聚丙烯纖維混凝土的防水性能及應(yīng)用

    摘要：通過(guò)分析聚丙烯纖維混凝土的防水機(jī)理，說(shuō)明在混凝土中摻加適量的聚丙烯纖維能有效提高混凝土材料的抗裂防滲性能。文中還介紹了聚丙烯纖維混凝土在各類防水工程中的應(yīng)用實(shí)例。
   
     關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；聚丙烯纖維混凝土；微裂縫；剛性防水     
                        
    1 引言   
                        
    現(xiàn)代高新混凝土工程中，混凝土的應(yīng)用向著高強(qiáng)度、大流動(dòng)度方向發(fā)展。隨著混凝土強(qiáng)度和坍落度的提高，水泥的和用量不斷增加，由此帶來(lái)的副作用是水化熱加劇，混凝土的凝固收縮量加大，收縮應(yīng)力增大，裂縫數(shù)量增多。此外，隨著建筑構(gòu)件向大體積、大面積、形狀復(fù)雜多樣的方向發(fā)展，向地下空間的發(fā)展，混凝土內(nèi)的應(yīng)力大而復(fù)雜，裂縫的出現(xiàn)亦較以往多得多。因此，從混凝土防水的角度看，除了注重混凝土抗?jié)B性（密實(shí)度）外，更注意由于混凝土抗裂性不足而引起的滲漏，特別是高標(biāo)號(hào)的混凝土。   
                        
    近年來(lái)，國(guó)外發(fā)展了應(yīng)用微纖維混凝土進(jìn)行抗裂防水的新技術(shù)。美國(guó)于90年代初研制出微纖維混凝土，在隨后的幾年中得到迅速的發(fā)展，其中應(yīng)用最多的是聚丙烯纖維混凝土。如今，在美國(guó)新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纖維混凝土，國(guó)內(nèi)亦開(kāi)始在防水工程中得到成功應(yīng)用。本文主要以美國(guó)希爾兄弟化工公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維為例，介紹聚丙烯纖維混凝土的防水性能及其工程應(yīng)用。 
  
    2 聚丙烯纖維混凝土的防水性及機(jī)理  
 
    2.1  聚丙烯纖維的物理性能  
 
    聚丙烯纖維的物理性能如下：

材    料：聚丙烯	耐酸堿性：極高
相對(duì)密度：0.91	安 全 性：無(wú)毒材料
熔    點(diǎn)：165℃	拉伸極限：15%
燃    點(diǎn)：593℃	抗拉強(qiáng)度：275MPa
含 濕 量：＜0.1%	彈性模量：3793Mpa
吸 水 性：無(wú)   導(dǎo)熱低
細(xì)度：0.048mm

       
    2.2  聚丙烯纖維混凝土的防水機(jī)理   
                        
    聚丙烯纖維混凝土的防水屬于混凝土的剛性本體防水，在防水混凝土的抗?jié)B和抗裂2個(gè)途徑中，聚丙烯纖維主要是通過(guò)抗裂達(dá)到防水目的。聚丙烯纖維抗裂防水的機(jī)理是建立在對(duì)混凝土的固結(jié)、收縮的微觀研究的基礎(chǔ)上。   
                        
    從微觀的角度來(lái)看，任何密實(shí)的混凝土都存在微裂縫。這些微裂縫存在于相與相之間（石、砂、水泥膠體三相）和水泥微顆粒之間，只不過(guò)正常的微裂縫肉眼看不到而已?；炷猎谟不纬蓮?qiáng)度的過(guò)程中，初期由于水和水泥的應(yīng)形成結(jié)晶體，這種晶體化合物的體積比原材料的體積要小，因而引起混凝土體積的收縮；在后期又由于混凝土內(nèi)自由水分的蒸發(fā)而引起干縮。這些應(yīng)力某個(gè)時(shí)期超出了水泥機(jī)體的抗拉強(qiáng)度，于是在混凝土內(nèi)部引起微裂縫。這些微裂縫不可避免地存在于混凝土內(nèi)的骨料和水泥凝膠體的局部接觸面處以及凝膠體自身內(nèi)部?；炷猎谀Y(jié)和硬化過(guò)程中，微裂縫經(jīng)歷了出現(xiàn)和發(fā)展的過(guò)程。這一過(guò)程，宏觀上認(rèn)為是混凝土在固結(jié)收縮，一般混凝土的收縮率在8×10－4左右?；炷恋奈⒘芽p在發(fā)展過(guò)程中，是從無(wú)到有，從小到大向最薄弱方向定向發(fā)展。微裂縫向細(xì)裂縫的發(fā)展大多數(shù)（約占70%）在3－7d凝膠期內(nèi)完成，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度小于1Mpa，如果沒(méi)有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂縫在內(nèi)外應(yīng)力的作用下將會(huì)發(fā)展為更大的裂縫以至最終形成貫通的毛細(xì)孔道及裂縫，從而導(dǎo)致防水失敗，也造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的安全及使用。   
                        
    在混凝土內(nèi)摻入聚丙烯纖維，聚丙烯纖維與水泥集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻；同時(shí)由于細(xì)微，故比面積大，每公斤聚丙烯纖維連起來(lái)的總長(zhǎng)度可繞地球10多圈，若分布在1m³的混凝土中，則可使每1m³的混凝土中有近20條纖維絲，故能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。當(dāng)微裂縫在細(xì)裂縫發(fā)展的過(guò)程中，必然碰到多條不同向的微纖維，由于遭到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展。因此，聚丙烯纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂的產(chǎn)生和發(fā)展，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效地抑制了連通裂縫的產(chǎn)生。從宏觀上解釋，就是微纖維分散了混凝土的定向拉應(yīng)力，從而達(dá)到抗裂的效果。試驗(yàn)表明，與普通混凝土相比，聚丙烯纖維體積摻量為0.05%（約0.5kg/m³）的混凝土抗裂能力提高了接近70%。   
                        
