合成纤维混凝土材料的发展与应用_周明耀.pdf

第 1卷第 4期2 00 3年 12月水利与建筑工程学报Journal of Water Resources and Architectural EngineeringVol.1 No.4Dec.,2003合成纤维混凝土材料的发展与应用周明耀1,2,杨鼎宜1,汪 洋1(1.扬州大学水利与建筑工程学院,江苏 扬州 225009;2.河海大学,江苏 南京 210089)摘要:本文介绍了国内外纤维增强混凝土的开发应用情况和目前几种常用合成纤维混凝土的基本性能,其中着重论述了聚丙烯纤维混凝土的技术特点。提出了这种混凝土新材料今后的研究方向,并对在渠道防渗工程中的应用前景进行了展望。关键词:合成纤维;粉煤灰;混凝土;渠道防渗中图分类号:TU59 文献标识码:A 文章编号:1672 1144(2003)04 0001 04Development and Application of Synthetic Fiber ConcreteZHOU Ming-yao1,2,YANG Ding-yi1,W ANG Yang2(1.Yangzhou University,Yangzhou,Jiangsu 225009,China;2.Hehai University,Nanjing,Jiangsu 210089,China)Abstract:This paper introduces the development and application of synthetic fiber reinforced concrete and thebasic properties of several kinds of it.It discusses the technique characters of polypropylene fiber concrete.Thefuture development of this synthetic fiber concrete is suggested,and the application of it in canal seepage controlis prospected.Keywords:synthetic fiber;fly ash;concrete;canal seepage control混凝土材料是当今世界上最大的人造材料,全世界水泥年产量已超过 15亿 t,我国到 1997年已经达到 5.1亿 t,为世界总产量的 1/3。据此推算,水泥基材料总量在案 60 70亿 t左右,这其中绝大部分为水泥混凝土材料。估计所消耗的主要资源为优质石灰石 15亿 t、沙石集料 40亿 m3、排放的 CO2达 12亿 t以上,还有其他有害气体和大量粉尘,严重污染环境。所以,世界各国都在努力依靠科技进步,大力节约能源资料,保护环境,寻求减少用量、延长寿命、增强功能、降低环境负荷压力的水泥混凝土材料可持续发展之路1。水泥混凝土合成纤维增强技术应运而生,成为近年来材料科学研究的热点问题。1 纤维增强混凝土材料的发展历程纤维增强混凝土自石棉水泥到 20世纪 50年代的玻璃纤维水泥混凝土(GRC),60年代的钢纤维水泥混凝土(SFRC),80年代的碳纤维水泥混凝土(CFRC),以至后来的纤维增强聚合物水泥混凝土,力学性能不断提高,用途不断扩大2。从材料发展史来看,复合化是材料发展的主要途径,其中玻璃纤维增强塑料是复合化的最新成就,二战以后发展迅猛。尽管高性能混凝土有诸如复合胶结料、复合胶结料细掺料、复合外加剂,但纤维增强在复合化中占有突出的地位。根据纤维弹性模量高低可将纤维混凝土分为低弹模纤维混凝土和高弹模纤维混凝土。低弹模纤维(有机纤维、尼龙、聚丙烯、聚乙烯等),只能提高混凝土的韧性、抗冲击性能、抗热爆性能等与韧性有关的物理性能。而高弹模纤维(钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等)则不仅能提高上述性能,还能使混凝土的抗拉强度和刚性有较大的提高。钢纤维是发展最早的一种纤维,1910年美国 Porter就提出把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化混凝土的设想,1963年以后,美国学者发表了一系列研究成果从理论上阐述了钢纤维混凝土的增强机理。我国在这方面的研究也早于其他几种纤维。