改性聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B性能的試驗(yàn)研究

[關(guān)鍵詞] 　改性聚丙烯纖維； 纖維混凝土； 抗?jié)B性能

　   隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)及民用建筑混凝土抗?jié)B性能要求越來(lái)越高。目前，改善混凝土抗?jié)B性能的有效途徑有兩種。其一，通過(guò)在混凝土中添加外加劑的方法，即通過(guò)膨脹劑提高混凝土的密實(shí)性，或加入憎水性有機(jī)材料提高混凝土抗?jié)B性的方法，達(dá)到改善混凝土抗?jié)B性能的目的；其二，在混凝土中摻入纖維，減少混凝土內(nèi)部缺陷，改善混凝土的品質(zhì)，提高其抗?jié)B性能。添加外加劑，易引起混凝土堿-基料反應(yīng)或其它化學(xué)反應(yīng)，使得混凝土的耐久性難以保證。在建筑材料中摻入纖維的做法由來(lái)已久。早期，主要是利用天然纖維；在現(xiàn)在工程施工中，常使用的是玻璃纖維和鋼纖維。由于玻璃纖維的抗剪能力差，易引起混凝土堿-基料反應(yīng)，不宜采用。鋼纖維的比重大，雖能改善混凝土的某些品質(zhì)，但增加結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，且對(duì)混凝土抗?jié)B性能改善不明顯。隨著化學(xué)工業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，20世紀(jì)60年代以來(lái)，國(guó)外已開(kāi)始大量研究利用化學(xué)合成纖維摻入混凝土或砂漿中，以便改善水泥基混凝土脆性高、抗拉強(qiáng)度低、抗?jié)B性能差等缺點(diǎn)，提高水泥材料制品的物理力學(xué)性能，現(xiàn)已取得巨大發(fā)展和廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)研究擬通過(guò)試驗(yàn)，研究利用國(guó)產(chǎn)改性聚丙烯纖維改善混凝土抗?jié)B性能的途徑和方法，并就改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響機(jī)理進(jìn)行探討。

1 　方法及試驗(yàn)結(jié)論

1. 1 　試驗(yàn)?zāi)康?SPAN lang=EN-US>

目前，國(guó)外在工程用混凝土或砂漿中摻入的改性聚丙烯纖維主要是單絲改性聚丙烯短纖維，長(zhǎng)度約為數(shù)毫米至數(shù)十毫米；長(zhǎng)纖維(也稱(chēng)連續(xù)纖維)，主要用于水泥材料制品。通常，在混凝土或砂漿中摻入短纖維的體積率均較低，摻入體積率約為0.01%～0.3%，一般稱(chēng)為低摻量纖維混凝土。纖維摻入體積率大于1%時(shí)，稱(chēng)作高摻量纖維混凝土，主要用于水泥材料制品。

試驗(yàn)采用的纖維是天津市欣晟建筑纖維公司生產(chǎn)的改性聚丙烯纖維，美國(guó)杜拉公司及天津欣晟公司生產(chǎn)的纖維單絲的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)對(duì)比情況見(jiàn)表1。對(duì)比表明天津欣晟公司生產(chǎn)的纖維其化學(xué)及物理力學(xué)性質(zhì)都不低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品。欣晟纖維改性工藝屬?lài)?guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，纖維具有良好的親水性和分散性。該研究擬通過(guò)對(duì)纖維摻入體積率分別為0%，0.1%，0.13%的混凝土的抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1. 2 　試件制作

試驗(yàn)依據(jù)GBJ《普通混凝土長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行，試件共分3組，每組6件試件。試件是頂面直徑為175mm，底面直徑為185mm，高度為150mm的圓臺(tái)體，試件利用混凝土滲透儀進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)^[1]。

　   制作試件的混凝土配合比，水泥∶石子∶砂∶水= 360∶1065∶720∶205，該配合比符合P6 級(jí)抗?jié)B等級(jí)要求。試件摻入纖維體積率分別為0%，0.1%和0.13%(后兩組的纖維摻入量分別為:0.9 kg/m³及1.2kg/m³)。試件采用的纖維纖度為15～17g/9000m。即直徑約為48μm；長(zhǎng)度為19mm。試件制作時(shí)，為使纖維分布均勻，纖維、砂、石骨料和水泥一同投入，而后加水進(jìn)行強(qiáng)制攪拌。

1. 3 　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法依據(jù)GBJ《普通混凝土長(zhǎng)期耐久性試驗(yàn)方法》實(shí)施。試件試驗(yàn)齡期為28d。試驗(yàn)采用HS24B型混凝土滲透儀。該儀器加壓范圍為0～4MPa ，每次試驗(yàn)安裝一組試件(6枚)。試驗(yàn)時(shí)由初始0.1MPa開(kāi)始加壓，加壓持續(xù)8h，如未發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)透水或透水試件總數(shù)不超過(guò)3個(gè)試件時(shí)，試驗(yàn)壓力遞增0.1MPa繼續(xù)持續(xù)加壓8h，依此類(lèi)推，直至透水試件超過(guò)3個(gè)試件時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。

