度等级的混凝土进行力学性能试验：

表5-5  优选的混凝土配合比

5.2.3混凝土收缩值

表5-6  混凝土收缩值

5.2.4结论

通过上述试验可知，在高湿条件下，采用UEA膨胀剂方案的混凝土收缩值不大，且试件的外观规整，在干燥空气中养护的混凝土试件，掺防水剂的收缩值小，基本上与标养条件下的相同，而且外观质量也非常完好；但是掺UEA的试件与高湿条件相比较收缩值明显增大。因此在配制纤维抗渗防裂混凝土时，如适用范围在潮湿工作环境应优选掺加UEA的配比1，在干燥环境中应优选掺加防水剂的配比2。

5.3 纤维的选择

在现有试验的基础上，我们采用固定的混凝土配比，通过改变纤维品种和掺量来研究混凝土的主要力学性能的变化情况。本项目采用的纤维有玻璃纤维，聚丙烯纤维和钢纤维。

5.3.1玻璃纤维

通过调研和分析论证，我们在已有的工作基础上，选择抗碱玻璃纤维作为本次研究的原材料。

表5-7 抗碱玻璃纤维的化学成分

表5-8  抗碱玻璃纤维的物理力学性能

表5-9  玻璃纤维的耐腐蚀性能

5.3.2聚丙烯纤维

聚丙烯纤维是一种束状的合成纤维，遇水搅拌后呈网状或乱向均匀分布，其纤维直径一般为20μm左右，经过许多厂家的研究改进，现在已经在市场可以购得网状和单丝聚丙烯纤维，杜拉纤维等品种。

表5-10  聚丙烯纤维的物理力学性能

过去工程界普遍认为聚丙烯纤维是一种低弹性模量纤维，掺量少，对混凝土的抗压强度，抗折强度，抗拉强度影响较小，不能作为一种结构性增强材料，但作为改善混凝土某种结构性能的材料，它的乱向分布形式极有优势，因此我们选用聚丙烯纤维作为抗渗防裂混凝土的抗裂成份。

5.3.3钢纤维

适量的钢纤维掺入混凝土拌合料中，与一般混凝土相比其抗拉抗弯等强度以及耐磨、耐冲击、耐疲劳、韧性和抗裂，抗爆等性能均有所提高，本研究重点研究钢纤维混凝土对混凝土收缩的影响，以便从中找到它与其它纤维的区别并选择出可以用于泵送施工的纤维混凝土。

