聚丙烯纤维混凝土及其在环形超长无缝结构中的应用.pdf

2 0 1 3年第 7期 7月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C ONCR ET E AND C EMEN T P R0DUC T S 2 01 3 No 7 J u l y 聚丙烯纤维混凝土及其在环形超长无缝结构中的应用 曹双梅 ， 钟颖川 ， 张世海 。 ( 1 河南工业职业技术学院 ， 南 阳 4 7 3 0 0 0 ； 2 中国建筑第五工程局土木工程有限公司 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 3 南阳理工学院， 4 7 3 0 0 0 ) 摘要 ： 在介 绍纤维混凝 土的分 类及其特征 的基础 上， 分析 了基 于“ 以抗为主” 策略的聚 丙烯纤 维增 强混凝 土的 机理 与效果 ， 指 出了聚 丙烯纤 维能有效 阻止 塑性及硬化 早期混凝 土收缩裂 缝 的产生和发展 ， 能提 高和增强混凝 土 抗 裂、 抗渗等方 面的性 能。基 于聚 丙烯 纤维混凝 土的工程应 用范围和部位 ， 给 出了聚 丙烯纤维混凝土施 工工艺 关键词 ： 环形超 长无缝 混凝 土结构； 聚 丙烯纤维混凝土 ： 纤维混凝 土施 工工 艺 Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e c l a s s i fi c a t i o n a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， t h e me c h a n i s m a n d t h e e ff e c t o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r s r e i n f o r c e d c o n c r e t e b a s e d o n ” An t i - b a s e d ”s t r a t e g y a r e a n a l y z e d ，a n d i t i s s h o w e d t h a t p o l y p r o p y l e n e fi b e r c a n e ff e c t i v e l y p r e v e n t t h e p l a s t i c a n d e a r l y h a r d e n i n g s h ri n k a g e c r a c k s o f c o n c r e t e ， i m- p r o v e a n d e n h a n c e t h e c o n c r e t e a n t i c r a c k i n g ，a n t i p e r me a b i l i t y a n d o t h e r a s p e c t s o f p e rf o r ma n c e B a s e d o n t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a r e a s a n d s i t e s of p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ， t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y o f p o l y p r o p y l e n e fi b e r s r e i n f o r c e d c o n c r e t e i s g i v e n Ke y w o r d s ：O v e r l o n g a n n u l a r j o in t l e s s c o n c r e t e s t ruc t u r e ； P o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e ； F i b e r c o n c r e t e c on s t r u c t i o n t e c h no l o gy 中图分类号 ： TU 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 3 ) 0 7 7 7 0 3 0前言 混凝土是一种抗拉强度较低 的胶 凝性复合脆 性材料 ， 韧性与体积稳定性较差 ， 易产生裂缝 ， 尤其 是 在 混 凝 土 从 塑性 状 态 逐 步 向 固 态 发展 的 施 工 阶 段 混凝土处于由低强度 向设计强度发展的过渡时 期 ， 该过程中极 限拉应力是一个 由小到大逐渐增长 的变量 。 