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摘 要：综述了合成纤维在建筑行业中混凝土建材上的应用，并系统介绍了适用于混凝土建材中的常用合成纤维的种类及其性能特点，合成纤维对混凝土抗裂、抗渗、增韧、抗冲击等的作用及机理，以及合成纤维在混凝土基体中的老化特性。
关键词：合成纤维；混凝土；作用及机理； 老化特性
大力开发合成纤维在非纺织类领域中的应用，已成为世界合纤市场保持持续发展的应对策略之一。到2002 年，发达国家中纺织纤维在产业用、装饰用、衣料用三大领域已达到三分天下，而我国的比例则为13∶20∶67 ，而如德国、法国等发达国家，目前其产业用纺织品达到纺织品总量的45 %～50 % ，而我国仅占13 % ，其中产业用纤维90 %以上为合纤。大力开发我国合成纤维在产业中的应用，其潜力十分巨大，而其中开发合纤在混凝土建材中的大量应用，对扩大合纤在产业中的应用领域，以及改善我国混凝土建材的性能具有重要意义。
1 混凝土建材的组成及其常用合成纤维种类与特性
1．1 混凝土建材的组成及其内部碱性环境
混凝土主要由水泥、砂、碎石、水、矿物掺合料、纤维、外加剂等原料组成[1]，在水泥砂浆硬化过程中形成了一种典型的非均质复合材料。固化后的混凝土主要由固相、液相和气相组成。混凝土内部为一碱性环境。
一般混凝土中碱的含量规定不超过3.0kg/m3(以Na2O当量计) ，但由于国内水泥生产受原料及生产方法等因素的影响，水泥中含碱量普遍偏高，因而实际施工中含碱量往往大于此标准。混凝土中的碱主要存在于固相和液相中，其液相中的碱为“有害碱”，可与混凝土中的集料发生碱- 集料反应[2]，对混凝土的力学性能及耐久性产生极大危害。尤其对合成纤维混凝土中纤维的影响较大，因而要求选择耐酸碱性好的合成纤维。
1．2 混凝土中常用合纤种类、性能及应用特性
常用于混凝土建材中的合成纤维主要有:聚丙烯(PP) 纤维、聚酰胺(PA) 纤维、聚酯纤维、高强高模聚乙烯(PE) 纤维、聚丙烯腈(PAN) 纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯醇(PVA) 纤维纤维等。其主要的性能特点及在混凝土中的应用特性如表1[3，4]。由表1 可知，纺织行业常用的大多数合纤，如经机械、表面活性剂、氧氟等表面处理后[5] ，其短纤都可用于混凝土的改性，从而提高或改善其性能。
(7) 原料丰富易得，纤维不吸水，无需增大用水量，无毒无味，环保，不耐强碱性水泥，存在耐久性问题。
(8) 高模量，抗张强度高，无毒环保，与水泥粘结性好，能有效提高混凝土抗弯强度及耐冲击性，但热稳定性较差。
(9) ～ (10) 热稳定性及其他性能介于碳纤维及聚丙烯纤维之间，改善力学性能，且提高耐磨、耐久性，外力作用时，纤维不易拔出。
(11) 与水泥基体相容性好，与水泥基体粘结性好，达到相同增强效果时，用量比PP 纤维及聚酯纤维少，但在酸碱条件下易水解，存在耐久性问题。
(12) 多用于屋顶板、水泥板等材料，当纤维体积用量达3 %时，材料机械性能同石棉- 水泥相当。
(13) 高比表面积，高极限抗张强度，与水亲和性好，无毒，与水泥基体具物理和氢键结合，粘结强度高，裂缝控制率大于尼龙纤维，但对水泥颗粒包容力低，不耐高压水蒸汽养护。
(14) 耐恶劣环境，耐磨损，耐高温，安全，与水泥基本可进行化学结合，其给合力强，具导电功能等，在所有合成纤维中，其增强效果最好。
(15) 常为高模最、高延伸性纤维的混杂，可降低高模量纤维的使用成本，增强混凝土强度及韧性，存在正负混杂效应。
2 合成纤维在混凝土建材中的作用及机理
2．1 合纤在混凝土中的作用
混凝土由于其抗压强度大、价廉易得，在我国各种工程中大量应用。但由于其脆性，特别是高强度混凝土，由于原料组分中水泥用量增加，产生的水化热加剧，使混凝土收缩量增大，脆性更大，易产生施工裂缝，抗渗性下降，韧性低，不耐冲击，抗冻融性及抗化学腐蚀性差等。采用合纤对混凝土进行改性，可明显提高或改善混凝土的抗裂性，减少裂缝的产生和发展。