表5-11  钢纤维的主要技术指标

考虑成本及其它因素，本研究只选用低碳钢纤维作为原材料。

5.4 纤维抗渗防裂混凝土的试验研究

为了保证试验结果的可靠性和试验数据的真实可比性，本次研究选用表5-5的配合比。纤维掺量按各自的性能调整。

5.4.1抗碱玻璃纤维抗渗防裂混凝土试验

5.4.1.1拌合物性能

拌合物中玻璃纤维的掺量分别为（占胶凝材料总量）：0%；0.5%；1.0%；1.5%；2.0%。

表5-12  抗碱玻璃纤维抗渗防裂混凝土拌合物性能

5.4.1.2物理力学性能

表5-13  抗碱玻璃纤维抗渗防裂混凝土力学性能

5.4.1.3抗碱玻璃纤维试验结论

通过以上数据可知，用于防渗抗裂的最佳纤维掺量为2.0%，抗玻璃纤维有以下特点：

（1） 抗拉强度明显提高，由于纤维的分布均匀，可以防止收缩开裂。

（2） 抗折强度高，极限变形值大，韧性较好。

（3） 耐冲击性较好。

（4） 预拌混凝土流动性较差，不便于泵送施工。

5.4.2钢纤维抗渗防裂混凝土试验研究

5.4.2.1拌合物性能

拌合物中钢纤维的掺量分别为（占胶凝材料总量）：0%；0.5%；1.0%；1.5%；2.0%。

表5-14  钢纤维抗渗防裂混凝土拌合物性能

5.4.2.2物理力学性能

表5-15 钢纤维抗渗防裂混凝土力学性能

5.4.2.3钢纤维抗渗防裂混凝土试验结论

通过以上数据可知，用于防渗抗裂混凝土的钢纤维混凝土最佳掺量为1.5%，钢纤维抗渗防裂混凝土有以下特点：

  （1）抗拉强度明显提高，由于钢纤维的乱向分布，可以有效地抑制混凝土的收缩应力，约束和限制了裂缝的产生。

  （2）抗弯曲性能好，极限变形大，可以有效地抑制外力破坏形成的裂纹。

  （3）预拌钢纤维混凝土存在流动性差，特别在使用刚度较大的纤维时，在搅拌及运输过程中容易使钢纤维结团，不利于泵送施工。

5.4.3聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的试验研究

5.4.3.1拌合物性能

拌合物中聚丙烯纤维掺量分别为0Kg/m3；0.6Kg/m3；1.0 Kg/m3；1.4 Kg/m3。

表5-16  聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土拌合物性能

5.4.3.2物理力学性能

表5-17  聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土力学性能

5.4.3.3聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土试验结论

通过以上数据可知，聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土有以下几个特点：

（1）抗拉强度增高10%以上。由于聚丙烯纤维为单层网状或单丝乱向分布结构，与混凝土各组的接触面较大，各自分布均匀，布局合理，因此可以有效地抑制混凝土的自收缩，防止混凝土裂纹的产生。

（2）抗折强度增加10%左右，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产生。

（3）预拌纤维抗渗防裂混凝土的和易性好，便于泵送施工。

（4）抗压强度略有降低，下降幅度一般在10%左右。

（5）根据各项性能，在考虑经济因素，聚丙烯纤维一般掺加1Kg/m3比较合适。

5.4.4纤维抗渗防裂混凝土试验研究结论

    经过对抗碱玻璃纤维抗渗防裂混凝土、钢纤维抗渗防裂混凝土、聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的技术数据对比分析，抗碱玻璃纤维虽然比传统的玻璃纤维混凝土有很大改进，但仍存在纤维较长，混凝土和易性差，搅拌不易均匀等缺陷；钢纤维抗渗防裂混凝土具有良好的物理力学性能，但钢纤维价格昂贵，在使用过程中采用刚度较大的纤维时，搅拌不方便，给操作带来困难，因此在本研究中不选择这两种纤维配制抗裂混凝土。聚丙烯纤维由于其配制的混凝土和易性好，抗拉、抗折强度明显提高，价格适中，防裂抗渗性能均匀稳定，而且对耐久性有明显的改善，故在本研究中优选此种纤维。

5.4.5聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土性能检测

根据以上试验结果，我们采用聚丙烯纤维制作了一批砂浆及C30、C50混凝土试样送国家建筑材料测试中心、中国水利水电科学研究院工程检测中心、国家建材局水泥基材料科学重点实验室和北京市建设工程质量检测中心第三检测所，对掺加聚丙烯的纤维抗裂砂浆混凝土的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、极限拉伸等力学性能以及收缩性能、耐久性能和混凝土的亚微观结构进行了检测。

5.4.5.1力学性能

表5-18  聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土与普通混凝土的力学性能对比

从表5-18中可以看出，纤维混凝土比空白混凝土的抗拉强度和弹性模量增加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。

5.4.5.2混凝土的收缩

表5-19  聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土与普通混凝土的干缩对比

从上表可以看出，纤维混凝土比空白混凝土的干缩减小10%左右。

5.4.5.3混凝土的耐久性

表5-20  聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土与普通混凝土的抗冻性能对比

5.4.5.4混凝土的亚微观结构

图5-7 纤维混凝土的孔结构

    纤维混凝土的孔隙率随着水灰比的减小而减小，28天C30的孔隙率为21%，而C50为17%；随着龄期的增加，水泥继续水化，混凝土的孔隙率变小。在混凝土的孔径分布中，一般认为＞100nm的孔为有害孔，＜50nm的孔为无害孔，纤维混凝土中＞100nm的孔一般在5%以下，因此纤维混凝土的孔结构比较合理，这也是它的优良性能的内在原因。