一旦因温度收缩变形等 因素产生的拉应力 超过 当时的极限拉应力 ， 就会产生裂缝 。环形超长 无缝混凝土结构是指首尾相连的圆环形 、 椭 圆形或 多边形结构 且其长度超过规范规定设置变形缝长 度而又没有设置缝 的一类结构 ， 多用于体育场馆等 公共建筑 ， 该类结构往往较为复杂 ， 属于裂缝敏感 结构 ， 对裂缝控制要求高且难度大。近年来 ， 纤维混 凝 土作 为一种 新型复合 材料在 国内各类工程 中得 到成功应用 ， 其 中， 聚丙烯纤维 以其强度高 、 耐久性 与加工性好 、 质轻 、 价低及在低掺量下对混凝土 的 抗裂 、 抗渗效果改善显著等优 良性能 ， 得到广泛 的 应用。本文在分析聚丙烯纤维混凝土特征与施工工 艺基础上 探讨其在环形超长混凝 土结构裂缝控制 中的应用 。 1 聚 丙烯 纤维 增 强混 凝土 机理 与效 果 1 1 纤维混凝土的分类与特征 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 6 1 0 4 0 0 3 1 ) 。 1 1 1 纤维 混凝 土 的分类 纤维混凝土种类较多 ， 可按不同标准对其进行 分类。按弹性模量大小可分为高弹性模量纤维 ( 如 钢纤维、 碳纤维 、 芳族聚酰胺纤维等) 混凝土和低弹 性模量纤维( 如聚丙烯纤维 、 聚乙烯 醇纤维 、 聚酰胺 类纤维 、 聚酯纤维 、 纤维素纤维等 ) 混凝土 ； 按纤维 种类可划分为钢纤维混凝土、合成纤维混凝土 、 碳 纤维混凝土 、 玄武岩纤维混凝 土、 玻璃纤维混凝土 等【 ” ， 其 中。 合成纤维包括： 聚丙烯纤维 、 聚乙烯纤维、 聚酰胺( 尼龙 ) 纤维 、 聚丙烯睛( 睛纶 ) 纤维 、 聚酷 ( 如 涤纶) 纤维 、 聚乙烯醇 ( 维纶) 纤维等。 1 1 2 聚丙烯纤维混凝土的特征 聚丙烯纤维混凝土是 目前研究较多 、 应用较广 的一 种合成纤维混凝 土 ， 与钢纤维相 比， 因其弹性 模量较小被作为混凝土中的次级增强材料 ， 该类纤 维具有密度低 、 直径小 ( 当量直径 0 0 2 0 1 mm) 、 数 量多 ( 0 9 k g m 的掺量 即可获得 7 0 0 3 0 0 0万根的纤 维单丝 ) 、 在混凝土中纤维平均间距较小等特征 ， 这 些特性可有效抑制混凝 土塑性 阶段 和硬化早期 因 离析 、 泌水 、 温度收缩等原 因引起的原生裂缝 的产 生和发展 ， 钝化原生裂纹尖端 的应力集中 ， 连续 和 均匀化介质内的应 力场 。 减小混凝土 的干缩 ， 从源 头微观层次上阻止混凝土的裂缝 和发展 ， 防止其性 一 7 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年第 7期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 7期 能劣化圈 。工程上应用较多的聚丙烯纤维有经表面 改性的束状单丝纤维 、 网状纤维 、 微孔纤维 、 膜裂纤 维等。 1 2 聚丙烯纤维增强混凝土的作用效果 1 2 1 混凝 土 的抗 裂 性 实际工程 中。 为便 于施工 ， 混凝土搅拌过程所 使用 的水往往 比水泥水化所需要 的水多 ， 混凝土浇 筑后的塑性 阶段强度很低 ， 常会 因多余水分蒸发等 因素而使混凝土产生塑性 收缩裂缝 。同时 ， 硬化早 期的混凝土也可能会 因干缩 、 温度收缩及碳化收缩 而引起收缩裂缝 。聚丙烯纤维掺入混凝土后 ， 在强 制搅拌过程中单丝纤维能均匀分布于混凝土中， 并 在混凝 土内部构成有一定密度的三维乱 向支撑体 系 。在 微裂 缝 向细 裂缝 发 展 时 ， 会 碰 到 不 同方 向的 多条纤维 ， 从 而使收缩变形 引起的微裂缝受到纤维 的限制 ， 纤维在弹性模量很低 的塑性混凝土 中传递 应力 ， 使混凝土 中收缩应力下降 ， 阻止微裂缝 的扩 展并延缓新裂缝的出现。同时 ， 均布于混凝土中彼 此相粘连的大量细小纤维可“ 承托” 骨料 ， 降低混凝 土表面的析水量与集料的沉降 ， 减少塑性裂缝的产 生 。 