聚丙烯纤维预应力混凝土管的研发.pdf

2 0 1 0年第 2期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 0 1 0 N0 2 Ap ril 聚丙烯纤维预应力混凝土管的研发 倪 志权 ， 倪靖珂 ， 谈永泉 ( 1 浙江巨龙管业股份有限公司， 金华 3 2 1 0 2 5 ； 2 苏州混凝土水泥制 品研究 院， 2 1 5 0 0 4 ) 摘要 ： 聚丙烯纤维混凝土能改善混凝土性能 ， 增强混凝土 的韧性 和抗冲击能力 ， 提 高混凝土的抗压 、 抗折 、 抗拉强度 和抗 渗 性 。采用掺聚丙烯合成纤维生产预应力混凝土管 ， 可提高管材 的抗渗和抗裂性能 ， 同时减少管 内壁 的早期干缩裂缝。 关键词 ： 聚丙烯纤维 ； 预应力混凝土管 ； 抗渗 ； 抗裂 中图分类号 ： T U5 2 5 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 0) 0 2 - 4 2 0 2 O前 言 聚丙烯纤维混凝土 目前 已在桥梁 、地铁 、机场跑 道 、 高等级公路 、 水 利工程 、 军工 工程等工业 与民用建 筑以及建筑预制构件中广泛应用 ，其 目的是在普通混 凝土中掺入一定量的聚丙烯纤 维 ，使其均匀分布于混 凝 土 中， 利用纤维 的拉应 力 ， 改善混 凝土 的性 能 ， 从而 提高混凝土 的韧性和抗冲击能力 ，提高混凝土 的抗压 强度 、 抗折强度 、 抗拉强度 和抗渗性 。 我们在聚丙烯纤 维混凝土性 能研究 的基础 上 ， 对 聚丙烯合成纤维在预应力混凝 土管 中的应用进行 了研 发 ，并将成型的预应力混凝土管后期干缩裂缝和管材 的抗 渗 、 抗裂性能进行检测 、 试验对 比情况予 以介 绍 ， 旨在抛砖引玉 ， 开拓行业 内对传统产品创新 的思路 。 1 聚丙烯纤维混凝土原材料、 掺量 、 配合 比的选用 1 1 聚丙烯纤维 的选用 聚丙烯合成 纤维质 量和性 能应符 合 G B 厂 r 2 1 1 2 0 2 0 0 7 ( 水泥混凝土和砂浆用合成纤维 的要求， 选用绍 兴某公 司生产的单丝细纤维 ， 其主要性能见表 1 。 表 1 聚丙烯合成纤维 的主要性能指标 1 2 聚丙烯 纤维掺量 的优选 从合 成纤维 的材料性能来 看 ，由于其耐碱性 以及 物理性的增韧和增强 ，只要添加合成纤维必然会不 同 程度地解 决混凝土脆性的先天 缺陷 ，一般来说对混凝 土是有益而无害 的。但 从设计 、施工和经济角度来考 虑 ， 必须要有个量化的指标 。因此 ， 我们分别选用 了每 m 混 凝 土 聚 丙 烯 单 丝 细 纤 维 掺 量 为 8 0 0 g 、 1 0 0 0 g 、 1 2 0 0 g 三种进行抗 压强度 、 抗折强度 、 抗拉 强度和抗渗 性 等项指标试验检测 ， 并通过工艺操作 的验证 ， 优选 了 掺量为 1 0 0 0 m 进行管材的应 用试验 。 一 4 2 1 - 3 混凝土 的原材料优选 水泥 ： 浙江产 ， P O 4 2 5级 。 砂 ： 兰溪产天然河砂 ， 含 泥量 1 - 1 2 ， 细度模数 2 3 -3 1 。 石 ： 兰溪河卵石加工 的碎石 ， 最大粒径 2 0 m m。 外加剂 ： 江山产 Z D脂肪族高效减水剂。 水 ： 符合 J G J 6 3 混凝土用水 标准 的天然水 。 聚丙烯纤维 ： 绍兴某公 司产单丝 聚丙烯合成纤维 ， 技术参数见表 1 。 