合成纖維在國內(nèi)混凝土建材中的應(yīng)用
2005-07-13 00:00
摘 要：綜述了合成纖維在建筑行業(yè)中混凝土建材上的應(yīng)用，并系統(tǒng)介紹了適用于混凝土建材中的常用合成纖維的種類及其性能特點，合成纖維對混凝土抗裂、抗?jié)B、增韌、抗沖擊等的作用及機(jī)理，以及合成纖維在混凝土基體中的老化特性。
關(guān)鍵詞：合成纖維；混凝土；作用及機(jī)理； 老化特性
大力開發(fā)合成纖維在非紡織類領(lǐng)域中的應(yīng)用，已成為世界合纖市場保持持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對策略之一。到2002 年，發(fā)達(dá)國家中紡織纖維在產(chǎn)業(yè)用、裝飾用、衣料用三大領(lǐng)域已達(dá)到三分天下，而我國的比例則為13∶20∶67 ，而如德國、法國等發(fā)達(dá)國家，目前其產(chǎn)業(yè)用紡織品達(dá)到紡織品總量的45 %～50 % ，而我國僅占13 % ，其中產(chǎn)業(yè)用纖維90 %以上為合纖。大力開發(fā)我國合成纖維在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，其潛力十分巨大，而其中開發(fā)合纖在混凝土建材中的大量應(yīng)用，對擴(kuò)大合纖在產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域，以及改善我國混凝土建材的性能具有重要意義。
1 混凝土建材的組成及其常用合成纖維種類與特性
1．1 混凝土建材的組成及其內(nèi)部堿性環(huán)境
混凝土主要由水泥、砂、碎石、水、礦物摻合料、纖維、外加劑等原料組成[1]，在水泥砂漿硬化過程中形成了一種典型的非均質(zhì)復(fù)合材料。固化后的混凝土主要由固相、液相和氣相組成?；炷羶?nèi)部為一堿性環(huán)境。
一般混凝土中堿的含量規(guī)定不超過3.0kg/m3(以Na2O當(dāng)量計) ，但由于國內(nèi)水泥生產(chǎn)受原料及生產(chǎn)方法等因素的影響，水泥中含堿量普遍偏高，因而實際施工中含堿量往往大于此標(biāo)準(zhǔn)。混凝土中的堿主要存在于固相和液相中，其液相中的堿為“有害堿”，可與混凝土中的集料發(fā)生堿- 集料反應(yīng)[2]，對混凝土的力學(xué)性能及耐久性產(chǎn)生極大危害。尤其對合成纖維混凝土中纖維的影響較大，因而要求選擇耐酸堿性好的合成纖維。
1．2 混凝土中常用合纖種類、性能及應(yīng)用特性
常用于混凝土建材中的合成纖維主要有:聚丙烯(PP) 纖維、聚酰胺(PA) 纖維、聚酯纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯(PE) 纖維、聚丙烯腈(PAN) 纖維、芳族聚酰胺纖維、聚乙烯醇(PVA) 纖維纖維等。其主要的性能特點及在混凝土中的應(yīng)用特性如表1[3，4]。由表1 可知，紡織行業(yè)常用的大多數(shù)合纖，如經(jīng)機(jī)械、表面活性劑、氧氟等表面處理后[5] ，其短纖都可用于混凝土的改性，從而提高或改善其性能。
(7) 原料豐富易得，纖維不吸水，無需增大用水量，無毒無味，環(huán)保，不耐強(qiáng)堿性水泥，存在耐久性問題。
(8) 高模量，抗張強(qiáng)度高，無毒環(huán)保，與水泥粘結(jié)性好，能有效提高混凝土抗彎強(qiáng)度及耐沖擊性，但熱穩(wěn)定性較差。
(9) ～ (10) 熱穩(wěn)定性及其他性能介于碳纖維及聚丙烯纖維之間，改善力學(xué)性能，且提高耐磨、耐久性，外力作用時，纖維不易拔出。
(11) 與水泥基體相容性好，與水泥基體粘結(jié)性好，達(dá)到相同增強(qiáng)效果時，用量比PP 纖維及聚酯纖維少，但在酸堿條件下易水解，存在耐久性問題。
(12) 多用于屋頂板、水泥板等材料，當(dāng)纖維體積用量達(dá)3 %時，材料機(jī)械性能同石棉- 水泥相當(dāng)。
