聚丙烯纖維混凝土及其有關(guān)問題探討
2006-06-15 00:00
摘要：在混凝土中摻入適量的聚丙烯微纖維，能改善混凝土的脆性破壞特征。減少混凝土的收縮裂縫，提高混凝土的韌性，抗沖耐磨性，還能提高混凝土的抗?jié)B、抗凍等特性。是實(shí)現(xiàn)混凝土高性能化的很好途徑。
關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；混凝土；裂縫；耐久性
0 引 言
混凝土材料被認(rèn)為是耐久性最好的傳統(tǒng)材料。隨著社會(huì)需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，混凝土的高性能化逐漸成為混凝土材料發(fā)展的總趨勢(shì)。一般混凝土材料均存在脆性大、易開裂和抗沖擊性能差等問題，而在混凝土中摻入微纖維能改善混凝土的脆性破壞特征，減少混凝土的收縮裂縫，提高混凝土的韌性，抗沖耐磨性，還能提高混凝土的抗?jié)B、抗凍等特征。纖維混凝土中發(fā)展最為迅速的是鋼纖維混凝土，但鋼纖維的造價(jià)較高，施工中使鋼纖維均勻分布在混凝土中會(huì)遇到一定困難。近幾年來，應(yīng)用化學(xué)纖維摻于混凝土以提高混凝土性能的技術(shù)，已引進(jìn)工程界的關(guān)注，化學(xué)纖維中，尤以質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的聚丙烯纖維應(yīng)用最為廣泛，聚丙烯由于能夠均勻分散在混凝土中，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、施工簡(jiǎn)單，在國(guó)際上已得到廣泛的應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)的混凝土工程中也逐漸為人們接受，而聚丙烯作為一種新型的混凝土增強(qiáng)纖維，已贏得了混凝土的“次要增強(qiáng)筋”的美稱。
1 聚丙烯纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中的作用機(jī)理
無論是由于何種原因引起混凝土產(chǎn)生破壞。其最終均表現(xiàn)為出現(xiàn)裂縫。因此，聚丙烯纖維的阻裂機(jī)理是聚丙烯纖維在混凝土結(jié)構(gòu)中作用機(jī)理的重要方面。要提高混凝土的抗裂能力，可適當(dāng)增配構(gòu)造鋼筋，但這種方法只是對(duì)抵抗由于外荷載應(yīng)力引起的裂縫有效，而對(duì)于由變形引起的裂縫，尤其是塑性收縮裂縫，單靠配構(gòu)造鋼筋是難以奏效的，因?yàn)椋摻铍y以細(xì)密分布，而聚丙烯則可彌補(bǔ)這方面的不足，當(dāng)在混凝土中摻人適量的聚丙烯纖維后，由于聚丙烯纖維與水泥基集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻而細(xì)密。
混凝土的塑性收縮一般發(fā)生在混凝土澆筑后2～ 10 h，其收縮的大小約為水泥絕對(duì)體積的1%，一是由于混凝土此時(shí)出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，引起失水收縮；二是由于泌水和混凝土內(nèi)不同顆粒的不均勻沉降，使混凝土與鋼筋之間，骨粒與膠結(jié)材料之間發(fā)生不均勻沉縮變形?；炷恋谋砻嬖谝牧嫌不笆湛s引起拉應(yīng)力，內(nèi)部的變形由于骨料和鋼筋的約束也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，同時(shí)，混凝土的早期抗拉強(qiáng)度達(dá)不到混凝土收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力，因而出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性收縮裂縫?；炷镣Ｖ桂B(yǎng)護(hù)后，還會(huì)由于干燥失水產(chǎn)生干燥收縮，溫度下降產(chǎn)生冷縮，碳化產(chǎn)生碳化收縮等變形，這些變形若不加以控制，超過混凝土的極限變形，混凝土就會(huì)開裂。另外，混凝土在承受載荷時(shí)，其內(nèi)部也會(huì)引發(fā)許多裂縫。在現(xiàn)實(shí)工程中，混凝土的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)是有缺陷狀態(tài)，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在不同尺度的微裂縫，這些微裂縫對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。