2．1．1 增强混凝土的抗裂性
混凝土在实际施工中，由于多余水分的存在，在拌料过程中有大量水化热产生，在浇捣成型过程中易产生塑性收缩裂缝，在失水干燥时产生干裂，以及在硬化阶段因温度变化出现温度收缩裂缝等[6]。诸类裂缝的产生，对混凝土的力学性能、抗渗性、耐久性等造成了极大影响。而在混凝土中添加少量合纤(一般为混凝土体积的0.05 %～1. 0%)，就可以明显提高或改善混凝土的抗裂性，如表2所示[3]。
实验用合纤为聚丙烯纤维，其性能指标为:直径:48μm；长度:19mm；抗拉强度:276Mpa ；类型:束状型；拉伸极限:15%；比重:0.91 ，弹性模量:3793Mpa；长径比:396。实验采用的数值对应为:d ≥3mm为3 ，3mm>d≥2mm为2 ，2mm>d≥1mm为1，1mm> d ≥0.5mm为0.5，d<0.5mm为0.25
表2表明，在混凝土中掺入体积比为0.05 %和0.10 %的聚丙烯纤维后，其抗裂性分别提高65%和75%，且裂缝明显细化。同时由于合纤与混凝土具一定的粘结力，纤维承受了混凝土塑性变形所产生的拉应力，从而阻止了早期裂缝的生长及发展，明显改善或提高了抗裂性能。
2.1.2 增强混凝土的抗渗性
混凝土为非均相复合材料，骨料间存在较多的微孔隙，具大量毛细效应，以及混凝土在干燥、硬化时产生的裂缝，降低了混凝土的抗渗性。而当掺入合纤后，纤维的存在减少或阻止了混凝土中裂缝的形成、生长及发展，尤其是大大降低了连通裂缝的产生，减少了渗水通道。同时，纤维的加入，增强了混凝土内部的束缚力，其密实度提高，固化成型后更加紧密，直径为50～100μm 及大于100μm 的孔隙含量大大降低，故其抗渗性得以显著提高。戴建国等[7]对含聚丙烯合纤为0.05%和0.10%(体积比)的混凝土，在1.3Mpa 水压下进行了24h抗渗性能试验，结果表明，与空白样对照，纤维混凝土的抗渗性能分别提高40%和48%。
2.1.3 对混凝土的增韧性
混凝土是一种脆性材料，其受力达到一定程度时，就会突然开裂。掺入合纤后，由于合纤良好的延伸性，在混凝土中成三维网状分布，与混凝土基体的粘结强度较高，当受外力作用时，混凝土将部分应力传递给纤维，使纤维产生应变，减弱了应力对混凝土的破坏。当外力增大到一定程度时，混凝土开始开裂，此时纤维跨接在裂缝的表面，通过产生进一步的应变及形变来消耗外力，阻止裂缝的发展，直至外力足够大，大于纤维抗拉强度时，纤维被拔出或断裂。但在此过程中，纤维混凝土已发生了极大的变形，因而其脆性大大下降，韧性显著提高。熊瑞生等[8]探讨了聚酯纤维在混凝土中对抗折强度的影响，结果表明，掺入0.5%(体积比)的聚酯纤维，28 天后混凝土抗折强度最高提高37.3%，平均提高35.3%。
2.1.4 合纤对混凝土抗冲击性的改善
合纤掺入混凝土后，纤维混凝土的抗压强度和抗折强度有不同程度的提高，从而使混凝土抗瞬间的最大冲击力提高。另外，由于纤维掺入混凝土后，混凝土韧性增加，能更好地积蓄受冲击带来的能量，使能量缓慢释放，避免了因能量释放过快而造成的破坏。另外在受外力冲击时，纤维混凝土中的合纤具备一定的载荷转移效应。故纤维混凝土较素混凝土具更强的抗外力冲击性。史小兴等[3]报道了聚丙烯合纤掺入量为0. 05%和0.1%(体积比)时，混凝土抗钢球冲击的次数提高了2～3倍。王依民等[9]研究了聚丙烯合纤在体积掺量为0.5%、1.0%及1.5 %时，纤维混凝土抗冲击强度提高率分别为78 %、112 %及143 %。
2.1.5 纤维对混凝土抗冻融性和抗化学腐蚀的影响
在冻融条件下，由于温度改变，在混凝土内部产生较大的温度应力，使混凝土开裂，以及使原有裂缝得到生长及扩展。混凝土中加入合成纤维后，由于纤维较细，以三维网状分散于其中，具有较好的约束作用，可以缓解因温度变化时产生的膨胀或收缩压力，而当初始裂纹发生后，并可阻止裂纹的进一步发展。因而其抗冻融能力提高。阎利等[10]报道了经25 次冻融循环试验后，聚丙烯纤维增强混凝土无分层及开裂现象发生。史小兴等[3]介绍了纤维混凝土经50 次及100 次冻融试验，其抗折、抗压性能远好于空白对照样。同时，由于纤维混凝土的抗渗性增加，阻碍了化学物质的渗入，所以也大大提高了混凝土的抗化学腐蚀能力。
