摘要: 聚丙烯纖維混凝土作為一種新材料、新技術, 近幾年在公路行業中正逐步推廣應用, 文章就其特性、配合比設計和功能進行了分析, 并探討了拓寬其應用范圍的技術可行性。
關鍵詞: 聚丙烯纖維; 混凝土; 配合比; 應用
中圖分類號: U414 文獻標識碼: B
聚丙烯纖維混凝土在國內而言是一種新材料、新技術, 特別在公路行業尚未得到廣泛使用。聚丙烯纖維混凝土屬于纖維增強水泥基復合材料, 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的裂縫, 改善其抗滲、抗凍與抗沖擊等性能, 提高工程的耐久性。目前在貴州鎮勝高速公路上部分項目使用, 作為新材料、新工藝、新技術, 我們做了一些試驗及探討, 本文闡述聚丙烯纖維混凝土前期配合比設計試驗和應用。
1 聚丙烯纖維的特性
1.1 主要技術參數( 見表1)
1.2 物理、化學特性
聚丙烯不溶于水, 耐熱性能良好, 熔點為160～170℃; 聚丙烯是一種非極性的聚合物, 有良好的電絕緣性, 有良好的化學穩定性, 幾乎不吸水,與大多數化學品( 如酸、堿和有機溶液) 不發生作用,高耐酸耐堿; 聚丙烯無毒、無刺激性, 對人體無害。
2 聚丙烯纖維混凝土配合比設計
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、山東宏泰;水: 飲用水; 機制砂: 烏江養龍站料場( 符合貴州省《DBJ 22- 016- 95》規范中Ⅰ區砂級配要求) : 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: 烏江養龍站料場( 符合《GB/T 14685- 2001》規范中5～20mm 連續級配要求) , 壓碎值10.3%( 見表2) 。
2.2 配合比設計參數
( 1) 強度要求: C40; 坍落度要求: 100～120mm。
( 2) 配合比設計計算配置強度: 取σ=5.0MPa Fcu、0=40+1.645×5.0=48.2MPa計算水灰比: 取水泥富余系數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
根據外加劑廠家數據, 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: 根據聚丙烯纖維廠家數據, 選定每方混凝土摻量為mf2=1kg2.4 計算砂、石用量和基準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)
把數據代入上述公式
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 不同配合比對比
按計算好的3個配合比進行試拌、制件, 并同時另配制3 組不摻聚丙烯纖維, 但其他材料比例不變的混凝土進行對比, 基本數據見表2。
2.6 確定理論配合比
根據試拌情況和抗壓強度, 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, 故對混凝土的抗壓強度、抗折強度、抗拉強度影響甚微, 不能作為一種結構性增強材料, 可見上表數據。
( 2) 聚丙烯纖維的使用極為方便, 無需改變原設計的配合比, 也不取代原設計的受力鋼筋。纖維只作為混凝土的“次要加強筋”, 主要作用抑制混凝土裂縫的產生, 提高混凝土的抗滲性, 延長混凝土的使用壽命, 因此纖維的摻入不能改變原設計中主要受力筋的配筋率。
( 3) 聚丙烯纖維的阻裂效應得以發揮的必要條件,是混凝土在硬化早期同時處于變形受限和失水收縮的狀態, 而這樣的條件室內或現場制作的小試件并不具備。這種差異實際上體現了用小試件評定實際結構物中混凝土強度或耐久性的不足之處, 對聚丙烯纖維混凝土這種傾向性更為明顯,其結果造成了對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尚很難通過試驗進行定量的評價。故聚丙烯纖維混凝土的研究應注重觀察實際工程的應用效果, 而非單純通過室內小試件進行性能評價。
4 聚丙烯纖維在混凝土中的效果和作用
( 1) 阻裂效應: 聚丙烯纖維的特點是細度高、數量多( 常用的1kg/m3 的摻量充分分散可獲得700～3000 萬根纖維單絲) 、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生和發展, 減小原生裂隙的數量和尺度, 而原生裂隙通常是混凝土破壞或性能劣化的起源。
