聚丙烯纤维混凝土抗渗性能的研究.pdf

2 0 1 0 年 第 7期 (总 第 2 4 9 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M AT ERL L AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 7 0 3 1 聚丙烯纤维混凝土抗渗性能的研究 吴刚，李希龙，史丽华。王军 ( 威海建设集团股份有 限公 司，山东 威海 2 6 4 2 0 9 ) 摘要： 通过分析聚丙烯纤维混凝土的防水机理， 说明在混凝土中掺加适量的聚丙烯纤维能有效地提高混凝土材料的抗裂防渗性能。 并 且研究了不同长度的纤维对混凝土抗裂防渗性能的影响。介绍了聚丙烯纤维混凝土在各类防水工程中的应用实例。 关键词： 聚丙烯纤维；聚丙烯纤维混凝土；防水机理；抗裂防渗 中图分类号 ： T U5 2 8 0 4 1 文献标 志码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 7 0 0 9 5 0 3 St udy or l PP f i ber i n wa t er pr oo f c onc r e t e W U Ga n g， U 一 l o n g， S HILi - hu a， W ANG J u n ( We i h a i C o n s t r u c t i o nG r o u pC o ， L t d ， We i h a i 2 6 4 2 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h r o u g h a n a l y z i n g wa t e r p r o o f me c h a n i s m o f p o l y p r o p y l e n e ( P P)fi b e r c o n c r e ， i t i s e x p l a i n e d t h a t t h e c r a c k in g r e s i s t a n c e a n d p e r c o l a t i n g p r o o f p r o pe i e s o f c o n c r e t e ma t e r i a l C a l l be i n c r e a s e d e ffe c t i v e l y b y s u i t a b l y a d d i n g P P fi b e r i n t o the c o n c r e t e Ke y wor ds ： P P fib e r ； PP fi b e r c o n c r e t e ； wa t e rpr o o fme c h a n i s m； c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y 0 引言 指标见表1 。 自古以来， 人类就有以纤维补强建筑材料的观念 ， 例如在 泥砖中加人稻草增加砖的强度， 或者是以石棉补强黏土柱。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， 其中 应用最多的是聚丙烯纤维混凝土。国内开始在防水工程中得到 成功应用。随着混凝土强度和坍落度的提高， 水泥的用量不断 增呈， 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， 混凝土内应力大而复杂， 裂缝的出现亦较以往多得多。因此， 本 文针对聚丙烯纤维混凝土的防水抗裂等性能进行初步的研究 和探索及工程应用进行介绍。 1 原材料及试验方案 1 1 主要原材料及性能 水泥： 烟台宝桥 P 0 4 2 5 R级水泥， 实测初凝时间 1 7 5 mi n ， 表 1 P O 4 2 5 R级水泥性能指标 实测值 抗 压强度 MP a 抗折强度 MP a 3 d 2 66 5 4 8 52 8 3 粗骨料： 产地山东威海， 5 2 0 I T I 1 T I 连续粒级碎石， 1 h吸水率 1 644 。 细骨料 ： 中砂， 细度模数 2 7 ， 含泥量 2 ， 颗粒级配良好。 聚丙烯纤维： 盐城市创成科技有限公司生产的 P P F Y型混 凝土纤维， 其主要性能见表 2 。 粉煤灰： 威海华能电厂生产的 I I 级粉煤灰。 减水剂 ： 山东省建科院外加剂厂生产的N C F 2高效减水剂。 1 2 试 验 方案 本试验参照 J G J 5 5 2 o 0 O 普通混凝土配合比设计规程 ， 设计强度等级为 C 4 0的基准混凝土配合比见表 3 。