杜拉纖維在混凝土中的功能及作用機(jī)理

混凝土在硬化形成強(qiáng)度的過程中，初期由于水和水泥反應(yīng)形成結(jié)晶體，這種晶體化合物的體積比原材料的體積要小，因此引起混凝土體積的收縮。在后期又由于混凝土內(nèi)自由水分的蒸發(fā)而引起干縮。這些應(yīng)力某個時期超出了水泥基體的抗拉強(qiáng)度，于是在混凝土內(nèi)部引起微裂縫，這些微裂縫不可不可避免地存在于混凝土內(nèi)的骨料和水泥凝膠體的局部接觸面處以及凝膠體自身內(nèi)部。

在工程實踐中，由于沒有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂紋在內(nèi)外慶力的作用下發(fā)展為更大的裂紋，以至最終形成貫通的毛細(xì)孔道及裂縫，常常導(dǎo)致防水失敗，也造成結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的安全及使用。研究表明，多數(shù)裂縫同荷載無關(guān)，塑性收縮、干縮、溫度變化等開裂因素才是混凝土眾多問題的根源。

由于纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，故微裂縫在發(fā)展的過程中必然遭遇到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展，從而阻斷裂縫達(dá)到了抗裂的作用。纖維的加入猶如在混凝土中摻入世大數(shù)量的微細(xì)筋，這些纖維筋抑制了混凝土開裂的進(jìn)程，提高了混凝土的斷裂韌性，而這些單靠加強(qiáng)鋼筋是不能實現(xiàn)。

總之，纖維改善混凝土的性能主要通過物理力學(xué)作用改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并不改變混凝土中各種材料本身的化學(xué)性能，因此也不會影響混凝土的耐久性。

杜拉纖維的功能及作用機(jī)理

1、有效提高混凝土/砂漿的抗裂能力

在建筑實踐中，杜拉纖維已成為一種非常有效的提高砂漿及混凝土抗裂能力的卓越手段。杜拉纖維經(jīng)特殊的生產(chǎn)工藝進(jìn)行表面處理，同水泥基料有極強(qiáng)的粘結(jié)力。美國曾利用電子顯微鏡對幾種主要的混凝土增強(qiáng)塑料纖維絲進(jìn)行研究，與其它幾種纖維比較，杜拉纖維可握裹更多的集料，同水泥基體有更緊密的結(jié)合力，因此可在混凝土中發(fā)揮更為有效的抗裂作用。由于杜拉纖維可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布極其均勻、徹底，每立方厘米水泥漿內(nèi)近二十條纖維絲，故能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的二級加強(qiáng)效果。

有關(guān)機(jī)構(gòu)的研究表明，在混凝土中，杜拉纖維的亂向分布形式大有助于消弱混凝土塑性收縮及凍融時的應(yīng)力，收縮的能量被分散到每立方米上千萬條具有高抗拉強(qiáng)度而彈性模量相對較低的纖維單絲上，從而極為有效地增強(qiáng)了混凝土(砂漿)的韌性，抑制了微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。眾多的實踐都表明，在混凝土(砂漿)中加入杜拉纖維，是控制混凝土塑性收縮、干縮等非結(jié)構(gòu)性裂縫的卓越手段；同時，無數(shù)的纖維單絲在混凝土內(nèi)部形成的亂向撐托體系可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙了沉降裂紋的形成。實驗表明，同普通混凝土相比，體積摻量0.05%的杜拉纖維混凝土抗裂能力提高近70%。

現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑大體積混凝土用量愈來愈大，結(jié)構(gòu)形式也日趨復(fù)雜，水泥水化熱、收縮等因素引起的開裂問題已越來越受到人們的重視。國內(nèi)一些高層建筑的地下室底板、側(cè)墻、轉(zhuǎn)換層大梁、超大型混凝土柱等大體積混凝土采用杜拉纖維的實例已成功證明了杜拉纖維混凝土優(yōu)越的抗裂性能。

需要指出的是，由于杜拉纖維為一種低彈模纖維，摻量很少，故對混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度影響甚微，不能作為一種結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)材料。