(13) 高比表面積，高極限抗張強(qiáng)度，與水親和性好，無毒，與水泥基體具物理和氫鍵結(jié)合，粘結(jié)強(qiáng)度高，裂縫控制率大于尼龍纖維，但對水泥顆粒包容力低，不耐高壓水蒸汽養(yǎng)護(hù)。
(14) 耐惡劣環(huán)境，耐磨損，耐高溫，安全，與水泥基本可進(jìn)行化學(xué)結(jié)合，其給合力強(qiáng)，具導(dǎo)電功能等，在所有合成纖維中，其增強(qiáng)效果最好。
(15) 常為高模最、高延伸性纖維的混雜，可降低高模量纖維的使用成本，增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度及韌性，存在正負(fù)混雜效應(yīng)。
2 合成纖維在混凝土建材中的作用及機(jī)理
2．1 合纖在混凝土中的作用
混凝土由于其抗壓強(qiáng)度大、價廉易得，在我國各種工程中大量應(yīng)用。但由于其脆性，特別是高強(qiáng)度混凝土，由于原料組分中水泥用量增加，產(chǎn)生的水化熱加劇，使混凝土收縮量增大，脆性更大，易產(chǎn)生施工裂縫，抗?jié)B性下降，韌性低，不耐沖擊，抗凍融性及抗化學(xué)腐蝕性差等。采用合纖對混凝土進(jìn)行改性，可明顯提高或改善混凝土的抗裂性，減少裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。
2．1．1 增強(qiáng)混凝土的抗裂性
混凝土在實際施工中，由于多余水分的存在，在拌料過程中有大量水化熱產(chǎn)生，在澆搗成型過程中易產(chǎn)生塑性收縮裂縫，在失水干燥時產(chǎn)生干裂，以及在硬化階段因溫度變化出現(xiàn)溫度收縮裂縫等[6]。諸類裂縫的產(chǎn)生，對混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性、耐久性等造成了極大影響。而在混凝土中添加少量合纖(一般為混凝土體積的0.05 %～1. 0%)，就可以明顯提高或改善混凝土的抗裂性，如表2所示[3]。
實驗用合纖為聚丙烯纖維，其性能指標(biāo)為:直徑:48μm；長度:19mm；抗拉強(qiáng)度:276Mpa ；類型:束狀型；拉伸極限:15%；比重:0.91 ，彈性模量:3793Mpa；長徑比:396。實驗采用的數(shù)值對應(yīng)為:d ≥3mm為3 ，3mm>d≥2mm為2 ，2mm>d≥1mm為1，1mm> d ≥0.5mm為0.5，d<0.5mm為0.25
表2表明，在混凝土中摻入體積比為0.05 %和0.10 %的聚丙烯纖維后，其抗裂性分別提高65%和75%，且裂縫明顯細(xì)化。同時由于合纖與混凝土具一定的粘結(jié)力，纖維承受了混凝土塑性變形所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而阻止了早期裂縫的生長及發(fā)展，明顯改善或提高了抗裂性能。
2.1.2 增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性
混凝土為非均相復(fù)合材料，骨料間存在較多的微孔隙，具大量毛細(xì)效應(yīng)，以及混凝土在干燥、硬化時產(chǎn)生的裂縫，降低了混凝土的抗?jié)B性。而當(dāng)摻入合纖后，纖維的存在減少或阻止了混凝土中裂縫的形成、生長及發(fā)展，尤其是大大降低了連通裂縫的產(chǎn)生，減少了滲水通道。同時，纖維的加入，增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部的束縛力，其密實度提高，固化成型后更加緊密，直徑為50～100μm 及大于100μm 的孔隙含量大大降低，故其抗?jié)B性得以顯著提高。戴建國等[7]對含聚丙烯合纖為0.05%和0.10%(體積比)的混凝土，在1.3Mpa 水壓下進(jìn)行了24h抗?jié)B性能試驗，結(jié)果表明，與空白樣對照，纖維混凝土的抗?jié)B性能分別提高40%和48%。
2.1.3 對混凝土的增韌性