并以掺圆形 截面纤维和改性三叶形截面纤维两种聚丙烯纤维来进行比较， 终凝时间为 2 3 5 mi n ， 安定性合格 ， 烧失量为 1 0 2 ， 其他性能 然后选择较优者作为本次试验使用的纤维类型。 表 2 聚丙烯 纤维( P P F) 性能指标 表 3 基准配合 比 k g m 成型时先将骨料 、 胶凝材料在搅拌机内搅拌均匀后( 6 0 s ) ， 再逐渐加入纤维， 最后加水搅拌， 应保证纤维在水泥浆体中能 够分散得较为均匀。纤维的加入使得新拌轻骨料混凝土的稠度 增大、 流动性变差， 因此， 随着纤维掺量的增加， 搅拌时间和振动 收稿 日期：2 0 1 0 - 0 3 - 2 0 时间需适 当延长 。抗压强度试验采用 1 0 0 m mx 1 0 0 mmx l 0 0 ll l m 的试件 ， 测定其无约束受力状态下的抗压强度。劈拉强度试 验采用 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 0 0 m m的试件 ， 抗折强度试验采用 1 0 0 m mx l 0 0 mmx 4 0 0 n a l n的试件 。 经纤维混凝土性能试验结果分析： 从表 4可以看出： 加入 聚丙烯纤维后明显提高了混凝土的抗裂 、 防渗性能， 能消除或 抑制混凝土中原生裂缝的数量和尺度， 有效阻止混凝土发生塑 9 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 掺入两种聚丙烯纤维混凝各性能参数 性开裂， 增强抗渗； 降低混凝土材料的脆性增大韧性 ； 对混凝土 准静载能力作用不大， 但通过提高材料介质的连续性， 混凝土 的整体性来提高混凝土的抗冲击抗疲劳性能， 使混凝土的使用 性能得 以改善 。 另外， 还可看出圆形和改性-, f 形两种不同截面的聚丙烯 纤维对混凝土各项性能影响存在差异， 由于三叶形截面聚丙烯 纤维束与混凝土的界面面积大， f 昆 凝土机体对纤维的握裹力大， 表面改性后分散能力得到改善。所以， 表面改性后的三叶形截 面聚丙烯纤维掺入混凝土后其各项性能最优。因此 ， 选用三叶 形截面聚丙烯纤维为本试验混凝土的纤维增强材料。 在确定基准配合比和聚丙烯纤维类型的基础上 ， 聚丙烯纤 维以0 6 、 0 9 、 1 2 k g m3 和纤维长度为 1 2 、 1 5 、 1 9 n l m进行单掺 纤维混凝土试验 ， 以此考察聚丙烯纤维对混凝土的各种强度性 能的影 响。 2 试验结果及 分析 2 1 试验结果表 试验结果表 ， 如表 5 所示。 表 5 试验结果 2 2 聚丙烯纤维对混凝土强度性能的影响 掺聚丙烯纤维对混凝土的抗压强度有负面影响， 即损强效 应 ， 在 P P纤维掺量为 0 6 、 0 9和 1 2 k g m 时 ， 抗压强度则随掺量 的增加呈下降趋势。 如图 1 所示， 并且当掺量大于 0 9 k g m 时抗 压强度下降幅度明显增大。 从图 1 所示可看出纤维长度对抗压强 度影响较小， 长度为 1 5 m i l l 的聚丙烯纤维损强效应最小； 聚丙烯 纤维对混凝土抗折强度则有增强效应。 在上述掺量下， 抗折强度随 掺量的N； 0 n 程上升趋势如图 2 所示， 从图2中可以看出纤维长度 在 由 1 2 mm增加到 1 5 mm 时抗折强度增加显 著。 普通混凝 土 相比， 聚丙烯纤维掺量 0 9 k g m 的混凝土抗裂能力提高了近 7 0 。 其原因是掺人的聚丙烯纤维具有良好的延性， 其极限变形 值大， 并且纤维与水泥浆体有较大的握裹力， 混凝土一经开裂， 聚丙烯纤维连接在裂纹的表面， 阻止裂纹的迅速扩展 ， 因而抗折 强度有所提高。而 1 9 mm长度的纤维掺入后抗折强度较 1 5 m m 长度的纤维增长微乎其微， 甚至当掺量达到 1 2 k g m 时由于分 散困难， 增强效应得到削弱， 抗折强度反而降低。 9 6 57 2 越 墨 5 6 8 掺量 ( k g m ) 图 2聚丙烯 纤维对抗折强度的影响 可见 ， 在纤维长度为 1 5 mm， 掺量 为 0 9 k g m3 时混凝土强 度性能最佳。 2 3聚丙烯纤维对混凝土脆性及干缩性的影响 聚丙烯纤维加入后对混凝 土的脆性影为明显。如图 3 所示 随着纤维长度和掺量的增加 ， 混凝 土的弹性模量 随之减小 。随 聚丙烯纤维掺量增加， 纤维混凝土的韧性提高 ， 如图 4所示， 聚 丙烯纤维掺量增加， 增韧效果随之明显。原因在于聚丙烯纤维 比表面积大， 它和水泥基料有极强的黏结力， 在混凝土内呈三 维不定向支撑体系 ， 根据对试件的破坏试验： 混凝土掺入纤维 后， 有效地增强了混凝土韧性， 抑制微裂缝的产生和发展。大大 提高了混凝土的韧性。 聚丙烯纤维对混凝土的干缩率有较大影响。在图5中可以 看出干缩率的增长趋势随着掺量的增加而降低并且纤维长度 为 1 9 mm时效果最佳其原因在于加入的纤维可以部分抵消内 部应力， 抑制微裂缝产生和发展。