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杜拉纤维的功能及作用机理
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内容提示：各种材料的纤维加入水泥基体中，理论上主要有以下三种作用(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。
摘要：各种材料的纤维加入水泥基体中，理论上主要有以下三种作用：(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。
关键词：结构加固 杜拉纤维
混凝土在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要小，因此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，这些微裂缝不可不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面处以及凝胶体自身内部。
在工程实践中，由于没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂纹在内外庆力的作用下发展为更大的裂纹，以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，常常导致防水失败，也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，多数裂缝同荷载无关，塑性收缩、干缩、温度变化等开裂因素才是混凝土众多问题的根源。
由于纤维以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遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝达到了抗裂的作用。纤维的加入犹如在混凝土中掺入世大数量的微细筋，这些纤维筋抑制了混凝土开裂的进程，提高了混凝土的断裂韧性，而这些单靠加强钢筋是不能实现。
总之，纤维改善混凝土的性能主要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性能，因此也不会影响混凝土的耐久性。
杜拉纤维的功能及作用机理
1、 有效提高混凝土/砂浆的抗裂能力
在建筑实践中，杜拉纤维已成为一种非常有效的提高砂浆及混凝土抗裂能力的卓越手段。杜拉纤维经特殊的生产工艺进行表面处理，同水泥基料有极强的粘结力。美国曾利用电子显微镜对几种主要的混凝土增强塑料纤维丝进行研究，与其它几种纤维比较，杜拉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。由于杜拉纤维可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，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。
有关机构的研究表明，在混凝土中，杜拉纤维的乱向分布形式大有助于消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千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的纤维单丝上，从而极为有效地增强了混凝土(砂浆)的韧性，抑制了微细裂缝的产生和发展。众多的实践都表明，在混凝土(砂浆)中加入杜拉纤维，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的卓越手段；同时，无数的纤维单丝在混凝土内部形成的乱向撑托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。实验表明，同普通混凝土相比，体积掺量0.05%（约0.5公斤/m3）的杜拉纤维混凝土抗裂能力提高近70%。
现代工业与民用建筑大体积混凝土用量愈来愈大，结构形式也日趋复杂，水泥水化热、收缩等因素引起的开裂问题已越来越受到人们的重视。国内一些高层建筑的地下室底板、侧墙、转换层大梁、超大型混凝土柱等大体积混凝土采用杜拉纤维的实例已成功证明了杜拉纤维混凝土优越的抗裂性能。
需要指出的是，由于杜拉纤维为一种低弹模纤维，掺量很少，故对混凝土的抗压强度、抗折强度、抗拉强度影响甚微，不能作为一种结构性增强材料。
2、 大大提高混凝土/砂浆的抗渗防水性能
