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；對比試驗；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年美國開始大力開發(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， 澳大利亞、加拿大、日本、墨西哥以及東南亞地區(qū)等許多國家的混凝土建筑行業(yè)在微纖維的開發(fā)和使用方面已取得了相當?shù)某晒?。在我國聚丙烯微纖維混凝土曾先后被應(yīng)用到各個方面(如路面修補、隧道、橋面、轉(zhuǎn)換梁、結(jié)構(gòu)防水、外墻抹灰、機場跑道、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理

聚丙烯是乳白色無味、無臭、無毒、質(zhì)輕的熱塑性塑料，密度為0.90～0.91g/cm³。熔點為165～170℃，耐熱性能良好。聚丙烯與大多數(shù)化學品，如酸、堿和有機溶劑接觸不發(fā)生作用，物理機械性能良好。其纖維加入到水泥基體中，主要有以下3個作用:(1)提高基體的抗拉強度;(2)阻止基體中原有缺陷(微裂縫)的擴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Romualdi提出的“纖維間距機理”，根據(jù)線彈性斷裂力學來說明纖維對于裂縫發(fā)生和發(fā)展的約束作用。認為在混凝土內(nèi)部原來就存在缺陷，欲提高強度，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)。理論分析與實踐證明，當纖維的平均中心間距小于716mm時，纖維混凝土的抗拉或抗彎強度均得以提高。

混凝土在硬化過程中，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，微裂縫會發(fā)展成更大的裂縫，導致混凝土結(jié)構(gòu)強度受損。

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，約1000 多萬根)，微纖維的表面經(jīng)處理后，與混凝土之間握裹力極強，裂縫在發(fā)展過程中碰到臨近的微纖維時立即被阻擋。因此防止了裂縫的擴展，提高了混凝土的斷裂韌性，同時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)生一種有效的二級加強效果。收縮的能量被分散到成千上萬條纖維單絲上，從而極為有效地增強了混凝土的韌性。同時無數(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)，當溫度較高(≥40℃)時，具有收縮性。當溫度較低(≤40℃)時，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攪拌和施工工藝沒有特別的要求，只要適當保證攪拌時間即可使用， 無論是混凝土攪拌站還是施工現(xiàn)場攪拌，都十分簡便。

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

(3) 當基體為混凝土時，石子粒徑可取20mm，聚丙烯纖維長度可取55～64mm，纖維摻量可取0.6～0.9kg/m³。

(4) 當基體為噴射混凝土時，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、運輸和澆筑

聚丙烯微纖維混凝土的攪拌、運輸和澆筑應(yīng)遵循下述原則:

(1) 可采用普通轉(zhuǎn)筒式攪拌機或盤式攪拌機拌制聚丙烯纖維混凝土。若用后者則應(yīng)適當調(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、水泥和水在攪拌機內(nèi)均勻拌和后，再加入聚丙烯微纖維，攪拌時間長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，整個拌和時間應(yīng)較拌制普通混凝土適當延長1～2min(但拌制時間過長會使纖維受到損傷并因而降低其強度)。

(3) 混凝土由攪拌站運至工地的時間不超過30min時，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至工地后加入。

(4) 聚丙烯微纖維混凝土可用振動臺、平板式或插入式振搗器振搗密實。振動頻率與時間等按具體情況而定。振搗時應(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、終凝時間較普通混凝土稍有增加，宜在其接近終凝時進行修抹， 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)，而強度有所提高，特別是抗沖擊強度增加較大，具體指標如表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:

(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，不需為保護鋼筋不銹蝕而設(shè)置保護層。

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行對比試驗，聚丙烯微纖維噴射混凝土具有以下優(yōu)點:

(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，對混凝土的施工無特殊要求。

(2) 聚丙烯微纖維主要是通過物理力學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，坍落度有少量損失(一般為1～2cm)，對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，對混凝土的抗壓強度影響不大，可提高混凝土的劈裂抗拉和抗折強度。

(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。

參考文獻

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[3 ]賀子岳. 國外新型纖維增強混凝土及應(yīng)用[J]. 國外建材科技， 1998，(3):7～11

作者簡介;

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