    另外，均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析，從而使混凝土中直徑為50－100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，由此可以極大提高混凝土的抗?jié)B能力。試驗(yàn)表明，0.05%體積摻量的聚丙烯纖維比普通混凝土的抗?jié)B能力提高了60%－70%。   
                        
    3 聚丙烯纖維混凝土在防水工程中的應(yīng)用   
                        
    由以上分析可知，聚丙烯纖維可以大大增強(qiáng)混凝土的抗裂、抗?jié)B能力，作為混凝土剛體自防水材料的效果顯著，可以有效地解決混凝土滲裂問(wèn)題的困擾。聚丙烯纖維加高效減水劑的防水方案，目前已為國(guó)內(nèi)外眾多防水專家所肯定，是防水效果較為可靠、施工最為便易、機(jī)理較完整的防水方案，可廣泛應(yīng)用于地下室工程、層面、貯水池、腐化池等工程中。以下介紹聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用于防水工程的實(shí)例。   
                   
    3.1  實(shí)例1：廣州新中國(guó)大廈地下室工程   
                        
    廣州新中國(guó)大廈是一座集商業(yè)、娛樂(lè)、辦公、旅游業(yè)于一體的面積約為17萬(wàn)m²的綜合大廈，結(jié)構(gòu)總層數(shù)為56層，其中地下室為5層。地下室底板面相對(duì)標(biāo)高為－17.65m，是國(guó)內(nèi)高層建筑中較深的地下室之一，地下室每層面積均為104m×76m。另外，由于大廈主樓之下離地表約40m處有人防坑道和擬建的地下纜車通道通過(guò)，為確?？拥赖暮痛髲B的安全，設(shè)計(jì)上采用了600mm厚的大面積底板，面積近8000m²，并在核心筒下設(shè)置了面積為33m×27m、厚度為2.8m的厚筏板與短樁共同工作，厚筏板體積達(dá)2500m³。設(shè)計(jì)中考慮到底板作為地下室防水的重要構(gòu)件，有必要形成剛性自防水體系。為了克服地下室底板因混凝土澆筑長(zhǎng)度較長(zhǎng)、體積較大所引起的收縮變形和溫度變形而形成的裂縫問(wèn)題，設(shè)計(jì)中比較了目前應(yīng)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(shè)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(xì)纖維的方案，并針對(duì)聚丙烯纖維混凝土的特點(diǎn)，施工中全底板均采用了這種混凝土。實(shí)際情況表明，整個(gè)大面積的底板未發(fā)現(xiàn)明顯的裂縫、效果良好。   
                        
    3.2  實(shí)例2：廣州南方房產(chǎn)實(shí)業(yè)大廈地下工程   
                        
    該大廈地下室底板及壁板混凝土均為C40S8，添加聚丙烯纖維，底板混凝土約為3000m³，分南、北兩段施工。混凝土在攪拌出槽后纖維分散均勻，沒(méi)有絮凝成團(tuán)現(xiàn)象，拌和物表現(xiàn)出良好的保水性和粘聚性，混凝土泵送性能優(yōu)良，在整個(gè)澆筑過(guò)程中幾乎未發(fā)生過(guò)一次堵塞。該工程地下底板屬大面積、大體積混凝土構(gòu)件，聚丙烯纖維混凝土的使用取得了令人滿意的效果。   
                        
    3.3  其它實(shí)例   
                        
    廣州50層高的中水廣場(chǎng)大廈，每層地下室面積4500m²，平均厚度800mm的4層地下室底板、側(cè)墻、樓板等大量采用C40聚丙烯纖維混凝土。地下室完工后，極少發(fā)現(xiàn)明顯裂縫及滲漏，取得了良好的效果。在廣州棠下安居工程8000m²的地下室（底板厚300mm，C35混凝土）、西安市南大街地下商業(yè)街、重慶市重點(diǎn)項(xiàng)目重慶世界貿(mào)易中心地下停車場(chǎng)地坪和朝天門廣場(chǎng)17000m²觀景臺(tái)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，聚丙烯纖維混凝土在屋面防水工程中應(yīng)用的有：廣州花園酒店保齡球館屋面、深圳怡寶蒸餾水廠約7000m²廠房屋面防水、重慶嘉陵江黃花園大橋綜合樓屋面防水等工程。   
                        
    4  結(jié)  語(yǔ)   
                        
    在混凝土中添加適量的聚丙烯纖維是克服混凝土開(kāi)裂的有效途徑。纖維在混凝土中形成的亂向支撐體系，產(chǎn)生了一種有效的二級(jí)加強(qiáng)效果，能夠有效地減少混凝土的早期泌水，降低混凝土中的孔隙率，并且減少混凝土的早期干縮、塑性裂縫，阻止混凝土發(fā)生沉降裂縫，因而能較大幅度地提高混凝土的抗?jié)B性、抗裂性。從確保工程質(zhì)量，施工便利，兼顧成本及長(zhǎng)短期效益等諸方面考慮，采用聚丙烯纖維混凝土不失為一種較好的剛性本體防水方案。若在其中再摻用高效減水劑及粉煤灰，則可改善混凝土泵磅性能的同時(shí)，大大提高混凝土的抗?jié)B防水性能。若需要可配合其它防水材料及手段一同使用，以期達(dá)到最佳的防水效果。