摘要: 聚丙烯纖維混凝土作為新型復合材料, 廣泛用于水利、交通、城市建設等工程。文中對其阻裂、抗?jié)B、增韌等性能進行機理分析, 為聚丙烯纖維混凝土在實際工程中的應用提供指導。
關鍵詞: 聚丙烯纖維; 混凝土; 機理; 工程應用
中圖分類號: TV431 文獻標識碼: B
1 聚丙烯纖維性能
聚丙烯( polypropylene 單體分子式為C3H6) 是一種結構規(guī)整的結晶型聚合物。聚丙烯纖維是一種新型的混凝土增強纖維,被稱為混凝土的“ 次要增強筋”, 乳白色、無味、無毒,耐酸堿, 表面疏水,化學穩(wěn)定性好; 主要缺點是分散性能差、與基體間的粘結力差, 經(jīng)改性處理摻入混凝土中, 可明顯改善其韌性, 有時還能改善強度指標, 增強抗?jié)B能力。聚丙烯纖維混凝土( Polypropylene Fiber Concrete, 簡稱PPFC) 是近年來迅速發(fā)展起來的一種優(yōu)良且應用廣泛的新型復合材料, 廣泛應用于水利、交通、城市建設等工程中。據(jù)悉, 目前美國所用混凝土總量中, 合成纖維混凝土約占7%, 超過先期研究的鋼纖維混凝土( 占3%) 。本文結合多年來研究、應用聚丙烯纖維及混凝土技術的實際與現(xiàn)狀, 對聚丙烯纖維在混凝土中的應用進行分析, 以便于聚丙烯纖維在工程中的應用。
聚丙烯纖維的物理性能如表1 所示:
2 聚丙烯纖維混凝土技術應用
2.1 機理研究
國外對聚丙烯纖維混凝土的研究可以追溯到上個世紀60 年代, 那時就有人發(fā)現(xiàn)在水泥凈漿與砂漿中摻入少量聚丙烯纖維可以明顯提高其抗沖擊性能, 此后, 英國將短切聚丙烯纖維少量( ≤0.05%) 摻加于混凝土中用以制造樁殼、墻板、浮體等預制品。1970 年美國開始大力開發(fā)絲束相連的聚丙烯纖維, 代替控制混凝土的收縮。國內研究主要集中于對聚丙烯纖維混凝土的物理力學性能的研究: 姜雪潔等的研究表明抗?jié)B效果與纖維摻量有關, 在一定摻量范圍內摻量越大, 效果越佳, 考慮性能改善與經(jīng)濟成本, 一般工業(yè)與民用建筑中摻入量的體積率以0.1%~0.3%較為合理, 纖維長度19mm~30 mm 為宜; 華淵等的研究表明, 與基準混凝土相比, 隨著纖維體積率的增加( 0~15%) , 纖維混凝土抗壓強度變化很小, 抗折強度則提高了12%~26%, 韌性也隨之增加; 孫家瑛研究了不同摻量聚丙烯纖維高性能混凝土的抗折、脆性、抗沖擊性能; 戴建國和黃承逵研究了網(wǎng)狀聚丙烯纖維混凝土的施工性能、抗壓、抗彎、韌性、抗?jié)B、熱老化穩(wěn)定性及收縮性能等。
2.1.1 阻裂機理
Romualdi 和Betson1963 年提出了纖維間距理論:σct=σmt+k( S- 1) - 0.5 , 其中, σct 為纖維混凝土抗拉強度, σmt 為基體混凝土抗拉強度, k 為試驗常數(shù), S 為纖維間距。因此纖維增強主要取決于纖維間距。理論分析與實驗表明, 當S 小于7.6mm 時, 聚丙烯纖維混凝土抗拉、抗彎、阻裂強度均有提高。
在混凝土中加入一定量的聚丙烯纖維, 可降低微裂縫尖端的應力集中, 防止裂縫擴展并防止連通裂縫產生。由圖1可知, 一旦裂縫產生, 前端與纖維交叉使引起裂縫的拉應力得以削弱或消除, 由于聚丙烯纖維在混凝土中呈現(xiàn)三維亂向分布, 可有效抑制裂縫產生, 使大于0.05 mm 的裂縫大大減少, 從而達到阻裂目的。
2.1.2 抗?jié)B抗凍機理
摻加大量纖維, 可有效抑制早期干縮裂紋及連通裂縫的產生, 減少了收縮裂縫; 均勻分布且彼此相粘連的大量纖維起了“ 承托”骨料的作用, 阻斷了混凝土中的毛細管, 使水分遷移困難, 減少了混凝土表面析水與集料離析, 從而使混凝土中50 nm~100 nm 及大于100 nm 的孔隙含量降低, 大大提高了抗?jié)B能力。由于表面混凝土質量提高, 使耐久性等其他指標如抗侵蝕性得以提高。聚丙烯纖維直徑小, 單位重量的纖維數(shù)量龐大( 每克約876 000 根) , 纖維間距小, 增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗, 有效抑制凍脹開裂, 使混凝土抗凍性得以改善。
2.1.3 抗沖磨性能的影響
聚丙烯纖維的彈性模量較低, 其斷裂伸長率大于混凝土的斷裂伸長率, 故纖維的摻入提高了混凝土的延性, 改善了混凝土的變形性能, 混凝土裂縫擴展時, 需要消耗能量來克服纖維對裂縫的阻止作用, 它對提高混凝土裂后的承載能力起到很大作用。纖維混凝土極限引伸率和彎曲韌性指數(shù)的提高, 使其彈性模量降低, 混凝土變形提高。