1 2 2 混 凝土 的抗 渗性 混凝土是一种非均质 的多相混合体 ， 常 因组分 间的变形不协调 、 温度收缩等原 因， 在 混凝 土内部 引起一些 以微观或宏观裂缝为代表的缺陷 造成混 凝土抗渗性能降低。混凝土的渗透性主要取决于 昆 凝 土中毛细现象产生的微渗水和孔 隙及裂缝 产生 的宏渗水 ， 由收缩产生裂缝形成的透水通道引起的 宏渗 水 ， 是抗渗性能降低 的主要 因素 ， 避免混凝土 产生裂缝是提高混凝土防水抗渗的有效途径。在混 凝土 中掺加 聚丙烯纤维可有效抑制早期裂缝 的产 生 ，减少初始收缩裂缝尤其是贯通裂缝的数量 ， 提 高 混凝 土 的抗 渗性 能 1 2 - 3 混 凝土 的抗 冻性 混凝土中掺人聚丙烯纤维后 ， 其 内部各 向随机 均匀分布的纤维将负担部分因温度 降低 而引起 的 混凝土收缩应力 ， 阻止温度裂缝 的扩展 同时 聚丙 烯纤维混凝土抗渗能力 的提高 ， 也有利于其抗冻能 力的提高。 1 2 4 混凝 土 的韧性 与抗 冲击性 聚丙烯纤维刚度较低 ，荷载传递能力较差 ， 但 其在混凝 土内部形成 的一种三维乱 向均匀分布 网 状增强系统 ， 改变 了混凝土的内部结构 、 缓解 了内 部应力集 中的程度、 限制 了微裂缝的发展、 有效地 减小 了裂缝的数量与尺度 ，增强 了材料介质连续 一 78一 性 ， 当混凝 土受 冲击荷载作用时 ， 纤维可起到 吸收 能量 、 分担应力 、 阻断冲击波引起 的局部应力集 中、 阻止混凝土中裂缝扩散与发展的加强筋作用 ， 达到 改善 昆 凝土耐受变形 的能力及脆性 ， 明显提高其韧 性及抗 冲击与抗疲劳性能。 1 2 5 混凝土的抗压和抗拉强度 与高弹性模量的钢纤维和碳纤维等不同 ， 聚丙 烯纤维弹性模 量低 、 延伸率较高 、 物理化学性质较 稳定 掺入混凝 土后对混凝土的抗压强度 、 抗拉强 度和抗折强度的改善和影响不显著 。 可视 同普通混 凝土进行设计与施工。当聚丙烯纤维的掺量超出一 定范围后 。 混凝土的抗压强度无 明显提高 ， 甚至可 能会略有降低 ， 但其弯 曲拉伸及抗 剪强度 、 最大强 度过后 的残余强度 、 峰值强度后的变形能力及韧性 等方面的指标均有不同程度的提高。 聚丙烯纤维的掺入 ， 除使混凝土的抗裂 、 抗渗 、 抗冻 、 抗冲击等性 能得到提高外 ， 抗冲刷与耐磨性 、 耐火性等方面综合性能也可得到有效改善。 2 聚丙 烯 纤维混 凝土 的工程 应用 与施 工 2 1 聚丙烯 纤维混 凝 土的工 程应用 日臻完善 的聚丙烯纤维混凝土技术 已成为改 善混凝土性能最为有效和广泛使用手段之一 。聚丙 烯纤维增强混凝土的机理及其优 良的特性与作用 效果 ， 决定了聚丙烯纤维混凝 土有着广泛 的工程应 用前景 ， 已在国内外许多建筑与水利水 电工程 中成 功应用。从已有工程应用实例及其特征方面看 ， 聚 丙烯纤维混凝土 的主要工程应用范围或部 位可概 括为 ： 有较高抗裂要求 的超长超宽超厚或超薄结构 及易引起应 力集 中和裂缝 的带洞 口与刚度突变结 构或构件 ： 有较高抗 渗防水要求的各类建筑物的楼 屋面板 、 地面 、 露天建 ( 构 ) 筑物 、 地下商 业街 、 地下 停车场 、 地下室 、 水池 、 游泳池 、 集料池等底板 和墙 体 ， 以及水下 、 水利 、 海岸工程等 ； 有较 高抗 裂抗渗 及粘稠性要求 的喷射混凝 土工程 ， 如地下室基坑支 护、 隧道支护 、 护坡工程 、 建筑物穹顶和拱桥底部修 补 喷浆 、水池及筒仓结构 的预应力绕丝 喷浆护 面 等 ； 有较高抗 裂 、 抗磨损和抗 冲击疲劳性能要求的 桩头和桩 帽、 高速与普通公路路 面、 桥面铺装层 、 机 场跑道与停机坪 、 高速水流冲刷 的溢流面 、 泄洪洞 、 消力池 、 溢洪道泄流槽 、 闸门门槽 以及排沙孑 L 道等 部位的水利水电工程 。 2 2聚丙烯纤 维 混凝 土 的施 工 混凝土 中掺人聚丙烯纤维对水泥水化不会产 生任何影响 ， 因此 ， 不需要调整配合 比， 一般只需在 基准混凝土中掺入 0 6 1 2 k g m 、纤维长度为 l 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曹双梅 ， 钟颖川 ， 张世海 聚丙烯纤维混凝土及其在环形超长无缝结构中的应用 3 0 mm 的聚 丙 烯纤 维 即可 即聚 丙 烯纤维混凝土所用 的水泥 、 粗细骨 料 、 水 、 外加 剂等技术 条件及 配合 比与普通混凝土相同。 