摘要: 聚丙烯纖維混凝土作為一種新材料、新技術(shù), 近幾年在公路行業(yè)中正逐步推廣應(yīng)用, 文章就其特性、配合比設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行了分析, 并探討了拓寬其應(yīng)用范圍的技術(shù)可行性。
關(guān)鍵詞: 聚丙烯纖維; 混凝土; 配合比; 應(yīng)用
中圖分類號(hào): U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
聚丙烯纖維混凝土在國(guó)內(nèi)而言是一種新材料、新技術(shù), 特別在公路行業(yè)尚未得到廣泛使用。聚丙烯纖維混凝土屬于纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料, 聚丙烯纖維用于混凝土中, 能有效地控制混凝土因沉降與塑性收縮引發(fā)的裂縫, 改善其抗?jié)B、抗凍與抗沖擊等性能, 提高工程的耐久性。目前在貴州鎮(zhèn)勝高速公路上部分項(xiàng)目使用, 作為新材料、新工藝、新技術(shù), 我們做了一些試驗(yàn)及探討, 本文闡述聚丙烯纖維混凝土前期配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)和應(yīng)用。
1 聚丙烯纖維的特性
1.1 主要技術(shù)參數(shù)( 見(jiàn)表1)
1.2 物理、化學(xué)特性
聚丙烯不溶于水, 耐熱性能良好, 熔點(diǎn)為160～170℃; 聚丙烯是一種非極性的聚合物, 有良好的電絕緣性, 有良好的化學(xué)穩(wěn)定性, 幾乎不吸水,與大多數(shù)化學(xué)品( 如酸、堿和有機(jī)溶液) 不發(fā)生作用,高耐酸耐堿; 聚丙烯無(wú)毒、無(wú)刺激性, 對(duì)人體無(wú)害。
2 聚丙烯纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)
2.1 材料的選定
水泥: 貴州新蒲瑞安P.O42.5 水泥; 外加劑: 山西黃騰UNF- 3C; 聚丙烯纖維: 江蘇射陽(yáng)、山東宏泰;水: 飲用水; 機(jī)制砂: 烏江養(yǎng)龍站料場(chǎng)( 符合貴州省《DBJ 22- 016- 95》規(guī)范中Ⅰ區(qū)砂級(jí)配要求) : Mx=3.34,小于0.08mm 粉末含量7.6%, 小于0.16mm 粉末含量10.6%, 壓碎值23%; 碎石: 烏江養(yǎng)龍站料場(chǎng)( 符合《GB/T 14685- 2001》規(guī)范中5～20mm 連續(xù)級(jí)配要求) , 壓碎值10.3%( 見(jiàn)表2) 。
2.2 配合比設(shè)計(jì)參數(shù)
( 1) 強(qiáng)度要求: C40; 坍落度要求: 100～120mm。
( 2) 配合比設(shè)計(jì)計(jì)算配置強(qiáng)度: 取σ=5.0MPa Fcu、0=40+1.645×5.0=48.2MPa計(jì)算水灰比: 取水泥富余系數(shù)1.10W/C=0.46×Fce/( Fcu、0+0.46×0.07×Fce)=0.46×1.10×42.5/( 48.2+0.46×0.07×1.10×42.5) =0.43
2.3 用水量和外加劑的確定
根據(jù)外加劑廠家數(shù)據(jù), 選定外加劑摻量為0.8%,UNF- 3C 的減水率約為15%故摻外加劑后的用水量mw=215×( 1- 15%) =183kg根據(jù)混凝土試拌情況, 最終確定用水量為mw0=185kg最終確定砂率為SP=42%水泥用量mc0=mw0/( W/C) =430kg外加劑用量mf1=430×0.8%=3.44kg聚丙烯纖維用量: 根據(jù)聚丙烯纖維廠家數(shù)據(jù), 選定每方混凝土摻量為mf2=1kg2.4 計(jì)算砂、石用量和基準(zhǔn)配合比采用假定容重法: 取mcp=2450kg
mc0+ms0+mg0+mw0+mf1+mf2=mcp
SP=100%×ms0/( ms0+mg0)
把數(shù)據(jù)代入上述公式
430+ms0+mg0+185+3.44+1=2450
42%=100%×ms0/( ms0+mg0)
解方程得ms0=769kg, mg0=1062kg。
基準(zhǔn)配合比為, 水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑∶聚丙烯纖
維=430∶769∶1062∶185∶3.44∶1。
2.5 不同配合比對(duì)比
按計(jì)算好的3個(gè)配合比進(jìn)行試拌、制件, 并同時(shí)另配制3 組不摻聚丙烯纖維, 但其他材料比例不變的混凝土進(jìn)行對(duì)比, 基本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