同时收缩的能量分散到每立 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 日 赣 掺量 ( k g m ) 图 3 聚丙烯纤维对弹性模量的影响 挠度 m m 图 4 荷载一 挠度 掺量 ( k g m ) 图 5聚丙烯纤维对 干缩率 的影响 方米中千万条具有高抗拉强度和较低弹性模量的纤维丝上 ， 集 中防止收缩进 一步发展 。当收缩 裂缝 发展与纤 维相交时 ， 纤维 可以抵消部分或全部应力。加入的纤维是三维不定向分布， 有 助于削弱混凝土的塑性收缩。降低了混凝土的干缩率。 2 4 聚丙烯纤维对混凝土抗渗性能的影响 通过试验看出聚丙烯纤维可以改善混凝土的抗渗性能， 如 图 6 所示混凝土的抗渗性能随着纤维掺量增加而增加。纤维长 度为 1 9 Y i l r n时效果最佳。混凝土掺人少量纤维后， 抑制了早期 干缩裂缝及离析裂缝的产生和发展。使混凝土孔隙率大大降 低， 从而使混凝土抗渗能力大幅度提高。 3总述 由以上分析可知， 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 0 O ， 6 o9 1 2 掺量 ( k g m ) 图 6 聚丙烯纤维对抗渗等级的影响 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 。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。 在混凝土内掺人聚丙烯纤维， 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 ， 故比表面积大， 0 9 k g聚丙烯纤维分布在 1 m3 的 混凝土中， 则可使每 1 c m3 的混凝土中有近 2 0 0 0 0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。聚丙烯纤维可以大大增强混凝土的抗裂、 抗渗能力， 作为混凝士刚体 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， 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、 屋面、 贮水池 、 腐化池等工 程中。并且经过对聚丙烯纤维混凝土各项性能定性和定量的分 析后， 可以得出不同掺量、 不同长度的聚丙烯纤维对混凝土的 性能影响存在差别 ， 本着成本最低的原则综合考察可得出纤维 长度 1 9 m m， 纤维掺量 0 9 k g m 时最为适宜。以下介绍聚丙烯 纤维混凝土应用于防水工程的实例。 4工程 中的 实际应用 在山东省威海市威海之门项 目的混凝土施工过程中， 聚丙 烯纤维作为混凝土的一种填料， 加入混凝土中进行生产。本工 程浇筑部位基础筏板， 混凝土厚度达 1 2 m， 采用了强度等 级 C 4 0 P 1 2的混凝土 ， 工程量约 8 0 0 0 ms ， 属于大体积混凝土施 工， 分五次进行浇筑。本次施工采用长度为 1 9 1 1 1 1 1 1 表面改性后 的三叶形截面聚丙烯纤维， 掺量为 0 9 k g m3 。在适当改变普通 下转第 1 0 1页 9 7 6 4 2 O 8 6 斑 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 8 试件配合比用料 k e C m 注： 水泥： 粤秀P I I 4 2 5 R级； 硅粉： 贵州铁合金厂； 减水剂： H F D N1 0 0 ( 掺 0 2 H P S I I I ) 。 表 9 电通量及氯离子掺透性 注 ： 染 色法采用测试 电通量后 的试件 ， 喷 o 1 mo 1 Ag NO， 测定 。 只有 1 5 5 8 7 C 。 而氯离子的掺透深度为 0 。 达到恶劣环境下混凝 土使用 1 0 0 年的抗氯离子侵入性电量指标 8 0 0 C的要求3 1 。 3 7 HP S - I I I 引入 的气泡特 征 掺加 H P S I I I 的高强混凝土( 2 8 d强度达到 1 1 5 MP a ) 所作 的扫描电镜气泡泡径、 形态的测定结果表明， H P S I I I 引入的气泡 是非常规则的圆球形 ， 气泡的最大孔径为 1 0 0 1 2 0 m， 一般为 2 0 - 5 0 g u m， 平均孑 L 径为 8 0 p ,m， 而普通引气剂引入的气泡孔径为 1 0 0 - - 4 0 0 m平均孔径为2 0 0 m。 这也是为什么在同样含气量的 情况下， 掺加 H P S I I I 的? 