聚丙烯纖維混凝土除了組成材料水泥漿體和粗細骨料對耐磨性的貢獻外, 纖維的阻裂效應, 使混凝土在磨損過程中始終保持其整體性, 纖維的連接作用又使骨料之間不致于破損, 保證了聚丙烯纖維混凝土內部結構的連續(xù)性, 而材料的整體性直接增強了其抵抗微切削磨損破壞的能力, 因此,聚丙烯纖維摻入混凝土中, 對于提高混凝土本身的耐磨性有很大幫助。實驗結果表明: 在混凝土中摻入一定量的聚丙烯纖維, 可提高混凝土的抗沖磨強度。摻入0.6 kg/m3 的聚丙烯纖維, 混凝土的抗沖磨強度可提高37%~40%, 這對改善水工混凝土抗沖磨性十分有利。
2.2 工程應用
聚丙烯纖維混凝土良好的抗?jié)B、增韌、阻裂、抗沖磨等性能越來越得到認可, 并大量地被應用于工程實踐中。
2.2.1 混凝土路面工程
采用PPFC 鋪設的路面簡稱為UTW, 這項技術的主要特點是將50 mm~70 mm 厚的高強混凝土覆蓋于壓路機平整的瀝青舊路基上, 關鍵在于加入聚丙烯增強路面的耐久性, 解決了無休止翻修的問題。我國廣州市環(huán)城高速公路一期工程采用普通混凝土路面, 不久就出現(xiàn)了嚴重龜裂, 二期工程加入了鋼纖維, 龜裂減輕但銹蝕嚴重而且對車胎造成嚴重損壞, 在2/3 路段的三期工程里加入聚丙烯纖維, 使用情況良好。鄭州一新建路面出現(xiàn)嚴重斷裂, 用聚丙烯纖維修復7 天后通車。另外河南等省也用PPFC 修高等級公路或隧道混凝土面層, 以保證混凝土最大限度的耐久性。
2.2.2 水工建筑物
三峽工程為解決夏季施工出現(xiàn)的混凝土早期表面龜裂問題,按0.9 kg/m3( 占混凝土體積的0.1%) 摻量在混凝土中加入聚丙烯纖維, 經(jīng)比較對照混凝土,混凝土強度( 特別是早期強度) 和抗沖磨性提高, 改善混凝土的抗凍性, 在水膠比0.35 不摻粉煤灰情況下, 纖維混凝土各齡期抗壓強度都比對照混凝土有較大增長, 特別是3d 抗壓強度可以提高約20%,劈裂抗拉強度可以提高10%; 軸拉強度的增加率甚至高于劈裂抗拉; 顯著減少抗沖磨混凝土塑性裂縫和早期干縮裂縫,對尚處在塑性狀態(tài)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 標14 孔開敞式泄洪閘段K3 聯(lián)溢流面,根據(jù)設計要求, 采用滑模澆筑工藝, 并摻加聚丙烯纖維的抗沖磨混凝土, 取得良好效果。寧波白溪水庫二期工程采用聚丙烯纖維混凝土澆筑面板壩獲得成功, 總澆筑面板33 塊, 澆筑方量近10 000 m3。由中國水利學會牽頭, 在寧波市白溪水庫舉行了“ 全國聚丙烯纖維混凝土水利工程應用研討會”, 對聚丙烯纖維混凝土這一性能優(yōu)良的新型材料在水利工程中,特別是在面板壩的混凝土面板的應用上起到了良好的推動作用。
2.2.3 工業(yè)與民用建筑
廣州新中國大廈結構總層數(shù)為56 層, 其中地下室為5層。為了克服地下室底板因混凝土澆筑長度較長、體積較大所引起的收縮變形和溫度變形而形成的裂縫問題, 設計中比較了目前應用得最多的地下室底板防裂防滲的處理方法: 微膨脹防水混凝土、聚丙烯纖維混凝土及在混凝土中加設鋼網(wǎng)的方案。最后選用了在C60 混凝土摻加0.08%的聚丙烯微細纖維的方案, 并針對聚丙烯纖維混凝土的特點, 施工中全底板均采用了這種混凝土。實際情況表明, 整個大面積的底板未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫、效果良好。在西安市南大街地下商業(yè)街、重慶市重點項目重慶世界貿易中心地下停車場地坪和朝天門廣場17 000 m2 觀景臺工程等眾多工程中, 聚丙烯纖維混凝土的使用都取得了成功。另外, 廣州花園酒店保齡球館、深圳怡寶蒸餾水廠約7 000 m2 廠房、重慶嘉陵江黃花園大橋綜合樓應用聚丙烯纖維都取得了良好的屋面防水效果。
3 展望
1) 關于聚丙烯纖維對混凝土抗壓強度的影響, 有兩種不同的觀點, 一種認為可以提高混凝土的抗壓強度, 另一種認為會降低抗壓強度。作者認為必須進行大量的試驗和觀測, 研究不同齡期、不同聚丙烯摻量對混凝土抗壓強度的貢獻能力。
2) 由于混凝土中的纖維吸附了一定水分, 從而導致混凝土坍落度降低, 在相同摻量的條件下, 纖維細度越大, 表面積越大, 坍落度損失越大, 故應根據(jù)纖維細度調整用水量或減水劑用量。
3) 改性聚丙烯纖維的工作溫度要求在- 25 ℃以上, 其凍脆溫度在- 35 ℃~- 45 ℃, 經(jīng)常處于凍脆區(qū)間時, 改性聚丙烯纖維的分子鏈將發(fā)生斷裂, 使纖維喪失原有功能。
4) 選擇維維時, 必須特別注意所選用纖維的物理力學性能、化學穩(wěn)定性、耐老化性、親水性和中水分散性是否滿足工程需要, 以免影響混凝土品質。