2.6 確定理論配合比
根據(jù)試拌情況和抗壓強(qiáng)度, 可選定理論配合比為,水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑∶聚丙烯纖維=430∶769∶1062∶185∶3.44∶1。
3 聚丙烯纖維的功能及作用的分析
( 1) 聚丙烯纖維是一種低彈模纖維, 摻量很少, 故對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度影響甚微, 不能作為一種結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)材料, 可見(jiàn)上表數(shù)據(jù)。
( 2) 聚丙烯纖維的使用極為方便, 無(wú)需改變?cè)O(shè)計(jì)的配合比, 也不取代原設(shè)計(jì)的受力鋼筋。纖維只作為混凝土的“次要加強(qiáng)筋”, 主要作用抑制混凝土裂縫的產(chǎn)生, 提高混凝土的抗?jié)B性, 延長(zhǎng)混凝土的使用壽命, 因此纖維的摻入不能改變?cè)O(shè)計(jì)中主要受力筋的配筋率。
( 3) 聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)得以發(fā)揮的必要條件,是混凝土在硬化早期同時(shí)處于變形受限和失水收縮的狀態(tài), 而這樣的條件室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)制作的小試件并不具備。這種差異實(shí)際上體現(xiàn)了用小試件評(píng)定實(shí)際結(jié)構(gòu)物中混凝土強(qiáng)度或耐久性的不足之處, 對(duì)聚丙烯纖維混凝土這種傾向性更為明顯,其結(jié)果造成了對(duì)聚丙烯纖維在混凝土中作用的低估。其次聚丙烯纖維的阻裂效應(yīng)尚很難通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。故聚丙烯纖維混凝土的研究應(yīng)注重觀察實(shí)際工程的應(yīng)用效果, 而非單純通過(guò)室內(nèi)小試件進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。
4 聚丙烯纖維在混凝土中的效果和作用
( 1) 阻裂效應(yīng): 聚丙烯纖維的特點(diǎn)是細(xì)度高、數(shù)量多( 常用的1kg/m3 的摻量充分分散可獲得700～3000 萬(wàn)根纖維單絲) 、在混凝土中的纖維間距小。使聚丙烯纖維能有效限制早期( 塑性期和硬化期) 混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展, 減小原生裂隙的數(shù)量和尺度, 而原生裂隙通常是混凝土破壞或性能劣化的起源。
( 2) 抗?jié)B性能: 聚丙烯纖維在混凝土中阻止了混凝土的離析現(xiàn)象, 提高了澆注體的整體均勻性, 不致發(fā)生各層的不均勻收縮, 減少澆注體的內(nèi)部裂縫; 由于纖維的阻裂效應(yīng)可顯著減少裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度, 并降低生成貫通裂縫的可能性; 由于聚丙烯纖維在混凝土中的亂向分布, 事實(shí)上起到阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)作用的作用。能有助于大幅提高抗?jié)B性, 測(cè)試表明, 0.05%體積摻量的聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土抗?jié)B能力提高60%～70%。
( 3) 抗沖擊能力: 混凝土中加入纖維凝固后, 握裹水泥的高強(qiáng)纖維絲交連成致密的、亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng), 增強(qiáng)混凝土的韌性, 極大地保持混凝土的整體強(qiáng)度, 纖維在混凝土受到?jīng)_擊時(shí)吸收了大量能量, 從而有效減少了集中應(yīng)力的作用, 阻礙裂縫的迅速發(fā)展, 增強(qiáng)混凝土的抗沖擊及抗震能力。試驗(yàn)表明, 0.05%體積摻量的聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土抗沖擊能力提高約17%。