混凝土是一種脆性材料，其受力達(dá)到一定程度時，就會突然開裂。摻入合纖后，由于合纖良好的延伸性，在混凝土中成三維網(wǎng)狀分布，與混凝土基體的粘結(jié)強(qiáng)度較高，當(dāng)受外力作用時，混凝土將部分應(yīng)力傳遞給纖維，使纖維產(chǎn)生應(yīng)變，減弱了應(yīng)力對混凝土的破壞。當(dāng)外力增大到一定程度時，混凝土開始開裂，此時纖維跨接在裂縫的表面，通過產(chǎn)生進(jìn)一步的應(yīng)變及形變來消耗外力，阻止裂縫的發(fā)展，直至外力足夠大，大于纖維抗拉強(qiáng)度時，纖維被拔出或斷裂。但在此過程中，纖維混凝土已發(fā)生了極大的變形，因而其脆性大大下降，韌性顯著提高。熊瑞生等[8]探討了聚酯纖維在混凝土中對抗折強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，摻入0.5%(體積比)的聚酯纖維，28 天后混凝土抗折強(qiáng)度最高提高37.3%，平均提高35.3%。
2.1.4 合纖對混凝土抗沖擊性的改善
合纖摻入混凝土后，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有不同程度的提高，從而使混凝土抗瞬間的最大沖擊力提高。另外，由于纖維摻入混凝土后，混凝土韌性增加，能更好地積蓄受沖擊帶來的能量，使能量緩慢釋放，避免了因能量釋放過快而造成的破壞。另外在受外力沖擊時，纖維混凝土中的合纖具備一定的載荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)。故纖維混凝土較素混凝土具更強(qiáng)的抗外力沖擊性。史小興等[3]報道了聚丙烯合纖摻入量為0. 05%和0.1%(體積比)時，混凝土抗鋼球沖擊的次數(shù)提高了2～3倍。王依民等[9]研究了聚丙烯合纖在體積摻量為0.5%、1.0%及1.5 %時，纖維混凝土抗沖擊強(qiáng)度提高率分別為78 %、112 %及143 %。
2.1.5 纖維對混凝土抗凍融性和抗化學(xué)腐蝕的影響
在凍融條件下，由于溫度改變，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，使混凝土開裂，以及使原有裂縫得到生長及擴(kuò)展?；炷林屑尤牒铣衫w維后，由于纖維較細(xì)，以三維網(wǎng)狀分散于其中，具有較好的約束作用，可以緩解因溫度變化時產(chǎn)生的膨脹或收縮壓力，而當(dāng)初始裂紋發(fā)生后，并可阻止裂紋的進(jìn)一步發(fā)展。因而其抗凍融能力提高。閻利等[10]報道了經(jīng)25 次凍融循環(huán)試驗后，聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土無分層及開裂現(xiàn)象發(fā)生。史小興等[3]介紹了纖維混凝土經(jīng)50 次及100 次凍融試驗，其抗折、抗壓性能遠(yuǎn)好于空白對照樣。同時，由于纖維混凝土的抗?jié)B性增加，阻礙了化學(xué)物質(zhì)的滲入，所以也大大提高了混凝土的抗化學(xué)腐蝕能力。
2.2 合纖增強(qiáng)混凝土性能的有關(guān)機(jī)理
纖維對混凝土各項性能的增強(qiáng)作用，目前通常采用兩種理論來解釋[11-13]。其一是1963 年美國學(xué)者Romualdi提出的“纖維阻裂機(jī)理”。主要是根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來解釋纖維對裂縫的阻裂效應(yīng)。認(rèn)為混凝土內(nèi)部本身就存在缺陷，當(dāng)摻入纖維后，且纖維的平均間距小于7. 6mm時，纖維的存在降低了內(nèi)部裂縫尖端的應(yīng)力集中系數(shù)，裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子下降，纖維對裂縫的發(fā)生及發(fā)展具明顯約束作用，減小了混凝土缺陷的程度，增加其韌性，從而使纖維混凝土的抗拉和抗折強(qiáng)度等得以提高。而纖維的這種阻裂增強(qiáng)作用又與其品種、性能參數(shù)(摻入體積比、長度、直徑、長徑比、彈性模量等) 、實驗條件等密切相關(guān)。
