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混凝土在土建工程中的应用已有百年历史，是目前使用最广泛的人造建筑材料。人们对混凝土性能的改善和提高随着工程实践的增多和科学的发展而不断完善。遗憾的是，由于传统混凝土组成材料的天然特性以及组成形式的制约，混凝土存在着固有弱点——抗拉强度低、韧性差等。随着混凝土强度的大幅度提高，其脆性特征也进一步突出出来。混凝土出现裂缝成为建筑业的常见性问题，在混凝土产生的各种病害中裂缝病害约占70％，几乎所有的混凝土工程都由于材料性质、施工工艺等原因存在有不同程度的裂缝。裂缝的扩展，局部形成应力集中，使得混凝土强度降低，承载力下降，直接影响建筑得使用寿命，严重得还将对人民生命财产构成威胁。纤维作为混凝土次要加强筋，掺入以水泥加颗粒集料为基体的混合料中，可以用来增强活改善普通混凝土的一些特性。随着化工产业的发展，大批的合成纤维材料大量出现，它们既能起到增强混凝土韧性和抗疲劳性的作用，又有经济、施工简单、耐腐蚀的特点。20世纪70年代纤维混凝土技术传入中国。20世纪90年代初，在美国本土生产、能够应用于纤维混凝土的有机纤维透过商业渠道流入中国，成为纤维混凝土在中国大量应用的契机。到2001年10月，在中国境内采用聚丙烯纤维混凝土的工程实例已经数以千计，工程类型几乎覆盖了工业及民用建筑工程当中所有用到的混凝土的场合。本文介绍的聚丙烯纤维就是一种可以有效改善混凝土性能的纖维材料。
一、性能简介
聚丙烯纤维是一种典型的聚烯烃类高分子聚合物，分为单丝和网状，它的物理性质、化学性质基本相同，与传统的钢纤维相比较，它耐腐蚀无磁性，施工简便且价格便宜。与碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维相比，后三者属于高碳纤维，其中碳纤维价格昂贵，玻璃纤维极脆，易断，且玻璃纤维和石棉纤维都对环境有一定的污染。建筑用聚丙烯能够有效的改善混凝土性能和其自身特有的物理、化学性质是紧密相关的，它具备了以下几方面的性能：
1．稳定的化学性能，能耐酸碱，抵御混凝土中碱性集料和水泥碱性水化物的腐蚀，保证纤维在混凝土构件中发挥稳定的物理性能。
2．良好的自分散性，不结团、彼此不相互粘结。
3．较高的抗拉强度。
4．较高的变形能力。
5．良好的粘结强度，保证纤维与水泥基体有效的连接，共同工作，使纤维体充分发挥作用。
在表1中的数字指标直观的体现了聚丙烯纤维的物化性能。
表1 聚丙烯纤维的物化性能
纤维类型：束状单丝 线密度：0.91
单丝直径：15－48 断裂强度>350Mpa
抗酸碱度：极高 熔点>165
导热性：极低 燃点>580
弹性模量>3.5Gpa 断裂伸长率<20%
自分散性：好 湿含量<0.1%
二、工作机理
普通混凝土在荷载作用下，如图1表示均匀受拉情况，则沿界面均匀分布的拉应力将发生重分布，由于圆孔或裂纹处的材料将荷载卸给了孔边材料,孔边便产生了应力集中。对于形如椭圆的狭长细纹，如图2拉伸荷载方向与椭圆长轴方向垂直，在拉应力作用下，长轴端点的应力常常远超过了混凝土材料的抗拉强度，使得材料在外应力还远小于材料抗拉强度时，就发生突然断裂，促使裂缝急剧扩展而突然破坏。这就是普通混凝土构件中常发生得脆性破坏。根据材料力学有关理论，对图2所示情形，有如下理论应力集中系数的经验公式：
式中：，椭圆长轴端点处的曲率半径；a为椭圆的短轴长度；b为椭圆长轴长度；B为半倍板宽。