2、大大提高混凝土/砂漿的抗?jié)B防水性能

杜拉纖維可以大大增強(qiáng)混凝土或砂漿防水抗?jié)B的能力。摻加大量微細(xì)纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展，極大減少了混凝土的收縮裂縫，尤其是有效抑制了連通裂縫的產(chǎn)生；均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析，從而使混凝土中直徑為50-100納米和>100納米的孔隙的含量大大降低，可以極大地提高抗?jié)B能力。測試表明，0.05%體積摻量的杜拉纖維混凝土比普通混凝土抗?jié)B能力提高60-70%?；炷粮亍⒌叵率夜こ?、屋面、貯水池、外墻抹灰批蕩等，采用杜拉纖維為剛性自防水材料的效果尤為顯著，可以有效解決滲裂問題的困擾。

目前，我國大量推廣新型輕質(zhì)墻體材料以取替實心粘土磚勢在必行，但如加氣混凝土、輕質(zhì)磚、空心砌塊等幾乎都有易裂、抗?jié)B不足的嚴(yán)重缺陷，以致嚴(yán)重?fù)p害了它們的優(yōu)越性，影響了材料的推廣和使用。當(dāng)外墻/內(nèi)墻抹灰時，在砂漿中加入適量的杜拉纖維則可以有效阻止開裂并達(dá)到良好的抗?jié)B效果，從而彌補(bǔ)這些材料的不足。實踐證明，加入纖維后，施工簡單，抹灰效率高，灰漿跌落少，對于保證工程質(zhì)量，提高工作效率，降低成本有重要的意義。

3、增強(qiáng)抗沖擊及抗震能力

混凝土中加入纖維凝固后，握裹水泥的高強(qiáng)纖維絲相粘聯(lián)成為致密的、亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng)，有利于防止并控制微裂的產(chǎn)生和發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的韌性。同時由于有效改善了泌水性，對于早期養(yǎng)護(hù)大有助益。實踐證明，水泥固化早期，纖維混凝土比普通混凝土可保持更多的水分，水泥的水化反應(yīng)更徹底，骨料離析減少，級配更加均勻，其表面強(qiáng)度較之普通混凝土更強(qiáng)。纖維獨特的表面處理工藝使得纖維可以和水泥基料緊密地結(jié)合在一起，極大地保持了混凝土的整體強(qiáng)度，混凝土受到?jīng)_擊時纖維吸收了大量能量，從而有效減少了集中應(yīng)力的作用，阻礙了混凝土中裂縫的迅速擴(kuò)展，增強(qiáng)了混凝土的抗沖擊及抗震能力。這一特性對于受到?jīng)_擊疲勞作用的一些混凝土結(jié)構(gòu)是非常有用的。

4、增強(qiáng)抗凍能力

在混凝土中加入杜拉纖維，可以緩解溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用，阻止微裂縫的擴(kuò)展；同時，混凝土抗?jié)B能力的提高也有利于其抗凍能力的提高。在美國北部及加拿大等寒冷地區(qū)，街道、停車場、超薄板區(qū)域、人行道使用杜拉纖維混凝土后，都有效地減少了凍裂的問題。實踐及研究都表明，杜拉纖維可以做為一種有效的混凝土溫差補(bǔ)償性抗裂手段。

5、確?；炷令A(yù)制件的質(zhì)量

杜拉纖維可以迅速而徹底地在混凝土/砂漿中均勻分散，同水泥基料產(chǎn)生很強(qiáng)的結(jié)合力，混凝土的韌性顯著增強(qiáng)。實踐中發(fā)現(xiàn)，在制作預(yù)制件時加入杜拉纖維可以較早拆模而保持較高的濕強(qiáng)度，有利于提高生產(chǎn)效率。較之普通混凝土，杜拉纖維混凝土抗裂能力顯著提高，抗?jié)B能力提高60%以上，良好的抗?jié)B性有效地保護(hù)了構(gòu)件內(nèi)的鋼筋，免除銹蝕危害。用杜拉纖維混凝土制作的預(yù)制件比普通混凝土制作的預(yù)制件外觀更好，更為強(qiáng)固、耐久。而且，由于杜拉纖維能夠均勻分布，又可以為預(yù)制件的邊、角提供有效的保護(hù)，抑制表面裂縫，抗沖擊能力提高，從而明顯減少了制品的破損率，提高了混凝土預(yù)制件的質(zhì)量。

