摘要:合成纖維摻和在混凝土中能阻止裂縫的大量發(fā)生,延長建筑物的使用壽命。利用市場上常用于增強混凝土的聚丙烯(PP) 纖維摻入混凝土進行了試驗。試驗內(nèi)容包括不同纖維摻量的對比試驗,聚丙烯纖維混凝土與素混凝土抗凍和化學侵蝕性抗裂、抗沖耐磨和彈性模量等試驗。對合成纖維混凝土的作用機理和試驗結(jié)果進行了分析。試驗結(jié)果和工程運用都說明了合成纖維具有提高混凝土的抗拉性、抗裂性和耐久性。
關(guān) 鍵 詞:合成纖維; 合成纖維混凝土; 混凝土性能; 試驗研究
中圖分類號: TV431 + . 3 文獻標識碼: A
1 概述
我國古代建筑領(lǐng)域的偉大成就之一就是在自建的住房和糧倉等建筑物的土磚、土墻內(nèi)摻入一定量的植物纖維或毛發(fā)纖維之類的摻和料,使其成為復(fù)合土漿或土體,阻止裂縫的大量發(fā)生,延長建筑物的使用壽命。這種古老的建筑實踐,確實有他的實用價值,可古為今用。受其啟迪,在現(xiàn)代發(fā)展起來的混凝土中,是否也可以摻入一定量的合成纖維來改變混凝土抗壓強度高、抗拉強度相對低的缺陷,答案是肯定的。
眾所周知,混凝土是一種抗壓強度大而抗拉強度相對較低的脆性材料。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展,對水泥混凝土這一最大宗建筑材料提出了更高的要求。它正朝著高強度、高韌性、高阻裂、高耐久性、高體積穩(wěn)定性和優(yōu)工作性的方向發(fā)展。
為了達到這一目標,近年來發(fā)展起來的合成纖維已被用于混凝土中,它是提高混凝土韌性、抗沖耐磨性、抗?jié)B性、耐久性及抗收縮斷裂性的有效途徑。本文就合成纖維在混凝土中的作用機理做了一些探討研究,試驗結(jié)果的正確與否有待于工程實踐的檢查,目的是推廣合成纖維在混凝土中的廣泛應(yīng)用。
2 合成纖維的種類、特點及性能指標
(1) 合成纖維的種類?，F(xiàn)在市面上常用于增強混凝土的合成纖維有:聚丙烯(PP) 纖維、聚酯(PEF) 、聚酰胺(PA) 纖維、高強高模聚乙烯(PE) 纖維、芳香聚酰胺纖維、聚丙烯晴纖維等。
(2) 合成纖維的特點。合成纖維的特點是:小直徑、數(shù)量多、易分散。以聚丙烯纖維為例,小直徑即每根纖維的直徑在10～100μm之間;數(shù)量多即每公斤纖維連接起來的總長度可繞地球10 圈之多,也就是說每立方厘米混凝土中有近20 條纖維;易分散即在混凝土拌和過程中依靠自身的摩擦和揉搓不會象鋼纖維有成團現(xiàn)象。
(3) 合成纖維的性能指標。常用于增強混凝土的合成纖維性能指標,見表1。
3 合成纖維的室內(nèi)試驗結(jié)果
大量試驗結(jié)果表明,在混凝土中加入少量合成纖維,對混凝土的抗壓強度影響不大,但抗拉強度、抗折強度、抗彎強度、抗沖耐磨和耐久性等有明顯提高。以聚丙烯為例,表2 至表7 是一組摻入聚丙烯纖維與空折混凝土的試驗結(jié)果。其中聚丙烯纖維的指標為;長度19 mm ,直徑0. 008 mm ,抗拉強度480 MPa ,長徑比400 ,斷裂伸長率15 %。
4 合成纖維的抗裂機理
對于合成纖維本身來說它的抗拉強度遠遠低于鋼纖維的抗拉強度。但摻在混凝土中,它對提高混凝土的抗拉強度、抗裂能力、耐久性的效果是明顯的。試驗結(jié)果和工程運用都說明了合成纖維具有提高混凝土的抗拉性、抗裂性和耐久性。這是無可爭議的事實,但要真正了解合成纖維的作用機理,可以從以下3方面去理解。
