聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用及存在問題

摘　要:對聚丙烯纖維在混凝土中的應(yīng)用做了一些試驗研究,結(jié)果表明:混凝土中添加聚丙烯纖維后,對它的強(qiáng)度影響不大;對苯泵高效減水劑的塑化效果有較大影響;使混凝土的初始坍落度減小也比較明顯;可提高混凝土的抗裂性能,減少裂縫的產(chǎn)生。最后指出了聚丙烯纖維在工程中應(yīng)用存在的一些問題。

關(guān)鍵詞:聚丙烯纖維;混凝土;裂縫;耐久性

中圖分類號: TU528. 572　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B　　　文章編號: 1008 - 3707 (2007) 02 - 0056 - 03

　　聚丙烯纖維應(yīng)用于混凝土中,能有效控制混凝土的塑性收縮和沉降收縮引起的裂縫問題,改善混凝土的抗裂、抗?jié)B性能,提高抗沖擊和抗凍能力[1] 。因此,聚丙烯纖維已經(jīng)大量應(yīng)用于道路、橋梁、機(jī)場、地鐵、工業(yè)及民用建筑、水利工程的預(yù)制構(gòu)件、保溫材料、干粉砂漿等行業(yè)。

　　我公司近幾年來在北景園中心廣場、武林門旅游客運(yùn)中心、杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測院大樓等工程中應(yīng)用了不同品牌的聚丙烯纖維,有效地減少了裂縫的發(fā)生,取得了較好的防裂效果。通過對不同結(jié)構(gòu)部位應(yīng)用聚丙烯纖維的實踐,對不同廠家生產(chǎn)的聚丙烯纖維應(yīng)用效果的比較,積累了一些經(jīng)驗,以下分別詳細(xì)介紹。

1　聚丙烯纖維對混凝土強(qiáng)度的影響

　　試驗挑選了杭州市場上的三個品牌纖維,研究其對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。所用原材料如下:

　　水泥:錢潮牌, PO42. 5;

　　保塑劑:符合GB /T 1873622002 中磨細(xì)粉煤灰Ⅰ級要求;

　　煤灰:符合GB /T 159622005Ⅱ級要求;

　　砂:潔凈天然中砂和人工砂搭配,細(xì)度模數(shù)3. 1,含泥量和泥塊含量符合規(guī)范要求;

　　石:選用5～25 mm連續(xù)級配的碎石;

　　泵送劑:杭州耀強(qiáng)外加劑廠生產(chǎn),型號YQ21。試驗用原材料配合比,見表1。

表1　混凝土原材料配合比kg/m3

　　采用《普通混凝土拌和物性能試驗方法(GB /T 5008022002) 》檢測拌和物工作性能, 采用《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法( GB /T 5008122002) 》檢測其力學(xué)性能,結(jié)果,見表2。

表2　混凝土力學(xué)性能檢測結(jié)果

　　從試驗結(jié)果看,混凝土中摻入聚丙烯纖維后,抗壓強(qiáng)度有的提高,有的降低,趨勢并不明確。強(qiáng)度的變化幅度平均在4. 0%以內(nèi),這說明聚丙烯纖維對混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有顯著影響。

　　另外,我們在做水泥膠砂強(qiáng)度試驗時加入了1 g纖維,比較各纖維對膠砂強(qiáng)度(主要是抗折強(qiáng)度)的影響,試驗結(jié)果與混凝土抗壓強(qiáng)度相似,說明聚丙烯纖維對抗折強(qiáng)度也無明顯影響。

　　聚丙烯纖維的彈性模量很低,大約只是混凝土的十分之一,它有一定的增稠和弱界面效應(yīng),這是對強(qiáng)度不利的因素,但是由于聚丙烯纖維在混凝土中的用量很少,一般體積摻率為0. 1% ,所以測試結(jié)果有時偏高一點,有時偏低一點,對強(qiáng)度的影響總的來說并不顯著。不管是混凝土抗壓強(qiáng)度、還是膠砂抗折強(qiáng)度,試驗都是用小試件在一定范圍內(nèi)的加載速率下取得的準(zhǔn)靜載強(qiáng)度,它并不能反映聚丙烯纖維混凝土在結(jié)構(gòu)中的真實工作情況。事實上,我們希望聚丙烯纖維對混凝土的力學(xué)性能的改變,不是在提高其抗壓、抗折等強(qiáng)度指標(biāo),而是極大地提高它的延展性[ 2 ] 。

2　聚丙烯纖維對減水劑效果的影響

　　為研究聚丙烯纖維對高效減水劑的影響,我們摻入某品牌聚丙烯纖維后做水泥凈漿流動度對比試驗。試驗用水泥是錢潮牌PO 42. 5,減水劑為萘系,均為杭州耀強(qiáng)混凝土外加劑有限公司生產(chǎn),型號YQ21。纖維體積摻率為0. 2%, 試驗時用水量是87 g。試驗結(jié)果見圖1。