对于土木建筑工程而言；混凝土结构的脆性破坏是必须要尽量杜绝的，因为事发之前，不能给人们提供多少预警，往往是突然发生，对人们的生命财产构成巨大的威胁，尤其是城市人口集中的地方，事故一旦发生，往往是灾难性的。因此，从根本上改变普通混凝土的固有缺陷，就显得非常必要。如前所述，聚丙烯纤维对混凝土的增强效果非常明显，尤其是使混凝土的抗拉强度与任性大为改善，其增强机理如图3所示。图中混凝土板，普通混凝土在拉伸荷载的作用下，椭圆形裂纹处将产生图3所示的应力集中，在混凝土中掺入乱向分布的聚丙烯纤维，受力时，跨越裂缝面的纤维就起联结作用，将荷载传递给裂缝的上下或左右表面，使裂纹区仍能继续承担荷载。这样，由于裂纹的出现而传递为纹边的荷载就减少了，纹边应力集中也就因此而减缓，如图3所示，纤维对裂纹面的联结作用，使裂纹的进一步扩展受到抑制。通常情况下，在受到外力作用初期，混凝土和纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；混凝土开裂后，联结裂缝的纤维材料就转变为外力的主要承受者。当纤维的掺入量超过一定的百分比，整个混凝土结构可以承受较高的荷载，并能承受较大的变形，直至纤维拉断或从混凝土中被拔出。因此，聚丙烯纤维的掺入使得本质上呈脆性的混凝土很大程度上表现出塑性特征，这种特征随纤维的掺入量的增加而愈加明显。
需要特别说明的是，在聚丙烯纤维内部实际的应力场并不是如图3所示的简单分布，而是如图4所示，非常杂乱无章，如同网状分布，以至于理论上的精确的应力分布几乎是不可求出的。但是，裂缝的扩展最终总是趋向于主拉应力垂直的方向，因此，总可以将其简化为断裂力学中所谓的I型应力场，作用在等效混凝土构件的裂缝表面上，等效混凝土构件的尺寸与掺入聚丙烯纤维的混凝土构件几何尺寸完全相同，于是可将混凝土和纤维材料各自的应力全部转化为等效构件上的应力和，其中：
，
，
式中，A为原聚丙烯纤维混凝土构件的截面面积；为截面A上纤维的总横截面面积；为乱向分布的纤维在等效普通混凝土构件上沿主拉应力方向的平均阻裂应力；为聚丙烯纤维中混凝土所承担的实际拉应力在等效构件上的平均应力。
由于聚丙烯纤维组织结构为纤化网状，与混凝土基体的粘结强度较高，当应力自基体传递给聚丙烯纤维时，纤维因变形而消耗能量，混凝土构件达到初裂时的荷载及宏观变形增大。其次，因聚丙烯纤维具有良好的延伸性，极限变形值很大，混凝土一经开裂，聚丙烯纤维跨接在裂纹的表面，阻止裂纹的迅速扩展。因此，纤维混凝土的抗弯强度明显提高。
三、工程实例
由于聚丙烯纤维混凝土的卓越性能，使其得以在也来也多的实际工程中的得到广泛应用。重庆世界贸易中心在特大型转换层大梁中，应用杜拉纤维（即束状单丝聚丙烯纤维）增强混凝土成功的解决了高强度等级大体积混凝土施工中的抗裂和提高强度、韧性等问题。
一、性能简介
聚丙烯纤维是一种典型的聚烯烃类高分子聚合物，分为单丝和网状，它的物理性质、化学性质基本相同，与传统的钢纤维相比较，它耐腐蚀无磁性，施工简便且价格便宜。与碳纤维、玻璃纤维、石棉纤维相比，后三者属于高碳纤维，其中碳纤维价格昂贵，玻璃纤维极脆，易断，且玻璃纤维和石棉纤维都对环境有一定的污染。建筑用聚丙烯能够有效的改善混凝土性能和其自身特有的物理、化学性质是紧密相关的，它具备了以下几方面的性能：
1．稳定的化学性能，能耐酸碱，抵御混凝土中碱性集料和水泥碱性水化物的腐蚀，保证纤维在混凝土构件中发挥稳定的物理性能。
2．良好的自分散性，不结团、彼此不相互粘结。
3．较高的抗拉强度。
4．较高的变形能力。
5．良好的粘结强度，保证纤维与水泥基体有效的连接，共同工作，使纤维体充分发挥作用。
在表1中的数字指标直观的体现了聚丙烯纤维的物化性能。
表1 聚丙烯纤维的物化性能
纤维类型：束状单丝 线密度：0.91
单丝直径：15－48 断裂强度>350Mpa
抗酸碱度：极高 熔点>165