6、良好的修整性

杜拉纖維是一種微細(xì)的聚丙烯單絲纖維，不象其它一些剛性添加材料會露出混凝土構(gòu)件表面而影響外觀；相反，杜拉纖維的細(xì)致結(jié)構(gòu)配合以適當(dāng)?shù)男拚闪罨炷帘砻嬉曈X效果更為柔和悅目。

7、利于提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)濟(jì)效益是一個綜合性的指標(biāo)，需要對長期效益和短期效益、一次投資與維修保養(yǎng)以及材料管理費(fèi)用、施工難易等多方面因素進(jìn)行綜合考慮，方能做出合理的經(jīng)濟(jì)評價。杜拉纖維應(yīng)用的實踐證明：充分認(rèn)識、利用和發(fā)揮其產(chǎn)品特性，結(jié)合工程的實際要求，是能夠取得較好的經(jīng)濟(jì)效益的。杜拉纖維在我國的工程中應(yīng)用推廣具有極大的潛力。

河北省建筑科學(xué)研究院《噴射合成纖維混凝土物理力學(xué)性能的試驗研究》課題，作為國家科委的項目已通過了冶金部、煤炭部、河北省科委和建委等單位的聯(lián)合鑒定，在華北制藥廠等工程實踐中證明了在噴射混凝土中加入杜拉纖維后，能夠顯著提高混凝土的抗裂、抗沖擊性能，具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度和良好的耐久性，可延長建筑物的使用壽命和維修周期；同時，與普通噴射混凝土相比還具有增加一次噴射厚度、顯著降低回彈損失等特點，其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。在地下工程、薄壁結(jié)構(gòu)工程、維修加固工程、巖土工程、防護(hù)工程等土木建筑領(lǐng)域推廣應(yīng)用前景廣闊。在應(yīng)用杜拉纖維噴射混凝土施工的工程中，如廣州萬景臺深基坑支護(hù)、重慶朝天隧道、廣州地鐵等，均反映出以上的特點。

纖維砂漿抹灰具有施工操作簡易、抹灰效率高、灰漿跌落少、抗裂能力強(qiáng)的特點，可部分取代鋼絲網(wǎng)，受到施工人員的歡迎，對于提高工作效率、保證工程質(zhì)量、降低成本都有重要的意義。采用杜拉纖維砂漿內(nèi)外墻抹灰，在廣東的廣州、深圳、珠海、中山；武漢；鄭州；北京；重慶等地，超過200萬平方米的外墻抹灰工程都使用了杜拉纖維，業(yè)主和施工單位對良好的使用效果均感到滿意。杜拉纖維推廣的比較好的地區(qū)，這種做法已經(jīng)為廣大用戶所接受。有些工程由于采用杜拉纖維這種新材料，解決了長期難以解決的外墻滲漏問題，而被評為優(yōu)質(zhì)工程。如深圳萬科四季花園等。深圳市住宅局為了徹底防治安居房的外墻滲漏水，提出使用新材料、新工藝、新方法，包括在外墻的抹灰砂漿中摻加杜拉纖維防治裂縫。

杜拉纖維的價格適中，在工程總投資中所占的比例較小，卻可以換取較大的工程質(zhì)量效益。如能夠結(jié)合工程實際情況，依據(jù)杜拉纖維特性適當(dāng)設(shè)計和施工，成本不但不用增加反而會降低。廣州東環(huán)高速公路收費(fèi)站感應(yīng)帶路段使用杜拉纖維，不但解決了施工難題，還因省去一層鋼絲網(wǎng)而減少材料及施工成本，通車后運(yùn)行效果良好。重慶世界貿(mào)易中心地處車庫泵送C20混凝土地坪工程摻加了杜拉纖維，不僅取得了良好的效果，而且還簡化了施工工序，縮短了工期，降低了造價。廣州萬景臺工程三層地下室深基坑支護(hù)采用噴錨網(wǎng)工藝，基坑臨珠江的一面考慮抗?jié)B要求高，只在此面的噴射混凝土摻加了杜拉纖維。工程完工后，發(fā)現(xiàn)臨江一面盡管水壓較高，僅有兩處錨頭有輕微滲水，而其它三面卻發(fā)現(xiàn)不同程度的裂縫，多處錨點滲漏嚴(yán)重，局部不得不采取植入導(dǎo)管引水的辦法補(bǔ)救。