　　從圖1中可以看出,摻入聚丙烯纖維后,對萘系高效減水劑的塑化效果有較大影響,與空白相比,在相同減水劑摻量下,摻入聚丙烯纖維的水泥凈漿流動度下降很多,所以要保證聚丙烯纖維混凝土具有良好的流動性,應(yīng)適當(dāng)增加減水劑的摻量。從圖1中還可知,聚丙烯纖維對萘系高效減水劑的飽和點摻量并無明顯影響。

3　聚丙烯纖維對混凝土拌和物工作性的影響

　　聚丙烯纖維要起改善混凝土性能的作用,必須要均勻分散在混凝土中,不結(jié)團(tuán)、不成束,形成三維亂向體系,這是最關(guān)鍵的。要檢驗聚丙烯纖維的分散性是否合格,最好是試拌混凝土,直接觀察聚丙烯纖維在混凝土中分散情況,同時還可以了解聚丙烯纖維對混凝土工作性的影響。對聚丙烯纖維分散性的檢驗也有比較簡便的方法,一般是在裝有清水的透明水杯中放入少量纖維進(jìn)行攪動,如果該聚丙烯纖維呈立體懸浮狀亂向分散,且長時間放置都不會有太大變化,就說明其分散性良好; 如果攪動后分散,但時隔不久上浮為一絮狀層,則其在混凝土中大多不易均勻分散。有些質(zhì)量比較差的纖維廠家為了避開用肉眼直接觀察到絮狀結(jié)團(tuán),故意降低纖維的推薦摻量,或者施工時指使操作工人少加纖維,這都是不容許的。

　　聚丙烯纖維對混凝土工作性的影響見表2。雖然在混凝土中的摻量不高,每方混凝土中通常摻0. 9～1. 2 kg,但聚丙烯纖維對混凝土工作性還是有一定不利影響。由表中可看出,混凝土摻入聚丙烯纖維后,其初始坍落度減小,坍落度經(jīng)時損失增大,不同品牌的纖維影響程度不同。對于這種情況,在施工時可適當(dāng)增大泵送劑的摻量,滿足施工要求就可以了,不必改變混凝土配合比。摻入聚丙烯纖維后,混凝土的可泵性依然良好,泵送壓力略有增大。聚丙烯纖維加入混凝土中后,可使混凝土拌和物更加均勻,黏聚性變好,這對采用機(jī)制粗砂做細(xì)骨料的混凝土工作性有利。

4　聚丙烯纖維對混凝土抗裂性能的影響

　　聚丙烯纖維可提高混凝土的抗裂能力,減少裂縫的產(chǎn)生。混凝土澆筑后在終凝前呈塑性狀態(tài),稱為塑性混凝土。塑性混凝土由于失水會產(chǎn)生收縮,雖然此時混凝土的彈性模量很低,由塑性收縮產(chǎn)生的收縮應(yīng)力很小,但是因為這時混凝土還不具有抗拉性能,所以即使是很小的拉應(yīng)力,也會使混凝土開裂,產(chǎn)生塑性裂縫?；炷林袚饺刖郾├w維后,由于纖維非常細(xì)(直徑0. 0048 mm左右) ,一般在廠家推薦摻量0. 9～1. 2 kg/m3 情況下,在混凝土中可獲得充分分散的2, 000多萬根纖維單絲,這些大量均勻分散在混凝土中的單絲纖維可承受收縮應(yīng)力,減少與防止塑性裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。塑性混凝土還容易產(chǎn)生沉降收縮,導(dǎo)致沉降裂縫,這是因為混凝土中骨料與水泥漿的密度不一樣,混凝土澆筑后,粗、細(xì)骨料會沉降,當(dāng)骨料下沉受到鋼筋的阻礙后就會使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,導(dǎo)致混凝土開裂;混凝土中摻入聚丙烯纖維后,均勻分散的聚丙烯纖維在混凝土中形成三維亂向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),起到了支撐骨料的作用,阻止粗、細(xì)骨料下沉;同時,纖維使混凝土的黏聚性變好,泌水現(xiàn)象減少,有效地抑制了混凝土的離析與分層,從而防止沉降裂縫的產(chǎn)生。

　　聚丙烯纖維常用的摻量很小,一般體積摻率0. 1%左右,這樣小的摻量對硬化混凝土裂前、裂后的強(qiáng)度和破壞形態(tài)幾乎沒有影響。聚丙烯纖維本身的抗拉強(qiáng)度很高,在276MPa以上,而其彈性模量則較低,大約只是混凝土的十分之一,所以混凝土開裂后,即使聚丙烯纖維使混凝土仍保持一定的抗拉強(qiáng)度,但過大的變形也使其工程意義很小。因此聚丙烯纖維不能提高硬化混凝土的抗裂性能,也就是說,不能抵抗溫度收縮和干燥收縮導(dǎo)致的開裂問題,對這些裂縫只有分散作用。