1 4 混凝土配合 比设计的优选 对离心 工艺的预应力 混凝土 管( 三 阶段 管) ， 所需 的混凝土根据其 工艺要求和抗渗性要求进行配合 比设 计 ， 并 通过试验验 证 ， 最后 优选 的配 比为 ： 水泥： 水 ： 砂 ： 石 ： 减水 剂： 纤 维= 1 ： 0 3 9 ： 1 2 2 ： 1 7 6 ： 0 0 1 5 ： 0 0 0 1 8 ， 对 应 的 材料用量为水 泥 5 5 1 k m ， 水 2 1 5 k m ， 砂 6 7 4 k m 。 ， 石 9 7 0 k m 。 ， 减水剂 8 3 k 咖 。 ， 纤维 1 0 k m 。 ， 坍落度 5 0 6 0 mm。 1 5 聚丙烯纤维预应力混凝土管成本测算 采用钢丝纤维混凝土 固然有较多优越性 ，但成本 较高 。聚丙烯单 丝纤维现行市场价格 为 1 8 - 2 0元 k g ， 按每 m 混凝土掺人量 l k g 计算 ，如 0 6 0 0 x 5 0 0 0 m m预 应 力混凝 土管 ， 管 芯混凝土 体积为 0 5 3 7 m ， 纤维 掺入 量为 0 5 4 k g ， 增加成本 为 2 0元x 0 5 4 = 1 0 8 0元 ， 管 子市 场销售价 为 1 2 5 0元 根 ， 增加成本仅 占销售价的 0 8 。 2聚丙烯纤维预应力混凝土 管工艺条件及控制 2 1 试件 的工况条件 6 0 0 x 5 0 0 0 m m 的预应 力混 凝土管( 管 芯缠丝 工 艺 ) ，设 计 工作 压力 P w = 0 8 MP a ，管 项覆 土 深度 H= 2 0 m， 管壁厚度 为 4 3 mm， 混凝土设计强度等级 C 4 0 ， 砂 浆保护层净厚度为 2 0 m m， 砂浆设计强度4 5 MP a ， 采用 4 m m预应 力冷 拉钢 丝 ， 环 向螺距 2 8 6 m m， 钢 丝 的标 准 强度 为 1 5 7 0 MP a ，环 向预应 力钢 丝 的控 制应 力 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 倪志权 ， 倪靖珂， 谈永泉 聚丙烯纤维预应力混凝土管的研发 0 7 5 c r o o n 。 2 2 混凝土搅拌 聚丙烯纤 维混凝 土的搅拌是关键工序 ，必须搅拌 均匀 ， 使纤维 均匀地 分布于混凝土拌和物 中。 采用强制 式搅拌 机 ，投料顺序 为胶凝 材料一 细骨料一粗 骨料一 纤维 ， 开启搅拌机使 其搅拌 均匀 ， 加入纤维 时不 能一次 性 加入 ， 应 分次加 入 ， 干 拌时 间 9 0 s ， 然 后加水 和 高效 减水剂进行湿拌 ， 湿拌 时间 1 5 0 s 。 2 3 生产工艺控制 制造工艺 与普通 预应力 混凝 土管基本相 同 ，管 芯 制作采用分次投料 ， 经慢速 、 中速 、 高速三个 阶段离 心 ， 蒸汽养护分静停 、 升温 、 恒温 、 降温四个 阶段 ， 恒温时 间 为 4 5 h ， 总养护时 间 6 h ， 恒温 温度 为 8 5 +_ 5 ， 管芯混凝 土强度达到 7 0 以上时进行环 向钢丝缠绕 ，再经过 内 水 压抗渗检验 ， 喷射砂浆保护层成 型。 3检测验证 3 1 聚丙烯纤维混凝土 的检测 混凝 土 的抗 压 、抗 拉 强度 采用 1 5 0 m mx 1 5 0 m mx 1 5 0 m m试件 ， 抗折强度 采用 5 5 0 m mx 1 5 0 m mx 1 5 0 m m试 件 ，抗 渗 性 能 试 件 采 用( 01 8 5 0 1 7 5 ) x l 5 0 m m， 按 G B 5 0 0 8 0 2 0 0 2 、 G B 5 0 0 8 1 2 0 0 2要求 成型 ， 标 准养护 后 委托第三方检测 机构进 行检测 ， 检测结果见 表 2 、 图 1 、 表 2混凝 土性 能测试结果 凸_ 岂 黑 出 图 1 不同纤维掺量混凝土抗压强度 比较 图 2 不 同纤维 掺量 混凝土抗折 、 抗拉强度 比较 图2 ( 未考虑工艺系数 ) 。 