从SEM照片可以看出，纤维在混凝土中呈不规则的乱向分布，这种分布形式在混凝土中形成大量微配筋，吸收了混凝土的应力；而且纤维与水泥胶体之间的粘结效果好，表现为纤维表面可以明显看到较多的水泥水化产物；纤维表面多发生蠕变变形，在破坏时纤维承担较多的剪切应力，提高了混凝土的剪切强度。

六、聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的工作机理

在试验室研究的基础上，我们对聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的工作机理进行了探讨。

6.1 纤维抗渗防裂混凝土的微观工作机理

纤维加入水泥基体中，理论上主要有三种作用，①提高基体的抗拉强度；②阻止基体中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；③提高基体的变形能力并从而改善其韧性与抗冲击性。

（a）C30

（b）C50

图5-8   纤维混凝土的扫描电镜照片

混凝土中均匀而任意分布的短纤维对混凝土的增强机理，存在两种解释模型：①纤维间距机理（又称纤维阻裂机理），该观点认为根据线弹性断裂力学来说明纤维对于裂缝发生和发展的约束作用，混凝土胶体在内部原来就存在缺陷，欲提高强度，必须尽可能地减少缺陷的程度，提高韧性，降低内部裂缝端部的应力集中系数。理论分析与实践证明，当纤维的平均中心距在小于7.6mm时，纤维抗渗防裂混凝土的抗拉、抗弯初裂强度均得到提高，可以防止和控制裂缝的出现；②复合材料机理，该理论的出发点是复合材料构成的混合原理将纤维增强混凝土看成是纤维强化体系，并应用混合原理来推定纤维抗渗防裂混凝土的抗拉和抗弯强度，提出了纤维抗渗防裂混凝土强度与掺入量，方向、长径比以及粘结力之间的关系式。

混凝土在水化硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥反应形成结晶体，这种晶体化合物的体积比原材料的体积小，因此要引起混凝土体积的收缩，在后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。这些应力某个时期超出了水泥基体的抗拉强度，于是在混凝土内部引起微裂缝，这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶之间以及凝胶体内部。

在施工中，如果没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂纹在内外应力的作用下，可能会发展为更大的裂纹，最终形成贯通的毛细孔道和裂缝，常常导致防水失败、混凝土结构碳化的加速和钢筋锈蚀等劣化作用，造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用。研究表明，多数裂缝与荷载无关，塑性收缩、干缩、温度变化等因素是混凝土开裂的主要根源。

由于聚丙烯纤维是单位体积内较大的数量均匀分布于混凝土内部，故微裂缝在发展的过程中必然遭到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到了抗裂的目的，纤维的加入犹如在混凝土中掺入了巨大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土的开裂进程，提高了混凝土的断裂韧性，而这些是钢筋所无法达到的。

总之，从微观工作机理看，聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土改善混凝土性能主要是通过物理力学作用改善混凝土内部结构，并不改善混凝土中各种材料本身的化学特性，因此不会危害混凝土的耐久性。

6.2 纤维抗渗防裂混凝土中纤维的功能及作用机理

聚丙烯纤维是一种经过特殊的生产工艺进行表面处理的纤维，同水泥基材有着极强的粘结力，美国曾利用电子显微镜对几种主要的混凝土纤维丝进行研究，与其它几种纤维比，聚丙烯单丝网状纤维可握裹更多的集料，同水泥基体有更紧密的结合力，因此可在混凝土中发挥更为有效的抗裂作用。我们所做的扫描电镜试验也可以说明这个问题。由于聚丙烯纤维可以迅速而轻易与混凝土材料混合分布极其均匀、彻底，每立方厘米水泥浆内有近二十条纤维丝，故能在混凝土（砂浆）内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种有效的二级加强效果。