5　聚丙烯纖維對硬化混凝土其他性能的影響

　　摻入聚丙烯纖維后,混凝土的抗?jié)B性提高,氯離子擴(kuò)散系數(shù)增大,碳化深度增大,這是因為不同介質(zhì)在不同孔徑中的傳輸機(jī)理不同。水在孔徑大于100nm的混凝土毛細(xì)孔中傳輸以滲透為主,由于毛細(xì)作用而充水后,壓力水的滲透符合達(dá)西方程;在孔徑小于100 nm時,水已無法在孔中形成粘性流(層流或者紊流) ,介質(zhì)是以一個一個分子或者離子遷移的,即由于吸附的擴(kuò)散。當(dāng)某種離子在混凝土內(nèi)外存在濃度差時,能沿孔壁由高濃度處向低濃度處遷移,以擴(kuò)散為主,符合菲克定律。摻入纖維切斷了可滲水的較大毛細(xì)孔通路,但卻增加了纖維和水泥漿體界面小于100 nm的毛細(xì)孔,氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度的增加即緣于此,所以在有侵蝕性介質(zhì)存在的環(huán)境中使用合成纖維不利于保護(hù)鋼筋[ 3 ] 。

6　聚丙烯纖維與膨脹劑的復(fù)合使用

　　聚丙烯纖維與膨脹劑都能減少和防止混凝土開裂,提高混凝土的抗?jié)B能力,但它們是有區(qū)別的。機(jī)理不同:國內(nèi)外絕大多數(shù)膨脹劑都是硫鋁酸鈣型,它一般以8% ～12%等量取代膠凝材料。膨脹劑與水泥水化反應(yīng)形成鈣礬石膨脹結(jié)晶,在鋼筋和鄰位限制下在混凝土中建立0. 2～0. 7 MPa預(yù)壓應(yīng)力,改善了混凝土的應(yīng)力狀態(tài),提高其抗裂性能;鈣礬石具有填充、堵塞毛細(xì)孔的作用,改善了混凝土的孔結(jié)構(gòu),降低總孔隙率,從而提高混凝土的抗?jié)B性能。這些功效主要是通過化學(xué)作用產(chǎn)生的,而聚丙烯纖維則完全是通過物理作用來減少混凝土裂縫、提高混凝土抗?jié)B能力的。

　　施工條件不同:膨脹劑對養(yǎng)護(hù)條件非常苛刻,只有在潮濕環(huán)境中才能獲得較好的防裂、抗?jié)B效果,若養(yǎng)護(hù)不良則可能不見其效甚至適得其反;而聚丙烯纖維對施工養(yǎng)護(hù)條件無特別要求,使用非常方便。發(fā)揮作用的階段不同:膨脹劑對防止塑性混凝土開裂無幫助,只能提高硬化混凝土的抗裂性能。一般正常的膨脹混凝土在1～7 d的濕養(yǎng)護(hù)期間,膨脹率應(yīng)發(fā)揮70%～80% ,以補(bǔ)償混凝土的自生收縮和水泥水化熱產(chǎn)生的冷縮; 7～28 d的膨脹率發(fā)揮20%～30%,以補(bǔ)償混凝土的干縮。而聚丙烯纖維則能減少和防止混凝土的塑性裂縫和沉降裂縫,對已硬化混凝土的抗裂性貢獻(xiàn)不大,只能起有限的分散和阻抗作用。

　　所以根據(jù)聚丙烯纖維與膨脹劑各自的特點將它們復(fù)合使用,可提高混凝土不同階段的抗裂性能,減少和防止混凝土裂縫的產(chǎn)生,以保證工程質(zhì)量。

7　聚丙烯纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　目前聚丙烯纖維的工程應(yīng)用尚處于探索階段,還沒有國家標(biāo)準(zhǔn),缺少一套能夠簡單有效地評價纖維效果的試驗方法,給使用方帶來不少困難。使用者在挑選纖維廠家時,除了價格因素更要重視質(zhì)量,還應(yīng)到生產(chǎn)基地去考察,看纖維廠家是否具有足夠的生產(chǎn)規(guī)模,是否能保證纖維產(chǎn)品的批次穩(wěn)定性,最好是針對不同的工程應(yīng)用,采用不同品牌的纖維、不同摻量進(jìn)行試配,認(rèn)真比較,從而選擇最佳方案。同時要正確認(rèn)識纖維對于混凝土性能產(chǎn)生的積極作用,纖維對混凝土的開裂問題也不是萬能的,如纖維對抵抗溫度收縮和干燥收縮造成的開裂就無能為力,所以掌握纖維的應(yīng)用技術(shù)非常重要,在纖維可以發(fā)揮有利作用的地方使用就能保證工程質(zhì)量,而盲目地使用不但會增加工程成本,造成巨大的浪費(fèi),甚至適得其反。

參考文獻(xiàn)

[1] 　

[2]龔　益,徐至鈞. 纖維混凝土與纖維砂漿施工應(yīng)用指南[M]. 北京:中國建材工業(yè)出版社, 2005年.

[3] 　廉慧珍. 思維方法和觀念的轉(zhuǎn)變比技術(shù)更重要之二:再談從眾思維[J]. 商品混凝土, 2004 (3) : 5.