摘要: 聚丙烯纤维混凝土作为一种新材料、新技术, 近几年在公路行业中正逐步推广应用, 文章就其特性、配合比设计和功能进行了分析, 并探讨了拓宽其应用范围的技术可行性。
关键词: 聚丙烯纤维; 混凝土; 配合比; 应用
中图分类号: U414 文献标识码: B
聚丙烯纤维混凝土在国内而言是一种新材料、新技术, 特别在公路行业尚未得到广泛使用。聚丙烯纤维混凝土属于纤维增强水泥基复合材料, 聚丙烯纤维用于混凝土中, 能有效地控制混凝土因沉降与塑性收缩引发的裂缝, 改善其抗渗、抗冻与抗冲击等性能, 提高工程的耐久性。目前在贵州镇胜高速公路上部分项目使用, 作为新材料、新工艺、新技术, 我们做了一些试验及探讨, 本文阐述聚丙烯纤维混凝土前期配合比设计试验和应用。
1 聚丙烯纤维的特性
1.1 主要技术参数( 见表1)
1.2 物理、化学特性
聚丙烯不溶于水, 耐热性能良好, 熔点为160～170℃; 聚丙烯是一种非极性的聚合物, 有良好的电绝缘性, 有良好的化学稳定性, 几乎不吸水,与大多数化学品( 如酸、碱和有机溶液) 不发生作用,高耐酸耐碱; 聚丙烯无毒、无刺激性, 对人体无害。
2 聚丙烯纤维混凝土配合比设计
2.1 材料的选定
水泥: 贵州新蒲瑞安P.O42.5 水泥; 外加剂: 山西黄腾UNF- 3C; 聚丙烯纤维: 江苏射阳、山东宏泰;
水: 饮用水; 机制砂: 乌江养龙站料场( 符合贵州省《DBJ 22- 016- 95》规范中Ⅰ区砂级配要求) : Mx=3.34,小于0.08mm 粉末含量7.6%, 小于0.16mm 粉末含量10.6%, 压碎值23%; 碎石: 乌江养龙站料场( 符合《GB/T 14685- 2001》规范中5～20mm 连续级配要求) , 压碎值10.3%( 见表2) 。
2.2 配合比设计参数
( 1) 强度要求: C40; 坍落度要求: 100～120mm。
( 2) 配合比设计
计算配置强度: 取σ=5.0MPaFcu、0=40+1.645×5.0=48.2MPa
计算水灰比: 取水泥富余系数1.10W/C=0.46×Fce/( Fcu、0+0.46×0.07×Fce)=0.46×1.10×42.5/( 48.2+0.46×0.07×1.10×42.5) =0.43
2.3 用水量和外加剂的确定
根据外加剂厂家数据, 选定外加剂掺量为0.8%,UNF- 3C 的减水率约为15%故掺外加剂后的用水量mw=215×( 1- 15%) =183kg根据混凝土试拌情况, 最终确定用水量为mw0=185kg最终确定砂率为SP=42%水泥用量mc0=mw0/( W/C) =430kg外加剂用量mf1=430×0.8%=3.44kg聚丙烯纤维用量: 根据聚丙烯纤维厂家数据, 选定每方混凝土掺量为mf2=1kg
2.4 计算砂、石用量和基准配合比
采用假定容重法: 取mcp=2450kgmc0+ms0+mg0+mw0+mf1+mf2=mcpSP=100%×ms0/( ms0+mg0)把数据代入上述公式430+ms0+mg0+185+3.44+1=245042%=100%×ms0/( ms0+mg0)
解方程得ms0=769kg, mg0=1062kg。
基准配合比为, 水泥∶砂∶碎石∶水∶外加剂∶聚丙烯纤维=430∶769∶1062∶185∶3.44∶1。
2.5 不同配合比对比
按计算好的3 个配合比进行试拌、制件, 并同时另配制3 组不掺聚丙烯纤维, 但其他材料比例不变的混凝土进行对比, 基本数据见表2。
2.6 确定理论配合比
根据试拌情况和抗压强度, 可选定理论配合比为,水泥∶砂∶碎石∶水∶外加剂∶聚丙烯纤维=430∶769∶1062∶185∶3.44∶1。
3 聚丙烯纤维的功能及作用的分析
( 1) 聚丙烯纤维是一种低弹模纤维, 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, 可见上表数据。
( 2) 聚丙烯纤维的使用极为方便, 无需改变原设计的配合比, 也不取代原设计的受力钢筋。纤维只作为混凝土的“次要加强筋”, 主要作用抑制混凝土裂缝的产生, 提高混凝土的抗渗性, 延长混凝土的使用寿命, 因此纤维的掺入不能改变原设计中主要受力筋的配筋率。
( 3) 聚丙烯纤维的阻裂效应得以发挥的必要条件,是混凝土在硬化早期同时处于变形受限和失水收缩的状态, 而这样的条件室内或现场制作的小试件并不具备。
这种差异实际上体现了用小试件评定实际结构物中混凝土强度或耐久性的不足之处, 对聚丙烯纤维混凝土这种倾向性更为明显,其结果造成了对聚丙烯纤维在混凝土中作用的低估。其次聚丙烯纤维的阻裂效应尚很难通过试验进行定量的评价。故聚丙烯纤维混凝土的研究应注重观察实际工程的应用效果, 而非单纯通过室内小试件进行性能评价。
4 聚丙烯纤维在混凝土中的效果和作用