导热性：极低 燃点>580
弹性模量>3.5Gpa 断裂伸长率<20%
自分散性：好 湿含量<0.1%
二、工作机理
普通混凝土在荷载作用下，如图1表示均匀受拉情况，则沿界面均匀分布的拉应力将发生重分布，由于圆孔或裂纹处的材料将荷载卸给了孔边材料,孔边便产生了应力集中。对于形如椭圆的狭长细纹，如图2拉伸荷载方向与椭圆长轴方向垂直，在拉应力作用下，长轴端点的应力常常远超过了混凝土材料的抗拉强度，使得材料在外应力还远小于材料抗拉强度时，就发生突然断裂，促使裂缝急剧扩展而突然破坏。这就是普通混凝土构件中常发生得脆性破坏。根据材料力学有关理论，对图2所示情形，有如下理论应力集中系数的经验公式：
式中：，椭圆长轴端点处的曲率半径；a为椭圆的短轴长度；b为椭圆长轴长度；B为半倍板宽。
对于土木建筑工程而言；混凝土结构的脆性破坏是必须要尽量杜绝的，因为事发之前，不能给人们提供多少预警，往往是突然发生，对人们的生命财产构成巨大的威胁，尤其是城市人口集中的地方，事故一旦发生，往往是灾难性的。因此，从根本上改变普通混凝土的固有缺陷，就显得非常必要。如前所述，聚丙烯纤维对混凝土的增强效果非常明显，尤其是使混凝土的抗拉强度与任性大为改善，其增强机理如图3所示。图中混凝土板，普通混凝土在拉伸荷载的作用下，椭圆形裂纹处将产生图3所示的应力集中，在混凝土中掺入乱向分布的聚丙烯纤维，受力时，跨越裂缝面的纤维就起联结作用，将荷载传递给裂缝的上下或左右表面，使裂纹区仍能继续承担荷载。这样，由于裂纹的出现而传递为纹边的荷载就减少了，纹边应力集中也就因此而减缓，如图3所示，纤维对裂纹面的联结作用，使裂纹的进一步扩展受到抑制。通常情况下，在受到外力作用初期，混凝土和纤维共同承受外力，前者是外力的主要承受者；混凝土开裂后，联结裂缝的纤维材料就转变为外力的主要承受者。当纤维的掺入量超过一定的百分比，整个混凝土结构可以承受较高的荷载，并能承受较大的变形，直至纤维拉断或从混凝土中被拔出。因此，聚丙烯纤维的掺入使得本质上呈脆性的混凝土很大程度上表现出塑性特征，这种特征随纤维的掺入量的增加而愈加明显。
需要特别说明的是，在聚丙烯纤维内部实际的应力场并不是如图3所示的简单分布，而是如图4所示，非常杂乱无章，如同网状分布，以至于理论上的精确的应力分布几乎是不可求出的。但是，裂缝的扩展最终总是趋向于主拉应力垂直的方向，因此，总可以将其简化为断裂力学中所谓的I型应力场，作用在等效混凝土构件的裂缝表面上，等效混凝土构件的尺寸与掺入聚丙烯纤维的混凝土构件几何尺寸完全相同，于是可将混凝土和纤维材料各自的应力全部转化为等效构件上的应力和，其中：
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式中，A为原聚丙烯纤维混凝土构件的截面面积；为截面A上纤维的总横截面面积；为乱向分布的纤维在等效普通混凝土构件上沿主拉应力方向的平均阻裂应力；为聚丙烯纤维中混凝土所承担的实际拉应力在等效构件上的平均应力。
由于聚丙烯纤维组织结构为纤化网状，与混凝土基体的粘结强度较高，当应力自基体传递给聚丙烯纤维时，纤维因变形而消耗能量，混凝土构件达到初裂时的荷载及宏观变形增大。其次，因聚丙烯纤维具有良好的延伸性，极限变形值很大，混凝土一经开裂，聚丙烯纤维跨接在裂纹的表面，阻止裂纹的迅速扩展。因此，纤维混凝土的抗弯强度明显提高。
三、工程实例
由于聚丙烯纤维混凝土的卓越性能，使其得以在也来也多的实际工程中的得到广泛应用。重庆世界贸易中心在特大型转换层大梁中，应用杜拉纤维（即束状单丝聚丙烯纤维）增强混凝土成功的解决了高强度等级大体积混凝土施工中的抗裂和提高强度、韧性等问题。