1. 4 　試驗(yàn)結(jié)論

3組試件的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

　   試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土中加入改性聚丙烯纖維后，可大幅度提高混凝土的抗?jié)B性能。不僅抗?jié)B時(shí)間大幅度增加，并且耐受壓力也大幅度提高。以第二組試件為例，纖維體積摻入率為0.13%時(shí)，其最高耐受壓力和耐受時(shí)間均提高了200%?？梢?jiàn)，在混凝土中加入改性聚丙烯纖維后可有效提高水泥基混凝土材料的抗?jié)B能力。相關(guān)實(shí)驗(yàn)還表明，即使纖維摻量降低為0.05%時(shí)，混凝土的抗?jié)B性能也有十分明顯的提高。試驗(yàn)中，將未產(chǎn)生透水現(xiàn)象的試件剖開(kāi)進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，尚未完全透水的未摻入纖維的混凝土試件透水高度均達(dá)120mm以上；而尚未完全透水的已摻入纖維的混凝土試件透水高度僅為50～80mm左右，且纖維摻量越高，透水高度越低。

以上結(jié)果表明:在混凝土中摻入一定比例的改性聚丙烯纖維，可以明顯改善混凝土的抗?jié)B性能，而且摻入纖維的比例越高，抗?jié)B性能改善越明顯，而且由于聚丙烯纖維具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，摻入纖維不影響混凝土的化學(xué)性質(zhì)。

2 　摻入改性聚丙烯纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的影響機(jī)理

2.1 　摻入纖維使混凝土抗慘性能提高的原因

試驗(yàn)所用纖維纖度為15～17g/9000m，直徑約為48μm，長(zhǎng)度為19mm，試件纖維摻入量分別為0.9kg/m³和1.3kg/m³，即每立方米混凝土中分布的纖維根數(shù)分別約為2.8×10⁶根和3.8×10⁶根，由于改性聚丙烯纖維有著良好的分散性，因此，從理論上講，在混凝土內(nèi)，單根纖維間的平均間距分別約為1.87mm和1.61mm。在數(shù)目眾多的纖維作用下，混凝土抗?jié)B性能提高的主要原因有以下幾點(diǎn):

a) 纖維能有效阻止混凝土塑性期裂縫的產(chǎn)生，由于纖維在混凝土內(nèi)呈現(xiàn)三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到支撐集料的作用，在一定程度上阻止了粗、細(xì)集料的沉降；同時(shí)也降低了混凝土表面的析水現(xiàn)象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成塑性期較大體積收縮，從而抑制塑性期混凝土表面出現(xiàn)裂縫。塑性狀態(tài)的混凝土強(qiáng)度極低，纖維在塑性狀態(tài)的混凝土中能承受由于干縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，減少并阻止塑性狀態(tài)下混凝土內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。纖維的存在有效阻止了混凝土塑性期內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展^[2]。

b) 纖維在硬化混凝土中可發(fā)揮的有效的阻裂作用。硬化的混凝土由于干燥收縮、溫度收縮及碳化收縮的存在，常會(huì)引起混凝土內(nèi)部產(chǎn)生各種收縮應(yīng)力(拉應(yīng)力)，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生大量裂縫。在混凝土中摻入纖維，可有效降低裂縫尖端的應(yīng)力集中，而抑制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從理論上講，在三維分布纖維的作用下，當(dāng)開(kāi)裂應(yīng)力不大于纖維抗拉應(yīng)力時(shí)，混凝土內(nèi)裂縫的發(fā)展不超過(guò)單根纖維的平均間距，此值與摻入纖維的體積率成反比，與摻入纖維長(zhǎng)度成正比。在試驗(yàn)采用的摻量時(shí)，其間距為1.61～1.87mm。纖維有效防止微裂縫擴(kuò)展，并阻止微細(xì)裂縫的貫通^[3]。

c) 纖維摻量對(duì)混凝土抗?jié)B性能產(chǎn)生影響。由于改性聚丙烯纖維在混凝土中無(wú)規(guī)則分布，纖維在混凝土中呈棋盤(pán)狀均勻分布。在棋盤(pán)狀纖維間隙中，可能存在著混凝土固有缺陷。這些缺陷是普通混凝土受到內(nèi)部或外部應(yīng)力作用時(shí)，產(chǎn)生裂縫并最終導(dǎo)致混凝土趨于破壞的根本原因。根據(jù)彈性斷裂力學(xué)理論(Romualdi理論)，由于纖維的存在使應(yīng)力裂縫趨于閉合。據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道^[3]，在混凝土中，當(dāng)纖維分布的平均間距小于7.6mm時(shí)，混凝土的抗拉或抗彎初裂強(qiáng)度就能得以明顯提高。摻纖維的混凝土在限制收縮的條件下，因失水干縮而引發(fā)裂縫時(shí)，由于纖維存在阻裂作用，可顯著減少初始裂縫的數(shù)量，有效抑制裂縫的寬度和長(zhǎng)度，并大大降低生成貫通裂縫的可能性。混凝土中摻入纖維的體積率達(dá)0.003%時(shí)就可使混凝土的裂縫被明顯細(xì)化，當(dāng)裂縫寬度超過(guò)自愈范圍后，裂縫的漏水量與裂縫寬度的三次方成正比。混凝土中由于纖維的存在，即使裂縫的總面積不變，由于裂縫的細(xì)化，混凝土的漏水量與細(xì)分后的裂縫根數(shù)成反比，即單位混凝土體積內(nèi)均勻分布的纖維根數(shù)越多，裂縫寬度就越窄，混凝土的抗?jié)B性能也就越優(yōu)異。