对成型的试件用扫描电镜观察28d龄期混凝土中纤维表面状况，发现在混凝土中聚丙烯纤维的乱向分布形式大大有助于削弱混凝土塑性收缩及冻融时的应力，收缩的能量被分散到每立方米上万条具有抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝，从而极为有效地增强了混凝土（砂浆）的韧性，抑制了微细裂纹的产生和发展。

国内外同行的实践也证明，在混凝土（砂浆）中加入聚丙烯纤维，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段，同时无数的纤维丝在混凝土内形成的乱向支撑体系可以有效阻碍骨料的离析，保证混凝土早期均匀的泌水性，从而阻碍了沉降裂纹的形成。试验表明，同普通混凝土相比，体积掺量0.05%的聚丙烯纤维混凝土抗裂能力可提高近70%。现代工业与民用建筑大体积混凝土用量愈来愈大，结构形式越来越复杂，特别是国家大剧院、奥运大型体育场馆的建设，对水泥水化热、收缩等因素引起的开裂必须预防，因此从理论到实践到应用，聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土均具有较大的潜力。

七、聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土的工程应用

在试验室大量试验的基础上，我们分别在大运村公寓、百郎园、以色列驻华大使馆、北京中医药大学筒子楼改造等工程上分别对聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土进行了工业化试生产。

大运村工程是第二十一届世界大学生运动会的运动员村，大运会闭幕后作为大学生公寓长期使用。大运村位于北京市海淀区知春路，是国家重点工程。大运村工程地下室核心筒部位由于设计强度等级高（C60），墙体纵向延伸长，不留施工缝，而且不允许出现任何结构裂缝，施工难度较大。我们采用纤维混凝土为该部位生产供500m3，使用北京525普通硅酸盐水泥、辛庄861-BF高效减水剂、永定河中砂和碎卵石、瑞德复合料、聚丙烯纤维等材料，混凝土出机坍落度220mm，经1小时运输到工地后基本上没有损失，混凝土扩散度为420mm以上，和易性好，泵送顺利。混凝土试件28标准养护强度为73.4MPa～77.0MPa，符合设计要求。剪力墙拆模后，混凝土变面光滑密实，无可见裂缝等缺陷，外观质量比不掺纤维的上层同类结构更为美观。

百郎园工程位于永定路与复兴路的交界处，是一座高档住宅社区，由江苏南通三建北京公司承建。该工程于2000年6月开工，2001年3月结构封顶，获得北京市结构工程“长城杯”。在2000年11月，该工程进入八、九层结构施工时，由于环境干燥，风力较大，而且墙体较长，在部分墙体出现裂纹。为确保该工程获得长城杯，我们与施工方南通三建协商决定试验使用纤维混凝土。在十层、十一层的较长墙体、顶板使用C30纤维混凝土约400m3，混凝土和易性好，泵送顺利，强度达到设计强度等级的118～125%。拆模后观察，混凝土表面光滑，无任何缺陷，表观质量明显优于普通混凝土。

北京中医药大学筒子楼改造工程位于北三环和平里北京中医药大学校门东侧，由怀柔建筑集团公司八公司承建。该工程为框架剪力墙结构，于1999年10月开工，2000年6月峻工，现已投入使用。该工程已经获得北京市结构工程“长城杯”。2000年3月份，该工程进入十层以上施工时，为缩短工期，施工方将原来的流水节拍进行了调整，一层墙体由原来的四次浇筑改为两次浇筑，同时春季由于风大干燥，混凝土容易出现表面裂缝，我公司十层以上墙体试验使用C40纤维混凝土，共计生产方量约300多m3，混凝土坍落度稳定，泵送性能好，强度达到设计强度的120～140%，拆模后发现表观质量好，仅有部分纤维纹路。

