聚丙烯微纖維混凝土的研究和應(yīng)用

關(guān)鍵詞： 聚丙烯微纖維； 混凝土；對(duì)比試驗(yàn)；研究；應(yīng)用

1　引言

1960年Goldfein研究發(fā)現(xiàn)，在水泥凈漿與砂漿中加入少量聚丙烯纖維可以明顯提高抗沖擊性。此后，英國(guó)將少量(≤0.05%)短切聚丙烯膜裂纖維摻加于混凝土中用以制造樁殼、墻板、浮體等預(yù)制品。1970年美國(guó)開(kāi)始大力開(kāi)發(fā)絲束聚丙烯纖維， 用以代替鋼筋網(wǎng)片， 控制混凝土收縮。

近年來(lái)， 澳大利亞、加拿大、日本、墨西哥以及東南亞地區(qū)等許多國(guó)家的混凝土建筑行業(yè)在微纖維的開(kāi)發(fā)和使用方面已取得了相當(dāng)?shù)某晒?。在我?guó)聚丙烯微纖維混凝土曾先后被應(yīng)用到各個(gè)方面(如路面修補(bǔ)、隧道、橋面、轉(zhuǎn)換梁、結(jié)構(gòu)防水、外墻抹灰、機(jī)場(chǎng)跑道、預(yù)制構(gòu)件等)。聚丙烯微纖維混凝土正以其良好的分散性和對(duì)混凝土的阻裂作用被廣泛應(yīng)用。

2　聚丙烯微纖維在混凝土中的作用機(jī)理

聚丙烯是乳白色無(wú)味、無(wú)臭、無(wú)毒、質(zhì)輕的熱塑性塑料，密度為0.90～0.91g/cm³。熔點(diǎn)為165～170℃，耐熱性能良好。聚丙烯與大多數(shù)化學(xué)品，如酸、堿和有機(jī)溶劑接觸不發(fā)生作用，物理機(jī)械性能良好。其纖維加入到水泥基體中，主要有以下3個(gè)作用:(1)提高基體的抗拉強(qiáng)度;(2)阻止基體中原有缺陷(微裂縫)的擴(kuò)展并延緩新裂縫的出現(xiàn);(3)提高基體的變形能力，并從而改善其韌性和抗沖擊性。

美國(guó)Romualdi提出的“纖維間距機(jī)理”，根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)來(lái)說(shuō)明纖維對(duì)于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。認(rèn)為在混凝土內(nèi)部原來(lái)就存在缺陷，欲提高強(qiáng)度，必須盡可能地減少缺陷的程度， 提高韌性，降低內(nèi)部裂縫端部的應(yīng)力集中系數(shù)。理論分析與實(shí)踐證明，當(dāng)纖維的平均中心間距小于716mm時(shí)，纖維混凝土的抗拉或抗彎強(qiáng)度均得以提高。

混凝土在硬化過(guò)程中，初期由于水和水泥反應(yīng)形成晶體，這種晶體化合物的體積比原材料的體積要小，因此引起混凝土體積收縮。而后期又由于混凝土內(nèi)自由水分的蒸發(fā)引起干縮。這些應(yīng)力在混凝土內(nèi)部不可避免地引起微裂縫，在外力作用下，微裂縫會(huì)發(fā)展成更大的裂縫，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受損。

由于微纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部(以0.9 kg/m³投放量計(jì)，約1000 多萬(wàn)根)，微纖維的表面經(jīng)處理后，與混凝土之間握裹力極強(qiáng)，裂縫在發(fā)展過(guò)程中碰到臨近的微纖維時(shí)立即被阻擋。因此防止了裂縫的擴(kuò)展，提高了混凝土的斷裂韌性，同時(shí)也提高混凝土的耐久性能。

微纖維在混凝土內(nèi)部的均勻分布，使混凝土內(nèi)部構(gòu)成了一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種有效的二級(jí)加強(qiáng)效果。收縮的能量被分散到成千上萬(wàn)條纖維單絲上，從而極為有效地增強(qiáng)了混凝土的韌性。同時(shí)無(wú)數(shù)的纖維單絲在混凝土內(nèi)部形成的亂向網(wǎng)狀撐托體系對(duì)骨料具有“承托”作用，可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙沉降裂縫的形成。

由于微纖維具有聚合物的大分子結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度較高(≥40℃)時(shí)，具有收縮性。當(dāng)溫度較低(≤40℃)時(shí)，玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)大分子具有抗收縮性。這種性能恰好補(bǔ)償了混凝土的熱脹冷縮的特性， 因而，微纖維混凝土的耐溫性能也很好。

3　聚丙烯微纖維混凝土的施工

聚丙烯微纖維混凝土對(duì)攪拌和施工工藝沒(méi)有特別的要求，只要適當(dāng)保證攪拌時(shí)間即可使用， 無(wú)論是混凝土攪拌站還是施工現(xiàn)場(chǎng)攪拌，都十分簡(jiǎn)便。

3.1　配料

聚丙烯微纖維混凝土的配料要求如下:

(1) 可使用32.5或42.5硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

(2) 當(dāng)基體為水泥砂漿時(shí)，砂子的最大粒徑為5mm，聚丙烯微纖維長(zhǎng)度可取10～15mm，纖維體積率可取0.1%。

(3) 當(dāng)基體為混凝土?xí)r，石子粒徑可取20mm，聚丙烯纖維長(zhǎng)度可取55～64mm，纖維摻量可取0.6～0.9kg/m³。

(4) 當(dāng)基體為噴射混凝土?xí)r，水灰比控制在0.35～0.45。纖維摻量可取0.6～0.9kg/m³。

(5) 為改善聚丙烯混凝土拌和物的和易性，可摻加適量的引氣劑或減水劑，也可外摻10%左右的粉煤灰。

3.2　攪拌、運(yùn)輸和澆筑

聚丙烯微纖維混凝土的攪拌、運(yùn)輸和澆筑應(yīng)遵循下述原則:

(1) 可采用普通轉(zhuǎn)筒式攪拌機(jī)或盤(pán)式攪拌機(jī)拌制聚丙烯纖維混凝土。若用后者則應(yīng)適當(dāng)調(diào)整葉片的角度，以防纖維聚集于葉片與擋板之間發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(2) 可先將砂、石、水泥和水在攪拌機(jī)內(nèi)均勻拌和后，再加入聚丙烯微纖維，攪拌時(shí)間長(zhǎng)短以纖維能在混凝土中的均勻分布為度，一般為3～5min。也可先將聚丙烯纖維與砂、石子、水泥干拌，再加水拌和，整個(gè)拌和時(shí)間應(yīng)較拌制普通混凝土適當(dāng)延長(zhǎng)1～2min(但拌制時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使纖維受到損傷并因而降低其強(qiáng)度)。

(3) 混凝土由攪拌站運(yùn)至工地的時(shí)間不超過(guò)30min時(shí)，聚丙烯微纖維可在攪拌站內(nèi)預(yù)先加入混凝土中，否則聚丙烯微纖維宜在混凝土運(yùn)至工地后加入。

(4) 聚丙烯微纖維混凝土可用振動(dòng)臺(tái)、平板式或插入式振搗器振搗密實(shí)。振動(dòng)頻率與時(shí)間等按具體情況而定。振搗時(shí)應(yīng)使拌和物中所含空氣充分逸出。

(5) 聚丙烯纖維混凝土的初、終凝時(shí)間較普通混凝土稍有增加，宜在其接近終凝時(shí)進(jìn)行修抹， 以防止纖維外露。

4　聚丙烯微纖維混凝土的性能

混凝土中摻加聚丙烯微纖維后，其性能發(fā)生較大改變或提高，與各類型混凝土的具體對(duì)照情況如下所述。

4.1　與普通混凝土比較

普通混凝土按0.9kg/m³的比例摻加聚丙烯微纖維后，坍落度和比重變化不大(坍落度由13.33cm變到12.06cm，比重由2325.89kg/m³變?yōu)?/SPAN>2297.06kg/m³)，而強(qiáng)度有所提高，特別是抗沖擊強(qiáng)度增加較大，具體指標(biāo)如表1。

4.2　與鋼筋混凝土比較

與鋼筋混凝土相比，聚丙烯微纖維混凝土有如下特點(diǎn):

(1) 纖維均勻分布于混凝土中，能有效減少及防止非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生。

(2) 能有效增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性、耐磨性、抗銹和抗腐蝕性。

(3) 施工方便，不需為保護(hù)鋼筋不銹蝕而設(shè)置保護(hù)層。

4.3　與普通噴射混凝土比較

每立方米摻0.9kg聚丙烯微纖維的混凝土與普通噴射混凝土進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，聚丙烯微纖維噴射混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1) 能形成更厚的噴射混凝土層。

(2) 具有更高的粘稠性，能大幅度降低混凝土回彈，從而降低成本。

(3) 能有效防止收縮龜裂。

(4) 增大混凝土抗沖擊能力，提高彎曲強(qiáng)度。

5　結(jié)論

(1) 聚丙烯微纖維混凝土性能穩(wěn)定、使用較為便利，對(duì)混凝土的施工無(wú)特殊要求。

(2) 聚丙烯微纖維主要是通過(guò)物理力學(xué)作用改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并不改變混凝土中各種材料本身的化學(xué)性能，因而不影響混凝土的耐久性。

(3) 加入聚丙烯微纖維后，混凝土粘聚性增強(qiáng)，坍落度有少量損失(一般為1～2cm)，對(duì)混凝土的工作性影響不大。

(4) 在噴射混凝土中加入聚丙烯微纖維有利于增加噴層厚度，降低混凝土回彈。

(5) 在混凝土中摻加聚丙烯微纖維，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度影響不大，可提高混凝土的劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度。

(6) 在混凝土中摻加聚丙烯微纖維可有助于混凝土抗?jié)B性的提高。

(7) 在混凝土中摻加聚丙烯微纖維可有效地提高混凝土的抗沖擊性能。

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作者簡(jiǎn)介;

(1. 中鐵十四集團(tuán)公司路橋分公司， 山東濟(jì)南　250002; 2. 石家莊鐵道學(xué)院科技處， 河北石家莊　050043)