( 1) 阻裂效应: 聚丙烯纤维的特点是细度高、数量多( 常用的1kg/m3 的掺量充分分散可获得700～3000 万根纤维单丝) 、在混凝土中的纤维间距小。使聚丙烯纤维能有效限制早期( 塑性期和硬化期) 混凝土由于离析、泌水、收缩等因素形成的原生裂隙的发生和发展, 减小原生裂隙的数量和尺度, 而原生裂隙通常是混凝土破坏或性能劣化的起源。
( 2) 抗渗性能: 聚丙烯纤维在混凝土中阻止了混凝土的离析现象, 提高了浇注体的整体均匀性, 不致发生各层的不均匀收缩, 减少浇注体的内部裂缝; 由于纤维的阻裂效应可显著减少裂缝的数量、长度和宽度, 并降低生成贯通裂缝的可能性; 由于聚丙烯纤维在混凝土中的乱向分布, 事实上起到阻断混凝土内毛细作用的作用。能有助于大幅提高抗渗性, 测试表明, 0.05%体积掺量的聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土抗渗能力提高60%～70%。
( 3) 抗冲击能力: 混凝土中加入纤维凝固后, 握裹水泥的高强纤维丝交连成致密的、乱向分布的网状增强系统, 增强混凝土的韧性, 极大地保持混凝土的整体强度, 纤维在混凝土受到冲击时吸收了大量能量, 从而有效减少了集中应力的作用, 阻碍裂缝的迅速发展, 增强混凝土的抗冲击及抗震能力。试验表明, 0.05%体积掺量的聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土抗冲击能力提高约17%。
( 4) 抗冻能力: 聚丙烯纤维混凝土可以缓解温度变化而引起的混凝土内部应力的作用, 阻止裂缝的扩展,可作为一种有效的混凝土温差补偿性抗裂手段。试验数据得, 50 次冻融循环后混凝土抗压强度变化比较: 普通混凝土为- 6.3%, 0.05%体积掺量的聚丙烯纤维混凝土为- 0.4%。
( 5) 耐久性能: 上述作用表明, 聚丙烯纤维混凝土能提高混凝土的韧性、耐冲击抗渗性及耐收缩断裂、抗冻、抗碳化等能力, 故能极大地改善混凝土结构的耐久性。
5 聚丙烯纤维与钢纤维、防裂钢筋网的技术和经济对比( 见表3)
6 聚丙烯纤维混凝土的应用范围
( 1) 对表明抗裂要求严格的场合或作为温差补偿的加强材料。如: 薄壁立柱、合龙段混凝土、大体积混凝土等。
( 2) 要求抗冲击、耐磨、抗震、耐腐蚀、高抗渗性能较强的混凝土。如: 混凝土路面( 机场、停车场) 、地下连续墙、石化厂露天框架、码头和水利工程( 泄洪坝、闸墩、泵站等) 。
( 3) 喷射混凝土、水泥砂浆等。如: 边坡加固、隧道初期支护、内外墙抹灰等。
7 聚丙烯纤维在混凝土施工中的运用
( 1) 聚丙烯纤维从目前来说还属于新技术, 其质量应符合《公路水泥混凝土纤维材料———聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维》( JT/T 525- 2004) 的要求。简易检验可看聚丙烯纤维的分散性如何, 采用分批取样目测法, 用一个透明玻璃杯加满清水, 将少量聚丙烯纤维投入水杯内浸泡15min, 看纤维是否均匀分散成单丝, 如果纤维见水成团沉底不分散, 则此纤维不能在工程中应用。
( 2) 聚丙烯纤维的掺量选择: 一般掺1.0kg/m3, 或根据实际需要在0.6～2.0kg/m3 之间。
( 3) 搅拌机的选择: 优先选用卧式强制式搅拌机,也可采用自落式滚筒搅拌机。
( 4) 配比与搅拌: 混凝土配合比仍按普通混凝土配合比设计, 或加入聚丙烯纤维, 混凝土原配比不变。加入纤维后, 混凝土粘聚性增强, 坍落度有所损失, 但不会对工作性有不利影响。搅拌工艺与普通混凝土无异,但需延长搅拌时间, 搅拌2～3min。建议采用如下工艺:砂石+水泥+外加剂+聚丙烯纤维先干拌30～60s, 再加水搅拌1.5～2min。
( 5) 成型、养护过程: 无特殊要求, 与普通混凝土施工及养护完全相同, 但应保证混凝土振捣密实, 尽量使用钢或铁质抹子。
8 结语
随着老旧建筑物日益增多, 结构的耐久性问题将更加引人关注。有关资料显示, 我国用于建设工程更新改造的投资为同期基本建设投资的比例, “一五”期间为4.2%, “三五”期间为27%, “四五”和“五五”期间分别达31.7%和54%。近年来由于混凝土结构使用寿命达不到设计年限的报道日益增多, 由此带来的资源、能源浪费和生态环境的恶化非常严重, 应该引起全社会的高度重视。聚丙烯纤维混凝土作为一种新技术, 依靠自身具有特性和功能作用在建筑工程中具有较好的推广和应用前景。
参考文献:
[1] JT/T 525- 2004，聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维[S].
[2] 龚益，徐至钧.施工应用指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
