改性聚丙烯纖維混凝土抗滲性能的試驗研究

[關鍵詞] 　改性聚丙烯纖維； 纖維混凝土； 抗滲性能

　   隨著社會的發展，工業及民用建筑混凝土抗滲性能要求越來越高。目前，改善混凝土抗滲性能的有效途徑有兩種。其一，通過在混凝土中添加外加劑的方法，即通過膨脹劑提高混凝土的密實性，或加入憎水性有機材料提高混凝土抗滲性的方法，達到改善混凝土抗滲性能的目的；其二，在混凝土中摻入纖維，減少混凝土內部缺陷，改善混凝土的品質，提高其抗滲性能。添加外加劑，易引起混凝土堿-基料反應或其它化學反應，使得混凝土的耐久性難以保證。在建筑材料中摻入纖維的做法由來已久。早期，主要是利用天然纖維；在現在工程施工中，常使用的是玻璃纖維和鋼纖維。由于玻璃纖維的抗剪能力差，易引起混凝土堿-基料反應，不宜采用。鋼纖維的比重大，雖能改善混凝土的某些品質，但增加結構負擔，且對混凝土抗滲性能改善不明顯。隨著化學工業突飛猛進的發展，20世紀60年代以來，國外已開始大量研究利用化學合成纖維摻入混凝土或砂漿中，以便改善水泥基混凝土脆性高、抗拉強度低、抗滲性能差等缺點，提高水泥材料制品的物理力學性能，現已取得巨大發展和廣泛應用。該項研究擬通過試驗，研究利用國產改性聚丙烯纖維改善混凝土抗滲性能的途徑和方法，并就改性聚丙烯纖維對混凝土抗滲性能的影響機理進行探討。

1 　方法及試驗結論

1. 1 　試驗目的

目前，國外在工程用混凝土或砂漿中摻入的改性聚丙烯纖維主要是單絲改性聚丙烯短纖維，長度約為數毫米至數十毫米；長纖維(也稱連續纖維)，主要用于水泥材料制品。通常，在混凝土或砂漿中摻入短纖維的體積率均較低，摻入體積率約為0.01%～0.3%，一般稱為低摻量纖維混凝土。纖維摻入體積率大于1%時，稱作高摻量纖維混凝土，主要用于水泥材料制品。

試驗采用的纖維是天津市欣晟建筑纖維公司生產的改性聚丙烯纖維，美國杜拉公司及天津欣晟公司生產的纖維單絲的各項技術性能指標對比情況見表1。對比表明天津欣晟公司生產的纖維其化學及物理力學性質都不低于國外同類產品。欣晟纖維改性工藝屬國內自主知識產權，纖維具有良好的親水性和分散性。該研究擬通過對纖維摻入體積率分別為0%，0.1%，0.13%的混凝土的抗滲性能進行試驗研究。

1. 2 　試件制作

試驗依據GBJ《普通混凝土長期耐久性試驗方法》的規定進行，試件共分3組，每組6件試件。試件是頂面直徑為175mm，底面直徑為185mm，高度為150mm的圓臺體，試件利用混凝土滲透儀進行抗滲試驗^[1]。

　   制作試件的混凝土配合比，水泥∶石子∶砂∶水= 360∶1065∶720∶205，該配合比符合P6 級抗滲等級要求。試件摻入纖維體積率分別為0%，0.1%和0.13%(后兩組的纖維摻入量分別為:0.9 kg/m³及1.2kg/m³)。試件采用的纖維纖度為15～17g/9000m。即直徑約為48μm；長度為19mm。試件制作時，為使纖維分布均勻，纖維、砂、石骨料和水泥一同投入，而后加水進行強制攪拌。

1. 3 　試驗方法

試驗方法依據GBJ《普通混凝土長期耐久性試驗方法》實施。試件試驗齡期為28d。試驗采用HS24B型混凝土滲透儀。該儀器加壓范圍為0～4MPa ，每次試驗安裝一組試件(6枚)。試驗時由初始0.1MPa開始加壓，加壓持續8h，如未發現試件出現透水或透水試件總數不超過3個試件時，試驗壓力遞增0.1MPa繼續持續加壓8h，依此類推，直至透水試件超過3個試件時試驗結束。