八、纤维抗渗防裂混凝土技术经济分析

目前，提高混凝土的抗裂防渗性能的做法主要有两种，一是掺加膨胀剂，增加混凝土密实度；二是掺加防水剂改善混凝土的微孔结构。这两种方法由于受到工作机理和环境的影响，都有一定的局限性。 当环境干燥或结构形体较长时，往往只靠补偿收缩，不能完全解决混凝土的抗裂问题。而纤维混凝土正是通过柔性受力原理，提高混凝土的抗拉强度，从而解决混凝土的抗裂问题。

普通膨胀剂的主要成分是明矾石和石膏，在富水或高湿的条件下，与水泥和水反应生成大量膨胀性的水化物钙矾石，这种针状结晶体钙矾石由于结晶生长使混凝土产生膨胀。在钢筋、临危的约束下，它产生的膨胀能转变为压应力，这一压应力可大致抵消混凝土干缩时产生的拉应力，从而防止或减少混凝土的收缩开裂。与此同时，钙矾石具有填充、切断混凝土的毛细孔道，减小混凝土的孔隙率的作用，提高了混凝土的抗渗性能。这种方法简便易行，也比较经济，但必须具备高湿的养护条件。如果环境干燥，反而收缩更大。所以有时片面的强调膨胀剂的作用而忽略使用环境会造成适得其反的后果。另外，膨胀剂的膨胀率有限，往往不能完全补偿混凝土由于硬化产生的自收缩，仍会产生裂缝；掺入量过大，又会对混凝土强度产生较大影响。

混凝土防水剂的工作原理是本身或者在水泥水化过程中反应生成微小颗粒填充到混凝土的孔隙，减小混凝土的孔隙率，提高密实度；或者在水泥水化过程中反应生成憎水性物质，防止了毛细管的吸水，降低了透水性。防水剂要求的环境没有膨胀剂苛刻，它的功能一般是通过化学反应实现，但是由于它对混凝土体积改变基本上没有贡献，所以防裂效果不明显。

纤维混凝土防裂的工作主要机理是纤维在混凝土中的大量的均匀分布，故微裂缝在发展的过程中必然遭到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝，纤维的加入犹如在混凝土中掺入了巨大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土的开裂进程，提高了混凝土的断裂韧性，防止了裂缝的产生。同时无数的纤维丝在混凝土内形成的乱向支撑体系可以有效阻碍骨料的离析和混凝土表面的泌水，使混凝土中直径为50~100nm和＞100nm的孔隙的含量大大降低，提高了混凝土的抗渗能力。从微观工作机理看，聚丙烯纤维抗渗防裂混凝土主要是通过物理力学作用改善混凝土内部结构，并不改变混凝土中各种材料本身的化学特性，一般与普通混凝土相同养护即可。

在条件适宜的情况下，还可将纤维和膨胀剂（防水剂）复合使用，把抗裂防渗机理中的两种截然不同的化学机理与物理机理相结合，刚性防裂和柔性防裂相结合，充分发挥两种材料的复合功能效应，从而明显的提高了混凝土的抗渗防裂能力，扩大了适用范围，实现了无机刚性防裂、有机柔性防裂的有效组合，在利用物理力学原理改善水泥基胶凝材料的功能方面具有鲜明的技术创新性，为今后混凝土向高性能、多功能方向发展提供了一条值得借鉴的方式方法。

纤维抗渗防裂混凝土采用国产改性聚丙烯纤维，它比国外同种纤维具有分散性能好，价格低等优势，单方混凝土造价比基准混凝土增加32元，与掺加膨胀剂或防水剂的混凝土造价基本接近，不须额外增加费用。但防裂效果、适用范围明显改善和增加，施工养护中可节省人工费3~5元/m3，因此具有明显的技术经济效益。

九、与国内外同类技术的比较

我国从90年代开始应用聚丙烯纤维改善混凝土性能的研究，近几年有了一定的进展，但由于建筑结构的重要性决定了任何材料需经长时间严格验证后才可以使用。因此尽管自90年代以后人们开始了试验室研究和工程应用试验，但聚丙烯纤维混凝土的应用远不如它的研究那样令人瞩目，发展比较缓慢，尤其是在解决纤维混凝土工作性能和经济性方面没有突破性进展，主要材料依赖国外进口，价格昂贵，掺加纤维后混凝土流变性能变差，难以实现泵送施工，所以没有能够大量推广应用。