昆 凝土和易性显得特别理想的原因， 也是 为什么达到相同和易陛时， 掺加 H P S I I I 的混凝土的含气量测定值 较低的原因。可能是目前的含气量溟 0 定仪和 慌沩怯对于孔径小于 1 0 0 m的气泡的敏感度低， 不易测出。小于 1 0 0 m的气泡对混 凝土强度的影响较低， 对混凝土和易性的改善又远比大于2 0 0 p , m 气泡显著。因而掺 H P S I I I 引气剂的混凝土含气量较低， 但混凝土 和易性好， 强度降低小。图 3 、 4 为掺HP S H I 引气剂的混凝土扫描 电镜照片， 可以看到大量圆形从十几到几十微米的气孔 。 4结 论 ( 1 ) H P S I I I 和聚羧酸减水剂的适应性好 、 体系稳定 ， 在萘系 减水剂中也表现出优异的特性。 ( 2 ) 用 HP S I I I 配制的聚羧酸减水剂在混凝土中使用可以 达到 2 h坍落度损失几乎为零 ， 相对强度比 3 d达到 1 5 1 3 、 7 d 1 3 8 7 、 2 8 d 1 1 7 7 。单掺 H P S I I l 的混凝土 2 8 d相对强度 比达 9 5 ， 远高于国家有关标准的9 0 。 ( 3 ) 在达到相同含气量、 相当混凝土和易性的情况下 H P S I I I 的掺 量在 0 1 7 时已达 到国外 同类引气剂 0 8 的性 能 ， 因 而 H P S I I I 引气剂具有较高的性价比。 上接第 9 7页 混凝土的配合比的情况下， 对混凝土骨料、 外加剂、 掺合料、 水 泥的使用都不会产生冲突，搅拌和泵送施工工艺可以正常进 行。聚丙烯纤维混凝土施工方便 ， 对施工设备也没有特别的要 求 ， 不需要特殊的操作工艺， 使用起来极为方便。聚丙烯纤维在 混凝土中是完全的物理作用， 使用起来很容易控制其效果。聚 丙烯纤维增强混凝土不仅大大改善了混凝土的抗裂、 抗渗性能， 达到消除温差与裂缝的目的， 而且在保证混凝土工作性能的同 时， 降低了生产成本， 提高了经济效益。 5结 论 ( 1 ) 使用表面改性后的三叶形截面聚丙烯纤维掺人混凝土 后其各项性能最优。 ( 2 ) P P纤维混凝土能有效提高混凝土的抗裂、 抗渗、 降低高 图 3 S E M 照片 图 4 S EM照片 ( 4 ) 聚羧酸引气剂的应用可以使减水剂达到更高的减水率， 可以配制电通量极小、 耐久性高的混凝土。在减少水泥用量 3 0 的前提下，仅用 3 0 8 k g 水泥配制的高性能超高强混凝土 5 6 d 强度达到 1 2 5MP a 。 ( 5 ) 以分子设计、 合成的方法生产的 H P S 引气剂是一种 性能稳定 、 掺量少、 性价 比高， 在聚羧酸体系中能稳定使用的引 气剂， 这种引气剂突破了一般引气剂的单离子或复合离子型结 构， 为一种经过分子设计的多离子结构组合。 HP S I I l 引气剂已经 在几百万立方米混凝土中应用。 参考文献 ： 1 陈应钦 引气剂的价用及高性能混凝土引气剂的研究【 J J 新型建筑材 料 ， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 - 3 2 陈峭卉 ， 刘锋 混凝士塑化增强剂 H 的研究f J 1 新型建筑材料， 2 o o 9 ( 1 ) ： 4 3 4 5 【 3 】C C E S 0 1 2 o o 4 ， 混凝土结构耐久J 性 设计与施工指南 s 作者简介 单位地址 联 系电话 陈峭卉( 1 9 7 8 一 ) ， 女， 工程师， 研究生。 广州市天河区陶青路君紫大街 9 号 5 0 3广东省建材院 ( 5 1 0 1 6 0 ) 0 2 0- 8 8 2 3 01 5 3 强混凝土的脆性。 ( 3 ) 本着成本最低的原则综合考察可得出纤维长度 1 9 mm， 纤维掺量 0 9 k g m3 时最为适宜。 ( 4 ) 在工程中得到实际运用 ， 在保证混凝土工作性能的同 时， 降低了生产成本， 提高了经济效益。 参考文献 ： 川 1徐至均名 E 京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 2 3 一l 5 O 2 】闻荻江复合材料原理 M 】 武汉： 武汉工业大学出版社， 1 9 9 8 ： 2 0 2 5 3 赵国藩， 黄承逵 纤维混凝土的研究与应用 M J 大连 ： 大连理工大学 出版社， 1 9 9 2 作者简介： 吴 0 ( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 工程师。 单位地址： 威海高技术开发区火炬路 3 0 3 号( 2 6 4 2 0 9 ) 联系电话 ： 1 3 3 6 1 1 7 5 6 4 9 1 01 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m