在水泥混凝土中摻人聚丙烯纖維后，與未摻纖維相比，第一，由于表層材料中存在纖維，使其失水面積有所減少，水分遷移轉(zhuǎn)為因難，從而使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力有所減少；第二，聚丙烯纖維在混凝土砂漿中亂向分布形成大大有助于削弱混凝土的塑性收縮，收縮的能量被分散到每立方米數(shù)千萬條具有高抗拉強(qiáng)度而彈性模量相對(duì)較低的纖維單絲上，從而極為有效地增加了混凝土的韌性，抑制了混凝土微細(xì)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展；第三，無數(shù)纖維形成了支撐體系，有效地保證了均勻泌水，阻礙沉降裂縫的產(chǎn)生；第四，低彈性模量的聚丙烯纖維相對(duì)于塑性漿體成為了高彈性模量的材料，依靠纖維材料與水泥漿之間的界面吸附加粘結(jié)力，機(jī)械齒合力等，增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強(qiáng)度，從而使失水收縮產(chǎn)生的應(yīng)力小于材料塑性抗拉強(qiáng)度，材料表面的開裂狀況得以減輕，甚至消失；第五，聚丙烯纖維以單位體積內(nèi)較大的數(shù)量均勻分布于混凝土內(nèi)部，由收縮變形引起的微裂縫在產(chǎn)生的過程中，必然遭遇纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展；第六，當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，聚丙烯纖維使裂縫尖端的發(fā)展受到限制，裂縫只能繞過纖維或把纖維拉斷來繼續(xù)發(fā)展，這就需要消耗巨大的能量來克服纖維對(duì)裂縫發(fā)展的限制作用。聚丙烯纖維相當(dāng)于提高了混凝土的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)鈍化了原生裂縫尖端的應(yīng)力集中；第七，聚丙烯纖維在混凝土結(jié)構(gòu)形成的過程中，能減少混凝土內(nèi)部存在的不同尺寸的微裂縫，并使裂縫的尺度變小。
2 聚丙烯纖維混凝土的性能
聚丙烯混凝土最重要的特征是其優(yōu)異的耐久性。與單一強(qiáng)度指標(biāo)相比，耐久性則是個(gè)非常復(fù)雜的問題，它涉及的內(nèi)容和影響因素很多。聚丙烯混凝土的高耐久性可以減少結(jié)構(gòu)的維修與翻新，從而達(dá)到節(jié)約資源、節(jié)約材料、節(jié)約人工的目的，具體表現(xiàn)如下。
2．1 聚丙烯纖維混凝土具有更良好的抗裂性能
同常用的鋼纖維相比，聚丙烯纖維的特點(diǎn)是細(xì)度高（當(dāng)量直徑0．02～0．O1 mm），數(shù)量多（常用的0．9 kg／m3的摻量充分分散可獲得700～3000萬根纖維單絲。這些特點(diǎn)使聚丙烯纖維能有效限制早期（塑性期和硬化初期）混凝土由于離析、泌水、收縮等因素形成的原生裂縫的發(fā)生和發(fā)展，減少原生裂隙的數(shù)量和尺度，從源頭上阻止混凝土的破壞或是性能劣化。試驗(yàn)表明，同普通混凝土相比，體積摻量0．05%的美國(guó)杜拉纖維混凝土的抗裂能力提高了近70% 。
2．2 聚丙烯纖維混凝土具有更良好的抗?jié)B性能
在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維后，能有效抑制?昆凝土貫通裂縫的產(chǎn)生；另外，均勻分布在混凝土中彼此相粘連的、亂向分布的大量聚丙烯微纖維對(duì)混凝土中的骨料起到了“承托”的作用，降低了混凝土表面的泌水與集料的離析，從而使混凝土抗?jié)B性能成反相關(guān)關(guān)系的50～100 nm和>100 nm的有害孔隙的含量大大降低。試驗(yàn)表明，纖維含量為0．5kg／m3，O．7kg／m3和1．0 kg／m3 的聚丙烯纖維混凝土抗?jié)B能力分別比素混凝土提高64%，73%和75% 。
2．3 聚丙烯纖維混凝土具有更良好的抗凍性能
在混凝土中加入聚丙烯纖維，均勻細(xì)密的亂向支撐纖維絲可以緩解混凝土凍融時(shí)因溫度變化而引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用，阻止溫度裂縫的擴(kuò)展。按混凝土抗凍試驗(yàn)法，經(jīng)過25次反復(fù)凍融，聚丙烯混凝土試件無分層與龜裂等現(xiàn)象產(chǎn)生，表明在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維可作為一種有效的混凝土溫差補(bǔ)償抗裂手段。
2．4 聚丙烯纖維混凝土具有更良好的抗沖擊性能