(1) 能量吸收作用。混凝土在澆搗或成型硬化過程中,必然有大量的水化熱產(chǎn)生,混凝土受到熱脹冷縮效應(yīng)作用。抵御這種效應(yīng)作用主要是靠混凝土中料與料之間表面的吸附作用。
所以表面積大的吸附力也較大。在混凝土成型過程中,我們可以看成是較大表面積的材料(如碎石) 吸附表面積較小的料體形成的體集合。單體與單體吸附力必然小于單體內(nèi)部的吸附力。
在混凝土成型過程中受脫水收縮影響,這種收縮又受到基底、模板等作用,使得混凝土的收縮不可能以某點為中心收縮,而是以單體為單位收縮,這樣單體與單體之間不可避免地出現(xiàn)裂縫。
由于合成纖維是一種較低彈性模量材料并且自身的柔韌性很好,能夠很好地分布在混凝土中,形成各向三維支撐網(wǎng)。在單體與單體內(nèi)部形成一種“橋梁”結(jié)構(gòu),增強了單體與單體之間的吸附力,同時又能很好地吸收基底、模板、鋼筋在混凝土成型過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力,從而對提高混凝土的抗裂性、抗耐久性、抗耐磨性起到至關(guān)重要的作用。這種作用稱之為能量吸收作用。
(2) 溫差補償作用。在混凝土成型過種中,受其內(nèi)外溫差的作用,加上混凝土本身屬脆性材料,抵御溫度應(yīng)力的能力特差。而合成纖維的特點是柔韌性好、直徑小、數(shù)量多,在混凝土內(nèi)部能構(gòu)成一種各向均勻的支撐體系,所以能有效地把混凝土溫差變化產(chǎn)生的能量分散到無數(shù)的纖維絲上,從而有效地增加了混凝土的韌性,減少了混凝土由于溫差變化引起的裂紋和裂縫,這種有效的二級加強效果可稱之為溫差抗裂補償作用。
(3) 應(yīng)力傳遞作用。在物理學中,物體瞬時承受的最大沖擊力由物體本身的抗沖擊強度所決定,而抗沖擊強度的大小與物體本身的韌性度有很大關(guān)系。從表7 可看出,纖維混凝土的抗沖擊能力遠大于素混凝土的抗沖擊能力,其原因就是纖維混凝土的韌性得以提高,而混凝土構(gòu)件的瞬時最大沖擊力相應(yīng)得以提高。合成纖維由于細而韌性較高,在混凝土中均勻分布,使混凝土構(gòu)件保持較好的整體性。當混凝土構(gòu)件受到?jīng)_擊時能量釋放變緩,使混凝土的抗沖擊能力加強。
5 簡要小結(jié)
(1) 合成纖維混凝土能大幅度地減少混凝土裂縫,可有效地基本消除塑性裂縫、干縮裂縫和溫度裂縫等。
(2) 合成纖維混凝土能不同程度地提高抗拉、抗?jié)B、抗凍、抗沖擊耐磨能力,降低彈模、減少鋼筋的銹蝕能力。
(3) 合成纖維易分散、不成團,避免了鋼纖維不易分散的缺陷。
(4) 合成纖維對噴射混凝土、薄板式混凝土、有抗沖耐磨要求的混凝土已顯現(xiàn)了極大的經(jīng)濟效益和社會效益。如在建的三峽電站和水布埡電站等,使用合成纖維混凝土都已獲得了可觀經(jīng)濟效益和社會效益。
(5) 合成纖維作為新型的高分子建筑材料使用于混凝土中,可以替代傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)、鋼纖維,建設(shè)成本更加經(jīng)濟,使用操作省時方便,更具有廣泛的應(yīng)用前景。