第二種理論是由英國Swamy、Mangat 提出的“復(fù)合材料機(jī)理”。主要從復(fù)合材料的混合原理出發(fā)，將纖維增強(qiáng)混凝土看作纖維的強(qiáng)化體系，并用混合原理來推定纖維混凝土的抗拉及抗折強(qiáng)度等性能變化。即認(rèn)為纖維摻入后，混凝土強(qiáng)度、抗裂性等與纖維的摻入量、方向、長徑比以及粘結(jié)力有關(guān)，纖維品種不同，與混凝土基體的界面作用大小不同，以及基體中纖維的含量、分布及長徑比等，都會影響纖維的增強(qiáng)效果。
3 合纖在混凝土建材中的老化特性
合纖在混凝土建材中的老化主要包括熱老化、紫外老化(氣候老化) 以及高溫堿性(高溫潮濕) 條件下的大分子降解等。戴建國等[7]對不同體積摻量的網(wǎng)狀聚丙烯纖維混凝土在180℃烘箱中熱老化8h后，對其抗?jié)B性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明纖維體積含量為0.3%時，老化后出現(xiàn)明顯的小孔。因而在較高溫度下，混凝土中網(wǎng)狀聚丙烯纖維對熱老化比較敏感，存在長期熱穩(wěn)定性問題。葛其榮等[14]、盧安琪等[15]采用氙燈照射加速老化實驗，結(jié)果表明，聚丙烯纖維在裸露條件下照射24h 時，其斷裂強(qiáng)度及延伸率分別只剩下54 %和35 %。但在砂漿遮蓋厚度為3. 8mm時，照射250h 后，斷裂強(qiáng)度和延伸率保留為96 %和82 % ，當(dāng)遮蓋厚度為5mm時，保留率為98～99 %。因此，試驗證明紫外線對混凝土中纖維的老化作用僅發(fā)生在混凝土淺表層3～4mm處，而對整個纖維混凝土不產(chǎn)生老化危害。鐘世云等[16]也通過人工氣候和高溫浸水試驗，研究了尼龍纖維在水泥基中的老化性能，結(jié)果顯示，人工氣候條件下，水泥基內(nèi)部纖維的性能老化不明顯，光照400h后，其韌性指數(shù)和沖擊強(qiáng)度保持率分別為82 %～87 %和94 %～99 %；而在70 ℃飽和石灰水浸泡180 天后，尼龍纖維大分子降解，纖維砂漿的抗沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)出快速減少，且隨纖維摻量增大而更加明顯，而在360 天時，纖維砂漿抗沖擊強(qiáng)度保持率僅約為30 %左右。因而，合纖混凝土中纖維種類不同，其對不同老化條件的敏感性也各異，從而表現(xiàn)出纖維本身各自的老化特性，并對纖維在混凝土中的增強(qiáng)效果產(chǎn)生不同程度的影響，從而也影響到整個混凝土的耐久性或使用壽命等。
4 結(jié)語
目前我國每年混凝土使用量在10 億立方米左右，在以后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，使用量還將進(jìn)一步增加。纖維混凝土在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用較早，而在我國的研究及應(yīng)用則剛剛起步，因而開發(fā)纖維混凝土，具有巨大的市場潛力。纖維加入混凝土后，不但改善或提高了混凝土的抗裂、抗拉、抗沖擊、增韌等各項性能，而且擴(kuò)大了紡織品在其他產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。且可將合纖行業(yè)中的下腳料、廢料充分利用，變廢為寶，節(jié)約了成本，也減少了環(huán)境污染，對整個紡織行業(yè)的持續(xù)發(fā)展也具有重要意義。同時，對提高或改善我國混凝土建材質(zhì)量及性能，促進(jìn)建筑行業(yè)的發(fā)展，提高經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益都具重要作用。
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