用于改善混凝土性能的聚丙烯纤维目前主要有两种：束状单丝聚丙烯纤维和网状聚丙烯纤维。目前国外最常用的这两种纤维分别是Durafiber（杜拉纤维）和Fibermesh（纤维网）。

由聚丙烯合成的网状纤维做混凝土的微加强筋系统，是美国专为防空工事加固而研制的专利产品，它与单丝纤维的不同之处是它在防止混凝土的裂缝的同时还可以作为混凝土的次要加强筋提高混凝土的抗冲击能力、抗破碎能力、抗磨损能力，但它对混凝土抗折强度的提高并不显著。它一般用于公路或高速公路的路面和护栏（取代加强钢筋铁丝网）、飞机跑道和停机坪、隧道或矿井等墙面和顶部的喷射混凝土、水库运河港口等大型水工工程、楼房建筑中的复合楼板（取代钢筋网）、桥梁的主体结构和路面等。由于它的主要作用是作为次要加强筋来增强混凝土抗冲击能力，再加上它的成本要比单丝纤维高出一倍多，因此一般并不用于没有特殊要求的工业与民用建筑。

用于普通混凝土结构抗渗防裂的聚丙烯纤维一般是单丝纤维。本研究使用的单丝纤维是国产改性聚丙烯纤维单丝，它与国外常用的杜拉纤维相比，在改善混凝土的物理力学性能效果基本一致，但成本仅为杜拉纤维的1/3~1/4（杜拉纤维约150000元/吨，国产纤维约40000元/吨），具有明显的推广应用价值。另外，杜拉纤维由于水溶性较差，搅拌时容易浮于混凝土表层，不易搅拌均匀，需要延长搅拌时间30~50s；而改性聚丙烯纤维由于在生产中采用了特殊的改性工艺，克服了改性前水溶性和分散性差的缺陷，极易搅拌均匀，不用延长搅拌时间，可大大提高生产效率。本研究在使用纤维的同时还可根据不同环境和结构特点另外选择掺加膨胀剂或防水剂，实现刚性防水和柔性防水的有机结合，有效的提高混凝土的抗渗防裂可靠性，特别适用于水利、水源工程和大型地下超长、超宽结构。

表9-1聚丙烯纤维的性能比较

十、纤维抗渗防裂混凝土研究结论

本研究通过对纤维抗渗防裂混凝土各种原材料的优选、配合比的调整，特别是纤维品种的选择和掺量的调整试验，配制出符合抗渗防裂要求，具有良好施工性能的纤维混凝土，应用于工程实践，得出以下结论：

1. 采用优化配比的基准混凝土，分别掺加膨胀剂（或防水剂）和聚丙烯纤维，可以分别配制出适用于潮湿环境或干燥环境的纤维抗渗防裂混凝土。这种混凝土生产成本低，工作性能好，在相应的环境工作中具有良好的抗渗漏、防裂、防潮、护筋作用，有效的改善了混凝土的耐久性，对提高建筑物的使用寿命发挥了积极的作用。

2. 采用膨胀剂、防水剂和聚丙烯纤维复合配制混凝土，实现了无机刚性防裂、有机刚性防裂及复合材料柔性防裂的有机结合，在改善水泥基胶凝材料的功能方面具有鲜明的技术创新性，为今后混凝土向高性能、多功能方向发展提供了一条值得借鉴的思维方法。

3. 纤维抗渗防裂混凝土采用国产改性聚丙烯纤维，它比国外同种纤维具有分散性能好，价格低等优势，单方混凝土造价比基准混凝土增加32元，与掺加膨胀剂或防水剂的混凝土造价基本接近，不须额外增加费用。但防裂效果、适用范围明显改善和增加，施工养护中可节省人工费3~5元/m3，因此具有明显的技术经济效益。