1. 4 　試驗結論

3組試件的試驗結果如表2所示。

　   試驗結果表明，混凝土中加入改性聚丙烯纖維后，可大幅度提高混凝土的抗滲性能。不僅抗滲時間大幅度增加，并且耐受壓力也大幅度提高。以第二組試件為例，纖維體積摻入率為0.13%時，其最高耐受壓力和耐受時間均提高了200%。可見，在混凝土中加入改性聚丙烯纖維后可有效提高水泥基混凝土材料的抗滲能力。相關實驗還表明，即使纖維摻量降低為0.05%時，混凝土的抗滲性能也有十分明顯的提高。試驗中，將未產生透水現象的試件剖開進行觀察發現，尚未完全透水的未摻入纖維的混凝土試件透水高度均達120mm以上；而尚未完全透水的已摻入纖維的混凝土試件透水高度僅為50～80mm左右，且纖維摻量越高，透水高度越低。

以上結果表明:在混凝土中摻入一定比例的改性聚丙烯纖維，可以明顯改善混凝土的抗滲性能，而且摻入纖維的比例越高，抗滲性能改善越明顯，而且由于聚丙烯纖維具有良好的化學穩定性，摻入纖維不影響混凝土的化學性質。

2 　摻入改性聚丙烯纖維對混凝土抗滲性能的影響機理

2.1 　摻入纖維使混凝土抗慘性能提高的原因

試驗所用纖維纖度為15～17g/9000m，直徑約為48μm，長度為19mm，試件纖維摻入量分別為0.9kg/m³和1.3kg/m³，即每立方米混凝土中分布的纖維根數分別約為2.8×10⁶根和3.8×10⁶根，由于改性聚丙烯纖維有著良好的分散性，因此，從理論上講，在混凝土內，單根纖維間的平均間距分別約為1.87mm和1.61mm。在數目眾多的纖維作用下，混凝土抗滲性能提高的主要原因有以下幾點:

a) 纖維能有效阻止混凝土塑性期裂縫的產生，由于纖維在混凝土內呈現三維空間網絡結構，起到支撐集料的作用，在一定程度上阻止了粗、細集料的沉降；同時也降低了混凝土表面的析水現象，有效阻止由于混凝土表面迅速失水造成塑性期較大體積收縮，從而抑制塑性期混凝土表面出現裂縫。塑性狀態的混凝土強度極低，纖維在塑性狀態的混凝土中能承受由于干縮而產生的拉應力，減少并阻止塑性狀態下混凝土內部裂縫的產生和發展。纖維的存在有效阻止了混凝土塑性期內部裂縫的產生和發展^[2]。

b) 纖維在硬化混凝土中可發揮的有效的阻裂作用。硬化的混凝土由于干燥收縮、溫度收縮及碳化收縮的存在，常會引起混凝土內部產生各種收縮應力(拉應力)，當混凝土結構內產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產生大量裂縫。在混凝土中摻入纖維，可有效降低裂縫尖端的應力集中，而抑制裂縫的進一步發展，從理論上講，在三維分布纖維的作用下，當開裂應力不大于纖維抗拉應力時，混凝土內裂縫的發展不超過單根纖維的平均間距，此值與摻入纖維的體積率成反比，與摻入纖維長度成正比。在試驗采用的摻量時，其間距為1.61～1.87mm。纖維有效防止微裂縫擴展，并阻止微細裂縫的貫通^[3]。

c) 纖維摻量對混凝土抗滲性能產生影響。由于改性聚丙烯纖維在混凝土中無規則分布，纖維在混凝土中呈棋盤狀均勻分布。在棋盤狀纖維間隙中，可能存在著混凝土固有缺陷。這些缺陷是普通混凝土受到內部或外部應力作用時，產生裂縫并最終導致混凝土趨于破壞的根本原因。根據彈性斷裂力學理論(Romualdi理論)，由于纖維的存在使應力裂縫趨于閉合。據國外文獻報道^[3]，在混凝土中，當纖維分布的平均間距小于7.6mm時，混凝土的抗拉或抗彎初裂強度就能得以明顯提高。摻纖維的混凝土在限制收縮的條件下，因失水干縮而引發裂縫時，由于纖維存在阻裂作用，可顯著減少初始裂縫的數量，有效抑制裂縫的寬度和長度，并大大降低生成貫通裂縫的可能性。混凝土中摻入纖維的體積率達0.003%時就可使混凝土的裂縫被明顯細化，當裂縫寬度超過自愈范圍后，裂縫的漏水量與裂縫寬度的三次方成正比。混凝土中由于纖維的存在，即使裂縫的總面積不變，由于裂縫的細化，混凝土的漏水量與細分后的裂縫根數成反比，即單位混凝土體積內均勻分布的纖維根數越多，裂縫寬度就越窄，混凝土的抗滲性能也就越優異。

