聚丙烯纤维在混凝土中的应用及存在问题

摘　要:对聚丙烯纤维在混凝土中的应用做了一些试验研究,结果表明:混凝土中添加聚丙烯纤维后,对它的强度影响不大;对苯泵高效减水剂的塑化效果有较大影响;使混凝土的初始坍落度减小也比较明显;可提高混凝土的抗裂性能,减少裂缝的产生。最后指出了聚丙烯纤维在工程中应用存在的一些问题。

关键词:聚丙烯纤维;混凝土;裂缝;耐久性

中图分类号: TU528. 572　　　文献标识码: B　　　文章编号: 1008 - 3707 (2007) 02 - 0056 - 03

　　聚丙烯纤维应用于混凝土中,能有效控制混凝土的塑性收缩和沉降收缩引起的裂缝问题,改善混凝土的抗裂、抗渗性能,提高抗冲击和抗冻能力[1] 。因此,聚丙烯纤维已经大量应用于道路、桥梁、机场、地铁、工业及民用建筑、水利工程的预制构件、保温材料、干粉砂浆等行业。

　　我公司近几年来在北景园中心广场、武林门旅游客运中心、杭州市质量技术监督检测院大楼等工程中应用了不同品牌的聚丙烯纤维,有效地减少了裂缝的发生,取得了较好的防裂效果。通过对不同结构部位应用聚丙烯纤维的实践,对不同厂家生产的聚丙烯纤维应用效果的比较,积累了一些经验,以下分别详细介绍。

1　聚丙烯纤维对混凝土强度的影响

　　试验挑选了杭州市场上的三个品牌纤维,研究其对混凝土抗压强度的影响。所用原材料如下:

　　水泥:钱潮牌, PO42. 5;

　　保塑剂:符合GB /T 1873622002 中磨细粉煤灰Ⅰ级要求;

　　煤灰:符合GB /T 159622005Ⅱ级要求;

　　砂:洁净天然中砂和人工砂搭配,细度模数3. 1,含泥量和泥块含量符合规范要求;

　　石:选用5～25 mm连续级配的碎石;

　　泵送剂:杭州耀强外加剂厂生产,型号YQ21。试验用原材料配合比,见表1。

表1　混凝土原材料配合比kg/m3

　　采用《普通混凝土拌和物性能试验方法(GB /T 5008022002) 》检测拌和物工作性能, 采用《普通混凝土力学性能试验方法( GB /T 5008122002) 》检测其力学性能,结果,见表2。

表2　混凝土力学性能检测结果

　　从试验结果看,混凝土中掺入聚丙烯纤维后,抗压强度有的提高,有的降低,趋势并不明确。强度的变化幅度平均在4. 0%以内,这说明聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度没有显著影响。

　　另外,我们在做水泥胶砂强度试验时加入了1 g纤维,比较各纤维对胶砂强度(主要是抗折强度)的影响,试验结果与混凝土抗压强度相似,说明聚丙烯纤维对抗折强度也无明显影响。

　　聚丙烯纤维的弹性模量很低,大约只是混凝土的十分之一,它有一定的增稠和弱界面效应,这是对强度不利的因素,但是由于聚丙烯纤维在混凝土中的用量很少,一般体积掺率为0. 1% ,所以测试结果有时偏高一点,有时偏低一点,对强度的影响总的来说并不显著。不管是混凝土抗压强度、还是胶砂抗折强度,试验都是用小试件在一定范围内的加载速率下取得的准静载强度,它并不能反映聚丙烯纤维混凝土在结构中的真实工作情况。事实上,我们希望聚丙烯纤维对混凝土的力学性能的改变,不是在提高其抗压、抗折等强度指标,而是极大地提高它的延展性[ 2 ] 。

2　聚丙烯纤维对减水剂效果的影响

　　为研究聚丙烯纤维对高效减水剂的影响,我们掺入某品牌聚丙烯纤维后做水泥净浆流动度对比试验。试验用水泥是钱潮牌PO 42. 5,减水剂为萘系,均为杭州耀强混凝土外加剂有限公司生产,型号YQ21。纤维体积掺率为0. 2%, 试验时用水量是87 g。试验结果见图1。