测试 结果表 明：聚丙 烯纤维 掺入量 为 1 2 k g m 。 与 未 掺 的 普 通 混 凝 土 性 能 比较 ， 2 8 d抗 压 强 度 提 高 1 4 9 ， 2 8 d抗 折 强 度 提 高 3 5 7 ， 2 8 d抗 拉 强度 提 高 3 5 1 ， 抗渗 等级达到 P 8 。 3 2 聚丙烯纤维预应力混凝 土管的检测 试 验样 品规 格 为 6 0 0 x 5 0 0 0 mm，设 计工 作 压力 P w = 0 8 MP a ，管 项覆 土深 度 H = 2 0 m 的预应 力混 凝土 管 ， 根据 G B 5 6 9 6 2 0 0 6 ( 预应力混凝土管 标 准要求 ， 抗 渗检验压力为 1 2 MP a ， 抗裂性 能检验压力 为 1 5 2 MP a 。 样品委托第 三方检测机构进行检测 。 检测结 果 ： 掺和未掺聚丙烯纤维预应力混凝 土管 ， 分别 抽取 6根管做 内水压 抗渗检验全部 合格 ；分别抽 取 2 根作 内水压抗裂性 能检验 ，未掺 聚丙烯纤 维 的普 通 预应 力混凝 土管在 1 5 2 MP a 抗 裂 检验 压力 下 ， 1 根 管承 口端开 裂 ，出现长 3 0 0 ram的纵 向裂缝 一处 ； 2根 掺 聚丙烯纤维 的预应力混凝土管 “ 管子在抗裂 检验 内 压 1 5 2 MP a 压力 下 ，恒压 3 m i n ， 2根管均无 开裂” ， “ 继 续加压 至 1 7 5 MP a 时 ， 一 根管承 口 端 开裂 ，出现长 4 0 0 m m 的纵 向裂 缝一处 ” ，且 检验过程 中无 渗漏现 象 ， 检测 结 果表 明 ， 预应力 混凝 土 管在掺入 聚丙烯纤维 l k g m 时 ， 内 压 抗 裂由1 5 2 M P a 提高 到 1 7 5 MP a ， 提 高 了 1 5 1 ， 有 其 明显 的效果 。同时通 过露天存 放 4 0多 天后观察 ， 内壁 收缩可见裂缝 比普 通预应力混凝土管 明显减少 。 4结 语 ( 1 ) 在混凝土 中掺入 聚丙烯纤 维 ， 解决 了普通混凝 土 的脆性 ， 增强 了混凝 土的韧性 和抗 冲击能力 ， 提高 了 抗压强度 、 抗折强度 、 抗拉强度 和抗 渗性能。 ( 2 ) 掺人聚 丙烯纤维 的预应 力混凝 土管 能提高管 材 的抗渗性 ， 提高 内水压抗裂性 能。 ( 3 ) 掺 入聚 丙烯纤维 的预应 力混凝 土管 内壁收缩 可见裂缝减少 ， 提高 了管材 的耐久性 。 ( 4 ) 聚丙烯纤 维预应 力混凝 土管 在离心工 艺过程 中， 由于纤维质量 比混凝土轻 ， 会 出现飘浮结 团。 因此 ， 更适合 于预应力一 阶段管 、 P C C P E等立式振 动工艺生 产的管材及砂浆保护层 的应用 。掺 聚丙烯纤维生产预 应力混凝土管工艺简单 ， 成本较低 ， 效果 明显 。 收稿 日期 ： 2 01 0 0 2 2 5 作者简 介 ： 倪 志权 ( 1 9 5 5 6 一) ， 男 ， 高级工程师 。 通讯地址 ： 浙 江省金 华市婺城新区临江工业园区 联 系电话 ： 1 3 8 0 6 7 8 0 5 8 5 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m