( 2) 抗滲性能: 聚丙烯纖維在混凝土中阻止了混凝土的離析現象, 提高了澆注體的整體均勻性, 不致發生各層的不均勻收縮, 減少澆注體的內部裂縫; 由于纖維的阻裂效應可顯著減少裂縫的數量、長度和寬度, 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, 事實上起到阻斷混凝土內毛細作用的作用。能有助于大幅提高抗滲性, 測試表明, 0.05%體積摻量的聚丙烯纖維混凝土比普通混凝土抗滲能力提高60%～70%。
( 3) 抗沖擊能力: 混凝土中加入纖維凝固后, 握裹水泥的高強纖維絲交連成致密的、亂向分布的網狀增強系統, 增強混凝土的韌性, 極大地保持混凝土的整體強度, 纖維在混凝土受到沖擊時吸收了大量能量, 從而有效減少了集中應力的作用, 阻礙裂縫的迅速發展, 增強混凝土的抗沖擊及抗震能力。試驗表明, 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部應力的作用, 阻止裂縫的擴展,可作為一種有效的混凝土溫差補償性抗裂手段。試驗數據得, 50 次凍融循環后混凝土抗壓強度變化比較: 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、耐沖擊抗滲性及耐收縮斷裂、抗凍、抗碳化等能力, 故能極大地改善混凝土結構的耐久性。
5 聚丙烯纖維與鋼纖維、防裂鋼筋網的技術和經濟對比( 見表3)
6 聚丙烯纖維混凝土的應用范圍
( 1) 對表明抗裂要求嚴格的場合或作為溫差補償的加強材料。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、高抗滲性能較強的混凝土。如: 混凝土路面( 機場、停車場) 、地下連續墻、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、內外墻抹灰等。
7 聚丙烯纖維在混凝土施工中的運用
( 1) 聚丙烯纖維從目前來說還屬于新技術, 其質量應符合《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。簡易檢驗可看聚丙烯纖維的分散性如何, 采用分批取樣目測法, 用一個透明玻璃杯加滿清水, 將少量聚丙烯纖維投入水杯內浸泡15min, 看纖維是否均勻分散成單絲, 如果纖維見水成團沉底不分散, 則此纖維不能在工程中應用。
( 2) 聚丙烯纖維的摻量選擇: 一般摻1.0kg/m3, 或根據實際需要在0.6～2.0kg/m3 之間。
( 3) 攪拌機的選擇: 優先選用臥式強制式攪拌機,也可采用自落式滾筒攪拌機。
( 4) 配比與攪拌: 混凝土配合比仍按普通混凝土配合比設計, 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, 坍落度有所損失, 但不會對工作性有不利影響。攪拌工藝與普通混凝土無異,但需延長攪拌時間, 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, 再加水攪拌1.5～2min。
( 5) 成型、養護過程: 無特殊要求, 與普通混凝土施工及養護完全相同, 但應保證混凝土振搗密實, 盡量使用鋼或鐵質抹子。
8 結語
隨著老舊建筑物日益增多, 結構的耐久性問題將更加引人關注。有關資料顯示, 我國用于建設工程更新改造的投資為同期基本建設投資的比例, “一五”期間為4.2%, “三五”期間為27%, “四五”和“五五”期間分別達31.7%和54%。近年來由于混凝土結構使用壽命達不到設計年限的報道日益增多, 由此帶來的資源、能源浪費和生態環境的惡化非常嚴重, 應該引起全社會的高度重視。聚丙烯纖維混凝土作為一種新技術, 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用前景。
參考文獻:
[1] JT/T 525- 2004，聚丙烯纖維和聚丙烯腈纖維[S].
[2] 龔益，徐至鈞.施工應用指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2005