　　从图1中可以看出,掺入聚丙烯纤维后,对萘系高效减水剂的塑化效果有较大影响,与空白相比,在相同减水剂掺量下,掺入聚丙烯纤维的水泥净浆流动度下降很多,所以要保证聚丙烯纤维混凝土具有良好的流动性,应适当增加减水剂的掺量。从图1中还可知,聚丙烯纤维对萘系高效减水剂的饱和点掺量并无明显影响。

3　聚丙烯纤维对混凝土拌和物工作性的影响

　　聚丙烯纤维要起改善混凝土性能的作用,必须要均匀分散在混凝土中,不结团、不成束,形成三维乱向体系,这是最关键的。要检验聚丙烯纤维的分散性是否合格,最好是试拌混凝土,直接观察聚丙烯纤维在混凝土中分散情况,同时还可以了解聚丙烯纤维对混凝土工作性的影响。对聚丙烯纤维分散性的检验也有比较简便的方法,一般是在装有清水的透明水杯中放入少量纤维进行搅动,如果该聚丙烯纤维呈立体悬浮状乱向分散,且长时间放置都不会有太大变化,就说明其分散性良好; 如果搅动后分散,但时隔不久上浮为一絮状层,则其在混凝土中大多不易均匀分散。有些质量比较差的纤维厂家为了避开用肉眼直接观察到絮状结团,故意降低纤维的推荐掺量,或者施工时指使操作工人少加纤维,这都是不容许的。

　　聚丙烯纤维对混凝土工作性的影响见表2。虽然在混凝土中的掺量不高,每方混凝土中通常掺0. 9～1. 2 kg,但聚丙烯纤维对混凝土工作性还是有一定不利影响。由表中可看出,混凝土掺入聚丙烯纤维后,其初始坍落度减小,坍落度经时损失增大,不同品牌的纤维影响程度不同。对于这种情况,在施工时可适当增大泵送剂的掺量,满足施工要求就可以了,不必改变混凝土配合比。掺入聚丙烯纤维后,混凝土的可泵性依然良好,泵送压力略有增大。聚丙烯纤维加入混凝土中后,可使混凝土拌和物更加均匀,黏聚性变好,这对采用机制粗砂做细骨料的混凝土工作性有利。

4　聚丙烯纤维对混凝土抗裂性能的影响

　　聚丙烯纤维可提高混凝土的抗裂能力,减少裂缝的产生。混凝土浇筑后在终凝前呈塑性状态,称为塑性混凝土。塑性混凝土由于失水会产生收缩,虽然此时混凝土的弹性模量很低,由塑性收缩产生的收缩应力很小,但是因为这时混凝土还不具有抗拉性能,所以即使是很小的拉应力,也会使混凝土开裂,产生塑性裂缝。混凝土中掺入聚丙烯纤维后,由于纤维非常细(直径0. 0048 mm左右) ,一般在厂家推荐掺量0. 9～1. 2 kg/m3 情况下,在混凝土中可获得充分分散的2, 000多万根纤维单丝,这些大量均匀分散在混凝土中的单丝纤维可承受收缩应力,减少与防止塑性裂缝的产生和发展。塑性混凝土还容易产生沉降收缩,导致沉降裂缝,这是因为混凝土中骨料与水泥浆的密度不一样,混凝土浇筑后,粗、细骨料会沉降,当骨料下沉受到钢筋的阻碍后就会使混凝土表面产生拉应力,导致混凝土开裂;混凝土中掺入聚丙烯纤维后,均匀分散的聚丙烯纤维在混凝土中形成三维乱向网络结构,起到了支撑骨料的作用,阻止粗、细骨料下沉;同时,纤维使混凝土的黏聚性变好,泌水现象减少,有效地抑制了混凝土的离析与分层,从而防止沉降裂缝的产生。

　　聚丙烯纤维常用的掺量很小,一般体积掺率0. 1%左右,这样小的掺量对硬化混凝土裂前、裂后的强度和破坏形态几乎没有影响。聚丙烯纤维本身的抗拉强度很高,在276MPa以上,而其弹性模量则较低,大约只是混凝土的十分之一,所以混凝土开裂后,即使聚丙烯纤维使混凝土仍保持一定的抗拉强度,但过大的变形也使其工程意义很小。因此聚丙烯纤维不能提高硬化混凝土的抗裂性能,也就是说,不能抵抗温度收缩和干燥收缩导致的开裂问题,对这些裂缝只有分散作用。

