摘要: 聚丙烯纤维混凝土作为新型复合材料, 广泛用于水利、交通、城市建设等工程。文中对其阻裂、抗渗、增韧等性能进行机理分析, 为聚丙烯纤维混凝土在实际工程中的应用提供指导。
关键词: 聚丙烯纤维; 混凝土; 机理; 工程应用
中图分类号: TV431 文献标识码: B
1 聚丙烯纤维性能
聚丙烯( polypropylene 单体分子式为C3H6) 是一种结构规整的结晶型聚合物。聚丙烯纤维是一种新型的混凝土增强纤维,被称为混凝土的“ 次要增强筋”, 乳白色、无味、无毒,耐酸碱, 表面疏水,化学稳定性好; 主要缺点是分散性能差、与基体间的粘结力差, 经改性处理掺入混凝土中, 可明显改善其韧性, 有时还能改善强度指标, 增强抗渗能力。聚丙烯纤维混凝土( Polypropylene Fiber Concrete, 简称PPFC) 是近年来迅速发展起来的一种优良且应用广泛的新型复合材料, 广泛应用于水利、交通、城市建设等工程中。据悉, 目前美国所用混凝土总量中, 合成纤维混凝土约占7%, 超过先期研究的钢纤维混凝土( 占3%) 。本文结合多年来研究、应用聚丙烯纤维及混凝土技术的实际与现状, 对聚丙烯纤维在混凝土中的应用进行分析, 以便于聚丙烯纤维在工程中的应用。
聚丙烯纤维的物理性能如表1 所示:
2 聚丙烯纤维混凝土技术应用
2.1 机理研究
国外对聚丙烯纤维混凝土的研究可以追溯到上个世纪60 年代, 那时就有人发现在水泥净浆与砂浆中掺入少量聚丙烯纤维可以明显提高其抗冲击性能, 此后, 英国将短切聚丙烯纤维少量( ≤0.05%) 掺加于混凝土中用以制造桩壳、墙板、浮体等预制品。1970 年美国开始大力开发丝束相连的聚丙烯纤维, 代替控制混凝土的收缩。国内研究主要集中于对聚丙烯纤维混凝土的物理力学性能的研究: 姜雪洁等的研究表明抗渗效果与纤维掺量有关, 在一定掺量范围内掺量越大, 效果越佳, 考虑性能改善与经济成本, 一般工业与民用建筑中掺入量的体积率以0.1%~0.3%较为合理, 纤维长度19mm~30 mm 为宜; 华渊等的研究表明, 与基准混凝土相比, 随着纤维体积率的增加( 0~15%) , 纤维混凝土抗压强度变化很小, 抗折强度则提高了12%~26%, 韧性也随之增加; 孙家瑛研究了不同掺量聚丙烯纤维高性能混凝土的抗折、脆性、抗冲击性能; 戴建国和黄承逵研究了网状聚丙烯纤维混凝土的施工性能、抗压、抗弯、韧性、抗渗、热老化稳定性及收缩性能等。
2.1.1 阻裂机理
Romualdi 和Betson1963 年提出了纤维间距理论:σct=σmt+k( S- 1) - 0.5 , 其中, σct 为纤维混凝土抗拉强度, σmt 为基体混凝土抗拉强度, k 为试验常数, S 为纤维间距。因此纤维增强主要取决于纤维间距。理论分析与实验表明, 当S 小于7.6mm 时, 聚丙烯纤维混凝土抗拉、抗弯、阻裂强度均有提高。
在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维, 可降低微裂缝尖端的应力集中, 防止裂缝扩展并防止连通裂缝产生。由图1可知, 一旦裂缝产生, 前端与纤维交叉使引起裂缝的拉应力得以削弱或消除, 由于聚丙烯纤维在混凝土中呈现三维乱向分布, 可有效抑制裂缝产生, 使大于0.05 mm 的裂缝大大减少, 从而达到阻裂目的。
2.1.2 抗渗抗冻机理
掺加大量纤维, 可有效抑制早期干缩裂纹及连通裂缝的产生, 减少了收缩裂缝; 均匀分布且彼此相粘连的大量纤维起了“ 承托”骨料的作用, 阻断了混凝土中的毛细管, 使水分迁移困难, 减少了混凝土表面析水与集料离析, 从而使混凝土中50 nm~100 nm 及大于100 nm 的孔隙含量降低, 大大提高了抗渗能力。由于表面混凝土质量提高, 使耐久性等其他指标如抗侵蚀性得以提高。聚丙烯纤维直径小, 单位重量的纤维数量庞大( 每克约876 000 根) , 纤维间距小, 增加了混凝土冻融损伤过程中的能量损耗, 有效抑制冻胀开裂, 使混凝土抗冻性得以改善。
2.1.3 抗冲磨性能的影响
聚丙烯纤维的弹性模量较低, 其断裂伸长率大于混凝土的断裂伸长率, 故纤维的掺入提高了混凝土的延性, 改善了混凝土的变形性能, 混凝土裂缝扩展时, 需要消耗能量来克服纤维对裂缝的阻止作用, 它对提高混凝土裂后的承载能力起到很大作用。纤维混凝土极限引伸率和弯曲韧性指数的提高, 使其弹性模量降低, 混凝土变形提高。