聚丙烯纤维混凝土制作工艺流 程为 ： 先将砂 、 石 、 水泥进行干拌 ， 然 后将其与聚丙烯纤维一起搅拌 。 最 后 再加 水搅拌 形成聚丙烯 纤维 混 凝土 。搅拌时间以纤维在混凝土 中 均匀分散为准 ， 可以与不加聚丙烯 纤 维 时搅拌 时间基本相 同或稍 加 延 长 ， 一般为 3 - 5 mi n ， 搅拌过度 或 延 长搅 拌时 间不 会影 响纤 维 的分 布和纤维强度 。 也不会造成结团和 改变其工作性能。聚丙烯纤维比表 面积很 大 ， 吸 附水较 多 ， 纤维 的加 入 会增加混凝土拌合料 的粘稠度 ， 降 低流动性和坍落度 。如施工浇筑困 难时 ， 为改善拌合物 的和易性 一般 不宜增加用水量 ， 可掺加适量的引 岱 饕 娉 | j i 垛 气剂 、 减水剂或高效减水剂 ， 也可掺入质量分数不 超过 1 0 粉煤灰 。纤维混凝土运输与普通混凝土没 有 区别 ， 因为纤维 的均匀分布阻止 了混凝土中水的 移动 ， 需要适度地增加一定 的振捣 时间 根据不 同 的混 凝 土振 捣 的 时 间也 不一 致 ， 一 般 情 况下 每 点 振 捣 3 0 4 0 s 。 成型与养护 ：聚丙烯纤维是一种惰性材料 ， 不 影 响 混 凝 土 的成 型 特 性 能适 应 多 种 表 面 处 理 工 艺 ， 如压实成型 、 手抹刀挤抹 、 动力抹压 、 表面涂层 处理 、 涂颜色 、 干刷等 ， 抹面时不可使用过于毛糙的 工具 。 以免带 出纤维 ， 加入纤维 的混凝土表面出浆 较慢较少 ， 泌水较少 ， 抹面较涩且相对 困难 ， 收面工 序宜适当推后至接近终凝 时进行 ， 施工 中不必追求 表 面光滑 抹 面次数不宜过多 。 以免影响纤维 网对 抑 制塑性裂缝的作用 。纤维混凝 土养护无特殊要 求 ， 与普通混凝土养护方法和过程相同。 3工 程应 用实 例 南 昌国际体育 中心体育场高 5 1 8 5 m，地上六 层 整个场地平面呈环形 外环是直径为 2 9 2 6 m 的 圆 ， 周长 9 1 9 m， 内环是短轴 1 3 7 5 m、 长轴 1 9 4 5 m 的 椭圆 整个工程规模 巨大 ， 设总坐席数 5 7 1 9 5 ， 不设 伸缩缝 ， 施工难度大 ， 工期短。 针对 该 环 形 无 缝 超 长混 凝 土 结 构 对 温 度 收 缩 敏感 、 结构复杂洞 口多应力集中现象严重 、 对裂缝 控制要求高等特点 ， 在温度 收缩应力较大 区域采用 第四流水段 图 1 阻裂聚丙烯纤维混凝土带布置简图 了聚丙烯纤维混凝土 即沿体育场环向布置 8条阻 裂聚丙烯纤维混凝土带 ( 图 1 ) 。 实践表明， 聚丙烯纤 维混凝土对防止及抑制环形超长无缝结构温度收 缩等因素引起 的裂缝是有效 的， 提高了该类结构抗 裂和抗渗等性能。工程完工至今未发现因温度收缩 等引起的裂缝 ， 无渗漏现象。 4结 语 混凝土作为一种复合型脆性材料 ， 内部不可避 免地存在着微裂缝等 自身原始缺陷问题 ， 利用纤维 增强混凝土 ， 是改善混凝土 固有缺陷 、 提高混凝土 综合性能 、扩大混凝土结构应用范 围的有效途径。 工程实践表明 聚丙烯纤维混凝土对防止及抑制环 形超长无缝结 构温度 收缩等因素引起 的裂缝是极 有效 的 参考文献 ： 【 1 】 何 松华， 赵碧 华， 刘永 胜 纤维混凝 土技术 的研究新 进展 l J 1 商品混凝 土， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 4 9 - 5 1 【 2 王禄超 ， 盛 松涛 聚丙 烯纤维 混凝 土及其 有关 问题探 讨 【 J 四川 建筑科学研究， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 3 1 - 1 3 3 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 2 8 作者简介 ： 曹双梅 ( 1 9 6 8 一 ) ， 女 ， 副教授 。 通讯地址 ： 南 阳市工农路 2 9 1号 联系电话 ： 1 3 1 3 7 7 9 7 1 9 8 E ma i l ： c a o s m 1 2 6 c om 7 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m