杜拉纤维可以大大增强混凝土或砂浆防水抗渗的能力。掺加大量微细纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂纹的产生及发展，极大减少了混凝土的收缩裂缝，尤其是有效抑制了连通裂缝的产生；均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中直径为50-100纳米和>100纳米的孔隙的含量大大降低，可以极大地提高抗渗能力。测试表明，0.05%体积掺量的杜拉纤维混凝土比普通混凝土抗渗能力提高60-70%。混凝土腐化池、地下室工程、屋面、贮水池、外墙抹灰批荡等，采用杜拉纤维为刚性自防水材料的效果尤为显著，可以有效解决渗裂问题的困扰。
目前，我国大量推广新型轻质墙体材料以取替实心粘土砖势在必行，但如加气混凝土、轻质砖、空心砌块等几乎都有易裂、抗渗不足的严重缺陷，以致严重损害了它们的优越性，影响了材料的推广和使用。当外墙/内墙抹灰时，在砂浆中加入适量的杜拉纤维则可以有效阻止开裂并达到良好的抗渗效果，从而弥补这些材料的不足。实践证明，加入纤维后，施工简单，抹灰效率高，灰浆跌落少，对于保证工程质量，提高工作效率，降低成本有重要的意义。
3、 增强抗冲击及抗震能力
混凝土中加入纤维凝固后，握裹水泥的高强纤维丝相粘联成为致密的、乱向分布的网状增强系统，有利于防止并控制微裂的产生和发展，增强混凝土的韧性。同时由于有效改善了泌水性，对于早期养护大有助益。实践证明，水泥固化早期，纤维混凝土比普通混凝土可保持更多的水分，水泥的水化反应更彻底，骨料离析减少，级配更加均匀，其表面强度较之普通混凝土更强。纤维独特的表面处理工艺使得纤维可以和水泥基料紧密地结合在一起，极大地保持了混凝土的整体强度，混凝土受到冲击时纤维吸收了大量能量，从而有效减少了集中应力的作用，阻碍了混凝土中裂缝的迅速扩展，增强了混凝土的抗冲击及抗震能力。这一特性对于受到冲击疲劳作用的一些混凝土结构（如道路、人行道、停车场、停机坪、车库地面、国防设施等）是非常有用的。
4、 增强抗冻能力
在混凝土中加入杜拉纤维，可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用，阻止微裂缝的扩展；同时，混凝土抗渗能力的提高也有利于其抗冻能力的提高。在美国北部及加拿大等寒冷地区，街道、停车场、超薄板区域、人行道使用杜拉纤维混凝土后，都有效地减少了冻裂的问题。实践及研究都表明，杜拉纤维可以做为一种有效的混凝土温差补偿性抗裂手段。（参考《建筑中文网》）
5、 确保混凝土预制件的质量
杜拉纤维可以迅速而彻底地在混凝土/砂浆中均匀分散，同水泥基料产生很强的结合力，混凝土的韧性显著增强。实践中发现，在制作预制件时加入杜拉纤维可以较早拆模而保持较高的湿强度，有利于提高生产效率。较之普通混凝土，杜拉纤维混凝土抗裂能力显著提高，抗渗能力提高60%以上，良好的抗渗性有效地保护了构件内的钢筋，免除锈蚀危害。用杜拉纤维混凝土制作的预制件比普通混凝土制作的预制件外观更好，更为强固、耐久。而且，由于杜拉纤维能够均匀分布，又可以为预制件的边、角提供有效的保护，抑制表面裂缝，抗冲击能力提高，从而明显减少了制品的破损率，提高了混凝土预制件的质量。
6、 良好的修整性
杜拉纤维是一种微细的聚丙烯单丝纤维，不象其它一些刚性添加材料会露出混凝土构件表面而影响外观；相反，杜拉纤维的细致结构配合以适当的修整，可令混凝土表面视觉效果更为柔和悦目。
7、 利于提高生产效率和经济效益
经济效益是一个综合性的指标，需要对长期效益和短期效益、一次投资与维修保养以及材料管理费用、施工难易等多方面因素进行综合考虑，方能做出合理的经济评价。杜拉纤维应用的实践证明：充分认识、利用和发挥其产品特性，结合工程的实际要求，是能够取得较好的经济效益的。杜拉纤维在我国的工程中应用推广具有极大的潜力。
河北省建筑科学研究院《喷射合成纤维混凝土物理力学性能的试验研究》课题，作为国家科委的项目已通过了冶金部、煤炭部、河北省科委和建委等单位的联合鉴定，在华北制药厂等工程实践中证明了在喷射混凝土中加入杜拉纤维后，能够显著提高混凝土的抗裂、抗冲击性能，具有较高的粘结强度和良好的耐久性，可延长建筑物的使用寿命和维修周期；同时，与普通喷射混凝土相比还具有增加一次喷射厚度、显著降低回弹损失等特点，其社会效益和经济效益显著。在地下工程、薄壁结构工程、维修加固工程、岩土工程、防护工程等土木建筑领域推广应用前景广阔。在应用杜拉纤维喷射混凝土施工的工程中，如广州万景台深基坑支护、重庆朝天隧道、广州地铁等，均反映出以上的特点。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200603/1640.htm
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