5　聚丙烯纤维对硬化混凝土其他性能的影响

　　掺入聚丙烯纤维后,混凝土的抗渗性提高,氯离子扩散系数增大,碳化深度增大,这是因为不同介质在不同孔径中的传输机理不同。水在孔径大于100nm的混凝土毛细孔中传输以渗透为主,由于毛细作用而充水后,压力水的渗透符合达西方程;在孔径小于100 nm时,水已无法在孔中形成粘性流(层流或者紊流) ,介质是以一个一个分子或者离子迁移的,即由于吸附的扩散。当某种离子在混凝土内外存在浓度差时,能沿孔壁由高浓度处向低浓度处迁移,以扩散为主,符合菲克定律。掺入纤维切断了可渗水的较大毛细孔通路,但却增加了纤维和水泥浆体界面小于100 nm的毛细孔,氯离子扩散系数和碳化深度的增加即缘于此,所以在有侵蚀性介质存在的环境中使用合成纤维不利于保护钢筋[ 3 ] 。

6　聚丙烯纤维与膨胀剂的复合使用

　　聚丙烯纤维与膨胀剂都能减少和防止混凝土开裂,提高混凝土的抗渗能力,但它们是有区别的。机理不同:国内外绝大多数膨胀剂都是硫铝酸钙型,它一般以8% ～12%等量取代胶凝材料。膨胀剂与水泥水化反应形成钙矾石膨胀结晶,在钢筋和邻位限制下在混凝土中建立0. 2～0. 7 MPa预压应力,改善了混凝土的应力状态,提高其抗裂性能;钙矾石具有填充、堵塞毛细孔的作用,改善了混凝土的孔结构,降低总孔隙率,从而提高混凝土的抗渗性能。这些功效主要是通过化学作用产生的,而聚丙烯纤维则完全是通过物理作用来减少混凝土裂缝、提高混凝土抗渗能力的。

　　施工条件不同:膨胀剂对养护条件非常苛刻,只有在潮湿环境中才能获得较好的防裂、抗渗效果,若养护不良则可能不见其效甚至适得其反;而聚丙烯纤维对施工养护条件无特别要求,使用非常方便。发挥作用的阶段不同:膨胀剂对防止塑性混凝土开裂无帮助,只能提高硬化混凝土的抗裂性能。一般正常的膨胀混凝土在1～7 d的湿养护期间,膨胀率应发挥70%～80% ,以补偿混凝土的自生收缩和水泥水化热产生的冷缩; 7～28 d的膨胀率发挥20%～30%,以补偿混凝土的干缩。而聚丙烯纤维则能减少和防止混凝土的塑性裂缝和沉降裂缝,对已硬化混凝土的抗裂性贡献不大,只能起有限的分散和阻抗作用。

　　所以根据聚丙烯纤维与膨胀剂各自的特点将它们复合使用,可提高混凝土不同阶段的抗裂性能,减少和防止混凝土裂缝的产生,以保证工程质量。

7　聚丙烯纤维的应用现状

　　目前聚丙烯纤维的工程应用尚处于探索阶段,还没有国家标准,缺少一套能够简单有效地评价纤维效果的试验方法,给使用方带来不少困难。使用者在挑选纤维厂家时,除了价格因素更要重视质量,还应到生产基地去考察,看纤维厂家是否具有足够的生产规模,是否能保证纤维产品的批次稳定性,最好是针对不同的工程应用,采用不同品牌的纤维、不同掺量进行试配,认真比较,从而选择最佳方案。同时要正确认识纤维对于混凝土性能产生的积极作用,纤维对混凝土的开裂问题也不是万能的,如纤维对抵抗温度收缩和干燥收缩造成的开裂就无能为力,所以掌握纤维的应用技术非常重要,在纤维可以发挥有利作用的地方使用就能保证工程质量,而盲目地使用不但会增加工程成本,造成巨大的浪费,甚至适得其反。

参考文献

[1] 　

[2]龚　益,徐至钧. 纤维混凝土与纤维砂浆施工应用指南[M]. 北京:中国建材工业出版社, 2005年.

[3] 　廉慧珍. 思维方法和观念的转变比技术更重要之二:再谈从众思维[J]. 商品混凝土, 2004 (3) : 5.