由于混凝土內(nèi)均勻散布的短纖維起到了阻斷混凝土內(nèi)裂縫毛細(xì)作用的效果，對(duì)提高抗?jié)B性也起到一定作用^[4]。

2.2 　纖維混凝土與其它改善混凝土抗?jié)B性能方法的分析與比較

在混凝土中摻加膨脹劑，改變混凝土的配合比，降低水灰比，增加混凝土的澆注厚度或在混凝土中添加有機(jī)硅防水劑或防水樹(shù)脂等都可以提高混凝土的抗?jié)B性能。但其增強(qiáng)效果和工作機(jī)理卻有著很大的區(qū)別。

a) 膨脹劑是在混凝土硬化過(guò)程中發(fā)揮作用，對(duì)于混凝土塑性期產(chǎn)生裂縫的效果不佳。改性聚丙烯纖維在混凝土呈塑性狀態(tài)時(shí)即可減少和阻止混凝土裂縫的發(fā)生。因此，纖維對(duì)混凝土抗?jié)B性能的改善是全過(guò)程的。

b) 膨脹劑需有充足的水分才可發(fā)揮作用。如早期養(yǎng)護(hù)保濕不當(dāng)或過(guò)早暴露于干燥空氣之中，則膨脹過(guò)程便會(huì)停止，從而失去作用。改性聚丙烯纖維不需要水的參與便可有效減少和阻止裂縫的發(fā)生。并且纖維還具有一定的保水性，可改善混凝土的早期養(yǎng)護(hù)條件。

c) 膨脹劑存在與其他化學(xué)添加劑間的合理匹配問(wèn)題。有的膨脹劑呈堿性，可能引起或助長(zhǎng)混凝土的堿2集料反應(yīng)。改性聚丙烯纖維化學(xué)穩(wěn)定性好，可以與任何化學(xué)外加劑任意匹配，且具有極好的阻裂效果，不僅不會(huì)誘發(fā)，反而有利于防止混凝土的堿2集料反應(yīng)的產(chǎn)生。

d) 在混凝土中添加有機(jī)硅，防水樹(shù)脂等憎水劑，存在施工工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。改性聚丙烯纖維較其它改善混凝土抗?jié)B性能的方法所要求的使用條件和施工條件更寬松，使用過(guò)程更安全、更可靠，而且其長(zhǎng)期抗?jié)B防水效果更佳。尤其適用于環(huán)境十分惡劣，形狀十分復(fù)雜，抗?jié)B防水性能要求很高的場(chǎng)合。

3 　試驗(yàn)結(jié)論及建議

3. 1 　試驗(yàn)結(jié)論

a) 試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摻入改性聚丙烯纖維后其抗?jié)B性能的改善效果與纖維摻量有關(guān)，在一定摻量范圍內(nèi)，摻量越大，效果越佳。但考慮到性能改善與經(jīng)濟(jì)成本雙重因素的影響，在一般民用及工業(yè)建筑中，摻入量的體積率以0.1%～0.3%較為合理，纖維長(zhǎng)度以19～30mm為宜。

b) 改性聚丙烯纖維能有效改善混凝土的抗?jié)B性能，但降低了混凝土的坍落度，尤其對(duì)大坍落度混凝土影響更大。因此，對(duì)于泵送大坍落度混凝土應(yīng)適當(dāng)調(diào)整減水劑的品種及用量，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)坍落度的要求。

3. 2 　幾點(diǎn)建議

a) 改性聚丙烯混凝土主要適用于如澆筑地下室的底板、側(cè)墻、頂板、各種建筑物的屋面板以及各種水池、化污池、游泳池、渡槽、隧道、地鐵、涵洞等各種要求混凝土抗?jié)B防水場(chǎng)合。

b) 配制含纖維混凝土應(yīng)在加入粗、細(xì)骨料與水泥時(shí)，將適當(dāng)用量的纖維一次性投入攪拌料中，加水?dāng)嚢?/SPAN>，即可達(dá)到很好的分散效果。以采用強(qiáng)制式攪拌為佳。

c) 在混凝土中摻入的化學(xué)合成纖維應(yīng)具有良好的親水性和分散性。由于普通化學(xué)纖維難以在混凝土中均勻分散，在紫外線(xiàn)作用下會(huì)迅速老化，因此，在選用改性聚丙烯纖維時(shí)必須特別注意所選用纖維的物理力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性、耐老化性、親水性和水中分散性是否滿(mǎn)足工程需要，以免影響混凝土的品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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3 　ALHOZAIMYA M，SOROUSHLAN P ，MIRZA F.Mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete and the effects of pozzolanic materials[J]. Cement Concrete Composites，1996，(18):85-92

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