由于混凝土內均勻散布的短纖維起到了阻斷混凝土內裂縫毛細作用的效果，對提高抗滲性也起到一定作用^[4]。

2.2 　纖維混凝土與其它改善混凝土抗滲性能方法的分析與比較

在混凝土中摻加膨脹劑，改變混凝土的配合比，降低水灰比，增加混凝土的澆注厚度或在混凝土中添加有機硅防水劑或防水樹脂等都可以提高混凝土的抗滲性能。但其增強效果和工作機理卻有著很大的區別。

a) 膨脹劑是在混凝土硬化過程中發揮作用，對于混凝土塑性期產生裂縫的效果不佳。改性聚丙烯纖維在混凝土呈塑性狀態時即可減少和阻止混凝土裂縫的發生。因此，纖維對混凝土抗滲性能的改善是全過程的。

b) 膨脹劑需有充足的水分才可發揮作用。如早期養護保濕不當或過早暴露于干燥空氣之中，則膨脹過程便會停止，從而失去作用。改性聚丙烯纖維不需要水的參與便可有效減少和阻止裂縫的發生。并且纖維還具有一定的保水性，可改善混凝土的早期養護條件。

c) 膨脹劑存在與其他化學添加劑間的合理匹配問題。有的膨脹劑呈堿性，可能引起或助長混凝土的堿2集料反應。改性聚丙烯纖維化學穩定性好，可以與任何化學外加劑任意匹配，且具有極好的阻裂效果，不僅不會誘發，反而有利于防止混凝土的堿2集料反應的產生。

d) 在混凝土中添加有機硅，防水樹脂等憎水劑，存在施工工藝復雜、成本高等缺點。改性聚丙烯纖維較其它改善混凝土抗滲性能的方法所要求的使用條件和施工條件更寬松，使用過程更安全、更可靠，而且其長期抗滲防水效果更佳。尤其適用于環境十分惡劣，形狀十分復雜，抗滲防水性能要求很高的場合。

3 　試驗結論及建議

3. 1 　試驗結論

a) 試驗研究發現，摻入改性聚丙烯纖維后其抗滲性能的改善效果與纖維摻量有關，在一定摻量范圍內，摻量越大，效果越佳。但考慮到性能改善與經濟成本雙重因素的影響，在一般民用及工業建筑中，摻入量的體積率以0.1%～0.3%較為合理，纖維長度以19～30mm為宜。

b) 改性聚丙烯纖維能有效改善混凝土的抗滲性能，但降低了混凝土的坍落度，尤其對大坍落度混凝土影響更大。因此，對于泵送大坍落度混凝土應適當調整減水劑的品種及用量，滿足現場施工對坍落度的要求。

3. 2 　幾點建議

a) 改性聚丙烯混凝土主要適用于如澆筑地下室的底板、側墻、頂板、各種建筑物的屋面板以及各種水池、化污池、游泳池、渡槽、隧道、地鐵、涵洞等各種要求混凝土抗滲防水場合。

b) 配制含纖維混凝土應在加入粗、細骨料與水泥時，將適當用量的纖維一次性投入攪拌料中，加水攪拌，即可達到很好的分散效果。以采用強制式攪拌為佳。

c) 在混凝土中摻入的化學合成纖維應具有良好的親水性和分散性。由于普通化學纖維難以在混凝土中均勻分散，在紫外線作用下會迅速老化，因此，在選用改性聚丙烯纖維時必須特別注意所選用纖維的物理力學性能、化學穩定性、耐老化性、親水性和水中分散性是否滿足工程需要，以免影響混凝土的品質。

參考文獻

1 　壟益，沈榮喜，李清海. 杜拉纖維在土建工程中的應用[M]. 北京:機械工業出版社，2002

2 　戴建國，劉明，黃承逵. 聚丙烯纖維混凝土和砂漿的塑性收縮試驗研究[J]. 沈陽建筑工程學院學報，2000，(3):195-196

3 　ALHOZAIMYA M，SOROUSHLAN P ，MIRZA F.Mechanical properties of polypropylene fiber reinforced concrete and the effects of pozzolanic materials[J]. Cement Concrete Composites，1996，(18):85-92

4 　王志海，李繼忠. 抗摻防裂混凝土研究與應用[J]. 中國建材科技，2002，11(5):49-52