聚丙烯纤维混凝土除了组成材料水泥浆体和粗细骨料对耐磨性的贡献外, 纤维的阻裂效应, 使混凝土在磨损过程中始终保持其整体性, 纤维的连接作用又使骨料之间不致于破损, 保证了聚丙烯纤维混凝土内部结构的连续性, 而材料的整体性直接增强了其抵抗微切削磨损破坏的能力, 因此,聚丙烯纤维掺入混凝土中, 对于提高混凝土本身的耐磨性有很大帮助。实验结果表明: 在混凝土中掺入一定量的聚丙烯纤维, 可提高混凝土的抗冲磨强度。掺入0.6 kg/m3 的聚丙烯纤维, 混凝土的抗冲磨强度可提高37%~40%, 这对改善水工混凝土抗冲磨性十分有利。
2.2 工程应用
聚丙烯纤维混凝土良好的抗渗、增韧、阻裂、抗冲磨等性能越来越得到认可, 并大量地被应用于工程实践中。
2.2.1 混凝土路面工程
采用PPFC 铺设的路面简称为UTW, 这项技术的主要特点是将50 mm~70 mm 厚的高强混凝土覆盖于压路机平整的沥青旧路基上, 关键在于加入聚丙烯增强路面的耐久性, 解决了无休止翻修的问题。我国广州市环城高速公路一期工程采用普通混凝土路面, 不久就出现了严重龟裂, 二期工程加入了钢纤维, 龟裂减轻但锈蚀严重而且对车胎造成严重损坏, 在2/3 路段的三期工程里加入聚丙烯纤维, 使用情况良好。郑州一新建路面出现严重断裂, 用聚丙烯纤维修复7 天后通车。另外河南等省也用PPFC 修高等级公路或隧道混凝土面层, 以保证混凝土最大限度的耐久性。
2.2.2 水工建筑物
三峡工程为解决夏季施工出现的混凝土早期表面龟裂问题,按0.9 kg/m3( 占混凝土体积的0.1%) 掺量在混凝土中加入聚丙烯纤维, 经比较对照混凝土,混凝土强度( 特别是早期强度) 和抗冲磨性提高, 改善混凝土的抗冻性, 在水胶比0.35 不掺粉煤灰情况下, 纤维混凝土各龄期抗压强度都比对照混凝土有较大增长, 特别是3d 抗压强度可以提高约20%,劈裂抗拉强度可以提高10%; 轴拉强度的增加率甚至高于劈裂抗拉; 显著减少抗冲磨混凝土塑性裂缝和早期干缩裂缝,对尚处在塑性状态和硬化后的混凝土有很好的阻裂作用。小浪底西霞院工程IV 标14 孔开敞式泄洪闸段K3 联溢流面,根据设计要求, 采用滑模浇筑工艺, 并掺加聚丙烯纤维的抗冲磨混凝土, 取得良好效果。宁波白溪水库二期工程采用聚丙烯纤维混凝土浇筑面板坝获得成功, 总浇筑面板33 块, 浇筑方量近10 000 m3。由中国水利学会牵头, 在宁波市白溪水库举行了“ 全国聚丙烯纤维混凝土水利工程应用研讨会”, 对聚丙烯纤维混凝土这一性能优良的新型材料在水利工程中,特别是在面板坝的混凝土面板的应用上起到了良好的推动作用。
2.2.3 工业与民用建筑
广州新中国大厦结构总层数为56 层, 其中地下室为5层。为了克服地下室底板因混凝土浇筑长度较长、体积较大所引起的收缩变形和温度变形而形成的裂缝问题, 设计中比较了目前应用得最多的地下室底板防裂防渗的处理方法: 微膨胀防水混凝土、聚丙烯纤维混凝土及在混凝土中加设钢网的方案。最后选用了在C60 混凝土掺加0.08%的聚丙烯微细纤维的方案, 并针对聚丙烯纤维混凝土的特点, 施工中全底板均采用了这种混凝土。实际情况表明, 整个大面积的底板未发现明显的裂缝、效果良好。在西安市南大街地下商业街、重庆市重点项目重庆世界贸易中心地下停车场地坪和朝天门广场17 000 m2 观景台工程等众多工程中, 聚丙烯纤维混凝土的使用都取得了成功。另外, 广州花园酒店保龄球馆、深圳怡宝蒸馏水厂约7 000 m2 厂房、重庆嘉陵江黄花园大桥综合楼应用聚丙烯纤维都取得了良好的屋面防水效果。
3 展望
1) 关于聚丙烯纤维对混凝土抗压强度的影响, 有两种不同的观点, 一种认为可以提高混凝土的抗压强度, 另一种认为会降低抗压强度。作者认为必须进行大量的试验和观测, 研究不同龄期、不同聚丙烯掺量对混凝土抗压强度的贡献能力。
2) 由于混凝土中的纤维吸附了一定水分, 从而导致混凝土坍落度降低, 在相同掺量的条件下, 纤维细度越大, 表面积越大, 坍落度损失越大, 故应根据纤维细度调整用水量或减水剂用量。
3) 改性聚丙烯纤维的工作温度要求在- 25 ℃以上, 其冻脆温度在- 35 ℃~- 45 ℃, 经常处于冻脆区间时, 改性聚丙烯纤维的分子链将发生断裂, 使纤维丧失原有功能。
4) 选择维维时, 必须特别注意所选用纤维的物理力学性能、化学稳定性、耐老化性、亲水性和中水分散性是否满足工程需要, 以免影响混凝土品质。