2.2 合纤增强混凝土性能的有关机理
纤维对混凝土各项性能的增强作用，目前通常采用两种理论来解释[11-13]。其一是1963 年美国学者Romualdi提出的“纤维阻裂机理”。主要是根据线弹性断裂力学来解释纤维对裂缝的阻裂效应。认为混凝土内部本身就存在缺陷，当掺入纤维后，且纤维的平均间距小于7. 6mm时，纤维的存在降低了内部裂缝尖端的应力集中系数，裂缝尖端的应力强度因子下降，纤维对裂缝的发生及发展具明显约束作用，减小了混凝土缺陷的程度，增加其韧性，从而使纤维混凝土的抗拉和抗折强度等得以提高。而纤维的这种阻裂增强作用又与其品种、性能参数(掺入体积比、长度、直径、长径比、弹性模量等) 、实验条件等密切相关。
第二种理论是由英国Swamy、Mangat 提出的“复合材料机理”。主要从复合材料的混合原理出发，将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系，并用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉及抗折强度等性能变化。即认为纤维掺入后，混凝土强度、抗裂性等与纤维的掺入量、方向、长径比以及粘结力有关，纤维品种不同，与混凝土基体的界面作用大小不同，以及基体中纤维的含量、分布及长径比等，都会影响纤维的增强效果。
3 合纤在混凝土建材中的老化特性
合纤在混凝土建材中的老化主要包括热老化、紫外老化(气候老化) 以及高温碱性(高温潮湿) 条件下的大分子降解等。戴建国等[7]对不同体积掺量的网状聚丙烯纤维混凝土在180℃烘箱中热老化8h后，对其抗渗性进行了研究，结果表明纤维体积含量为0.3%时，老化后出现明显的小孔。因而在较高温度下，混凝土中网状聚丙烯纤维对热老化比较敏感，存在长期热稳定性问题。葛其荣等[14]、卢安琪等[15]采用氙灯照射加速老化实验，结果表明，聚丙烯纤维在裸露条件下照射24h 时，其断裂强度及延伸率分别只剩下54 %和35 %。但在砂浆遮盖厚度为3. 8mm时，照射250h 后，断裂强度和延伸率保留为96 %和82 % ，当遮盖厚度为5mm时，保留率为98～99 %。因此，试验证明紫外线对混凝土中纤维的老化作用仅发生在混凝土浅表层3～4mm处，而对整个纤维混凝土不产生老化危害。钟世云等[16]也通过人工气候和高温浸水试验，研究了尼龙纤维在水泥基中的老化性能，结果显示，人工气候条件下，水泥基内部纤维的性能老化不明显，光照400h后，其韧性指数和冲击强度保持率分别为82 %～87 %和94 %～99 %；而在70 ℃饱和石灰水浸泡180 天后，尼龙纤维大分子降解，纤维砂浆的抗冲击强度表现出快速减少，且随纤维掺量增大而更加明显，而在360 天时，纤维砂浆抗冲击强度保持率仅约为30 %左右。因而，合纤混凝土中纤维种类不同，其对不同老化条件的敏感性也各异，从而表现出纤维本身各自的老化特性，并对纤维在混凝土中的增强效果产生不同程度的影响，从而也影响到整个混凝土的耐久性或使用寿命等。
4 结语
目前我国每年混凝土使用量在10 亿立方米左右，在以后相当长的一段时间内，使用量还将进一步增加。纤维混凝土在发达国家应用较早，而在我国的研究及应用则刚刚起步，因而开发纤维混凝土，具有巨大的市场潜力。纤维加入混凝土后，不但改善或提高了混凝土的抗裂、抗拉、抗冲击、增韧等各项性能，而且扩大了纺织品在其他产业中的应用领域。且可将合纤行业中的下脚料、废料充分利用，变废为宝，节约了成本，也减少了环境污染，对整个纺织行业的持续发展也具有重要意义。同时，对提高或改善我国混凝土建材质量及性能，促进建筑行业的发展，提高经济效益以及社会效益都具重要作用。
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