( 4) 抗凍能力: 聚丙烯纖維混凝土可以緩解溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用, 阻止裂縫的擴(kuò)展,可作為一種有效的混凝土溫差補(bǔ)償性抗裂手段。試驗(yàn)數(shù)據(jù)得, 50 次凍融循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度變化比較: 普通混凝土為- 6.3%, 0.05%體積摻量的聚丙烯纖維混凝土為- 0.4%。
( 5) 耐久性能: 上述作用表明, 聚丙烯纖維混凝土能提高混凝土的韌性、耐沖擊抗?jié)B性及耐收縮斷裂、抗凍、抗碳化等能力, 故能極大地改善混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
5 聚丙烯纖維與鋼纖維、防裂鋼筋網(wǎng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)對(duì)比( 見(jiàn)表3)
6 聚丙烯纖維混凝土的應(yīng)用范圍
( 1) 對(duì)表明抗裂要求嚴(yán)格的場(chǎng)合或作為溫差補(bǔ)償?shù)募訌?qiáng)材料。如: 薄壁立柱、合龍段混凝土、大體積混凝土等。
( 2) 要求抗沖擊、耐磨、抗震、耐腐蝕、高抗?jié)B性能較強(qiáng)的混凝土。如: 混凝土路面( 機(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)) 、地下連續(xù)墻、石化廠露天框架、碼頭和水利工程( 泄洪壩、閘墩、泵站等) 。
( 3) 噴射混凝土、水泥砂漿等。如: 邊坡加固、隧道初期支護(hù)、內(nèi)外墻抹灰等。
7 聚丙烯纖維在混凝土施工中的運(yùn)用
( 1) 聚丙烯纖維從目前來(lái)說(shuō)還屬于新技術(shù), 其質(zhì)量應(yīng)符合《公路水泥混凝土纖維材料———聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維》( JT/T 525- 2004) 的要求。簡(jiǎn)易檢驗(yàn)可看聚丙烯纖維的分散性如何, 采用分批取樣目測(cè)法, 用一個(gè)透明玻璃杯加滿清水, 將少量聚丙烯纖維投入水杯內(nèi)浸泡15min, 看纖維是否均勻分散成單絲, 如果纖維見(jiàn)水成團(tuán)沉底不分散, 則此纖維不能在工程中應(yīng)用。
( 2) 聚丙烯纖維的摻量選擇: 一般摻1.0kg/m3, 或根據(jù)實(shí)際需要在0.6～2.0kg/m3 之間。
( 3) 攪拌機(jī)的選擇: 優(yōu)先選用臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī),也可采用自落式滾筒攪拌機(jī)。
( 4) 配比與攪拌: 混凝土配合比仍按普通混凝土配合比設(shè)計(jì), 或加入聚丙烯纖維, 混凝土原配比不變。加入纖維后, 混凝土粘聚性增強(qiáng), 坍落度有所損失, 但不會(huì)對(duì)工作性有不利影響。攪拌工藝與普通混凝土無(wú)異,但需延長(zhǎng)攪拌時(shí)間, 攪拌2～3min。建議采用如下工藝:砂石+水泥+外加劑+聚丙烯纖維先干拌30～60s, 再加水?dāng)嚢?.5～2min。
( 5) 成型、養(yǎng)護(hù)過(guò)程: 無(wú)特殊要求, 與普通混凝土施工及養(yǎng)護(hù)完全相同, 但應(yīng)保證混凝土振搗密實(shí), 盡量使用鋼或鐵質(zhì)抹子。
8 結(jié)語(yǔ)
隨著老舊建筑物日益增多, 結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題將更加引人關(guān)注。有關(guān)資料顯示, 我國(guó)用于建設(shè)工程更新改造的投資為同期基本建設(shè)投資的比例, “一五”期間為4.2%, “三五”期間為27%, “四五”和“五五”期間分別達(dá)31.7%和54%。近年來(lái)由于混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)年限的報(bào)道日益增多, 由此帶來(lái)的資源、能源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的惡化非常嚴(yán)重, 應(yīng)該引起全社會(huì)的高度重視。聚丙烯纖維混凝土作為一種新技術(shù), 依靠自身具有特性和功能作用在建筑工程中具有較好的推廣和應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
[1] JT/T 525- 2004，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維[S].
[2] 龔益，徐至鈞.施工應(yīng)用指南[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005