聚丙烯纖維在混凝土內(nèi)部構(gòu)成均勻的亂向支撐體系有助于提高混凝土受沖擊時(shí)動(dòng)能的吸收。聚丙烯纖維剛度較低，傳遞荷載的能力差，能有效減少裂隙尺度，增強(qiáng)材料介質(zhì)連續(xù)性，減少了沖擊波被阻斷引起的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)，聚丙烯纖維還有效約束裂縫的擴(kuò)展。試驗(yàn)表明，較低摻量的聚丙烯纖維對(duì)混凝土的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度無顯著影響，但能有效提高混凝土的抗沖擊性能；如果以混凝土的沖擊韌性w 為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，摻人O．1%～O．2%的聚丙烯纖維能使混凝土的抗擊能力提高5倍以上；如果以初裂后的△W 為指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，聚丙烯纖維體積率為0．1%和0．2%時(shí)，能使混凝土的裂后抗沖擊能力分別提高2．62倍和3.83倍（注：沖擊韌性w 和△w，是指試件破壞過程吸收的全部沖擊能量和初裂后能夠繼續(xù)吸收的沖擊能量）。
2．5 聚丙烯纖維混凝土具有更良好的抗疲勞特性
材料的疲勞破壞過程實(shí)際上是內(nèi)部裂紋引起、擴(kuò)展、回復(fù)、再引發(fā)的過程，也是結(jié)構(gòu)損傷逐漸積累的過程。聚丙烯纖維使混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的原生裂紋的尺度得以細(xì)化，從而使混凝土的疲勞壽命因此得以延長(zhǎng)。同時(shí)，數(shù)量眾多的聚丙烯纖維的荷載傳遞效應(yīng)還有助于勻化混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)，使材料損傷能在介質(zhì)內(nèi)擴(kuò)散。聚丙烯纖維在混凝土中體積摻率在0．05%≤ vr≤0．1%范圍時(shí)，其靜力彈性模量低于普通混凝土，但其疲勞變形模量則隨著摻率增大而增大，對(duì)動(dòng)力荷載作用下的結(jié)構(gòu)，聚丙烯纖維能發(fā)揮更大的效果，試驗(yàn)證明，聚丙烯纖維具有優(yōu)良的彎曲疲勞性能，尤其在高應(yīng)力比下，與普通混凝土相比，疲勞壽命可以成倍增長(zhǎng)。
2．6 聚丙烯混凝土纖維具有更良好的耐磨性
在混凝土中摻加聚丙烯纖維可以顯著提高混凝土的耐磨性能，因?yàn)榫郾├w維以每立方米數(shù)千萬條的數(shù)量摻入到混凝土中，其互相搭接、牽連，在混凝土內(nèi)部構(gòu)成均勻的亂向支撐體系，阻礙了由于沖擊或磨損發(fā)生的裂縫發(fā)展，纖維也牽制了混凝土碎塊從基體中剝落，使混凝土碎塊從基體中剝落需要消耗更多的能量，從而提高了混凝土的耐磨性能。當(dāng)混凝土中摻加纖維0．6～1．2 kg／m3時(shí)，混凝土的耐磨性能可以提高24%-45%。
2．7 聚丙烯纖維混凝土的脆性得到改善
由于聚丙烯纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有提高反而有所降低，而抗折強(qiáng)度則有所提高，相應(yīng)其脆性系數(shù)有所降低，脆性系數(shù)可降低到4以下。而且，隨著纖維體積率的增加，混凝土的脆性降低得越多，表明摻聚丙烯纖維可以提高混凝土的韌性，從而彌補(bǔ)混凝土脆性大的不足。
3 施工要點(diǎn)
聚丙烯纖維摻入混凝土中，除了不適宜采用人工攪拌外，對(duì)攪拌及施工工藝無特別要求，只要適當(dāng)保證攪拌時(shí)間即可。攪拌時(shí)間以纖維能在混凝土中均勻分布為度，一般為3～5 mm，攪拌時(shí)，先將砂、石、水泥與水在攪拌機(jī)內(nèi)均勻拌合后，再加入纖維，亦可先將纖維與砂、石、水泥干拌后，再加水濕拌，整個(gè)攪拌時(shí)間較拌制普通混凝土適當(dāng)延長(zhǎng)1～2 min。為改善拌合物的和易性，可摻加適量的引氣劑、減水劑或高效減水劑，也可摻摻量不超過10%的粉煤灰。
若混凝土由攪拌站運(yùn)至工地，時(shí)問不超過30min，可在攪拌站內(nèi)預(yù)先將纖維加入到混凝土里；否則，聚丙烯纖維宜在混凝土運(yùn)到工地后再加入。
4 結(jié)語
在混凝土中加入聚丙烯纖維能使混凝土品質(zhì)得以改善，在實(shí)際運(yùn)用中較經(jīng)濟(jì)、易施工，適用性廣泛，使用效果顯著，是實(shí)現(xiàn)混凝土材料高性能化的一條可行途徑。
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