聚丙烯纤维混凝土的防水性能及应用

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1、引言 
    现代高新混凝土工程中，混凝土的应用向着高强度、大流动度方向发展。随着混凝土强度和坍落度的提高，水泥的和用量不断增加，由此带来的副作用是水化热加剧，混凝土的凝固收缩量加大，收缩应力增大，裂缝数量增多。此外，随着建筑构件向大体积、大面积、形状复杂多样的方向发展，向地下空间的发展，混凝土内的应力大而复杂，裂缝的出现亦较以往多得多。因此，从混凝土防水的角度看，除了注重混凝土抗渗性（密实度）外，更注意由于混凝土抗裂性不足而引起的渗漏，特别是高标号的混凝土。 
    近年来，国外发展了应用微纤维混凝土进行抗裂防水的新技术。美国于90年代初研制出微纤维混凝土，在随后的几年中得到迅速的发展，其中应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。如今，在美国新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纤维混凝土，国内亦开始在防水工程中得到成功应用。本文主要以美国希尔兄弟化工公司生产的聚丙烯纤维为例，介绍聚丙烯纤维混凝土的防水性能及其工程应用。 
    2、聚丙烯纤维混凝土的防水性及机理 
    2．1 聚丙烯纤维的物理性能 
    聚丙烯纤维的物理性能如下： 
    材 料 聚丙烯 耐酸碱性 极高 
    相对密度 0.91 安 全 性 无毒材料 
    熔 点 165℃ 拉伸极限 15％ 
    燃 点 593℃ 抗拉强度 275MPa 
    含 湿 量 ＜0.1% 弹性模量 3793Mpa 
    吸 水 性 无 导 热 低 
    细度 0.048mm 
    2．2 聚丙烯纤维混凝土的防水机理 
    聚丙烯纤维混凝土的防水属于混凝土的刚性本体防水，在防水混凝土的抗渗和抗裂2个途径中，聚丙烯纤维主要是通过抗裂达到防水目的。聚丙烯纤维抗裂防水的机理是建立在对混凝土的固结、收缩的微观研究的基础上。 
    从微观的角度来看，任何密实的混凝土都存在微裂缝。这些微裂缝存在于相与相之间（石、砂、水泥胶体三相）和水泥微颗粒之间，只不过正常的微裂缝肉眼看不到而已。混凝土在硬化形成强度的过程中，初期由于水和水泥的应形成结晶体，这种晶体化合物的体积比原材料的体积要小，因而引起混凝土体积的收缩；在后期又由于混凝土内自由水分的蒸发而引起干缩。这些应力某个时期超出了水泥机体的抗拉强度，于是在混凝土内部引起微裂缝。这些微裂缝不可避免地存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的局部接触面处以及凝胶体自身内部。混凝土在凝结和硬化过程中，微裂缝经历了出现和发展的过程。这一过程，宏观上认为是混凝土在固结收缩，一般混凝土的收缩率在8×10－4左右。混凝土的微裂缝在发展过程中，是从无到有，从小到大向最薄弱方向定向发展。微裂缝向细裂缝的发展大多数（约占70％）在3－7d凝胶期内完成，此时混凝土的抗拉强度小于1Mpa，如果没有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂缝在内外应力的作用下将会发展为更大的裂缝以至最终形成贯通的毛细孔道及裂缝，从而导致防水失败，也造成结构设计强度远未能充分发挥，严重的甚至威胁到工程的安全及使用。 
    在混凝土内掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维与水泥集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀；同时由于细微，故比面积大，每公斤聚丙烯纤维连起来的总长度可绕地球10多圈，若分布在1m3的混凝土中，则可使每1m3的混凝土中有近20条纤维丝，故能在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系。当微裂缝在细裂缝发展的过程中，必然碰到多条不同向的微纤维，由于遭到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展。因此，聚丙烯纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂的产生和发展，极大地减少了混凝土收缩裂缝，尤其是有效地抑制了连通裂缝的产生。从宏观上解释，就是微纤维分散了混凝土的定向拉应力，从而达到抗裂的效果。试验表明，与普通混凝土相比，聚丙烯纤维体积掺量为0.05％（约0.5 kg/m3）的混凝土抗裂能力提高了近70％。 
    另外，均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量纤维起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析，从而使混凝土中直径为50－100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，由此可以极大提高混凝土的抗渗能力。试验表明，0.05％体积掺量的聚丙烯纤维比普通混凝土的抗渗能力提高了60％－70％。 
    3、聚丙烯纤维混凝土在防水工程中的应用 
    由以上分析可知，聚丙烯纤维可以大大增强混凝土的抗裂、抗渗能力，作为混凝土刚体自防水材料的效果显著，可以有效地解决混凝土渗裂问题的困扰。聚丙烯纤维加高效减水剂的防水方案，目前已为国内外众多防水专家所肯定，是防水效果较为可靠、施工最为便易、机理较完整的防水方案，可广泛应用于地下室工程、层面、贮水池、腐化池等工程中。以下介绍聚丙烯纤维混凝土应用于防水工程的实例。