玻璃纤维已用于铺设混凝土路面,但因为玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时收稿日期:2003-07-01基金项目:水利部水利科技开发基金项目(97053)、江苏省水利科技重点项目(2002110)作者简介:周明耀(1958 ),男(汉族),江苏阜宁人,博士,教授,主要从事节水灌溉理论及工程技术研究工作。间以后,其强度和韧性均会大幅度下降,且耐碱性不过关,所以现在多数只限于结构加固。碳纤维作为高性能纤维,自上世纪末 60年代研制出来后,即用于混凝土增强,虽然碳纤维混凝土性能优越,但由于碳纤维生产成本较高,应用受到了一定的限制。60多年前,国际上就对高分子改性混凝土进行了研究,直到近几年才被广泛应用3。目前,应用最为广泛的是合成纤维增强混凝土,合成的聚合纤维来源于有机聚合物,通常所用的聚合物纤维有聚丙烯、尼龙(酰胺纤维)、聚脂和聚乙烯等,聚丙烯(PE)纤维、高强模聚丙烯醇(PVA)纤维、芳香聚酰胺(Kevlar)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、纤维素纤维(Cellulos)、聚丙烯(PP)纤维.这些聚合纤维弹性模量均较低,属于低弹模纤维4。近年来,作为高弹模聚乙烯醇纤维(PVA)开始用于混凝土增强,这种纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度,其加入混凝土后的性能研究正处于起步阶段5。2 聚合物纤维混凝土研究及应用现状2.1 尼龙纤维混凝土尼龙纤维混凝土是最早用于水泥及混凝土的聚合物纤维之一,价格相对较高,应用受到一定限制。当混凝土中掺入少量尼龙纤维(0.052%)时,可使混凝土基体获得显著的非结构性能增强效果,大大减少混凝土塑性收缩裂缝,混凝土的抗冲击性能得到改善。当掺量提高到 0.26%时,混凝土抗冲击性能可大大增加6。尼龙纤维可提高混凝土的抗冻性,抑制混凝土的能量损失、试件外观也得到改善。2.2 聚乙烯增强混凝土聚乙烯纤维因其弹性模量低,至今还很少用于水泥复合材料,对其研究较少。只有少部分人对聚乙烯纤维混凝土板进行冲击试验研究7,研究结果表明掺入定量聚乙烯纤维的混凝土,其断裂能量值提高明显。目前问题的关键是研制出弹性模量较高的聚乙烯纤维。这种价格低廉的纤维在水泥复合材料的领域中将具有很大的发展潜力。2.3 高弹性模量聚乙烯醇纤维(PVA)混凝土研究结果表明,纤维增强混凝土的抗拉强度在一个较大的体积掺量范围(0.05%0.3%)内比同等条件下的素混凝土有所提高。强度提高的程度受纤维规格、混凝土规格、搅拌工艺、养护条件等因素的变化而变化,一般情况纤维的长细比越大,强度越小5。2.4 聚丙烯纤维增强混凝土从近年来的研究资料可知,聚丙烯纤维增强混凝土是目前研究最多应用最广泛的纤维增强混凝土材料。国内外的研究集中在对纤维混凝土物理、力学性能的研究,涉及抗压、抗弯、韧性、抗渗性,热稳定性及收缩性和施工性能等。研究结果表明,随着纤维体积率的增加(0%15%),纤维混凝土的抗压强度变化不大,抗折强度则提高了 12%26%,韧性也随之增加8 10。国外除了对聚丙烯纤维混凝土进行以上基本研究外,还对纤维混凝土梁进行了抗剪试验,试验结果发现:与素混凝土梁相比,抗剪强度、刚度(特别是在第一开裂期后)和韧性均有提高。而不同纤维含量和不同支撑条件下的聚丙烯纤维混凝土板,其抗冲击性能随着纤维含量的增加逐渐提高,自振周期并无大的变化11。现就聚丙烯及聚丙烯纤维增强混凝土的特性作以详细说明。近年来,在美国、英国、日本和西欧等地,纤维混凝土的应用规模逐渐扩大,聚丙烯纤维混凝土最初是于 20世纪末 80年代初期用于美国的军事工程中,而后很快发展到民用工程12。此前,主要是在板式结构中采用,如房建中的地坪、高速公路扶栏、铁路枕木、桥梁桩基、高楼建筑、地下建筑、水库、水坝、河流建筑、海底输油管道的增加水泥涂层、地下室底板和墙、路面、桥梁铺装层、机场路道、停机坪等。在水利工程中,美国已在坝区、灌溉渠道衬砌、边坡防护等工程中应用。随着聚丙烯纤维防静电改性生产工艺的国产化水平不断提高,目前国内厂家已能生产用于混凝土的特种聚丙烯短纤维,这为我国推广应用纤维混凝土提供了先决条件。宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程13。黑龙江木兰县香磨山灌区采用聚丙烯防水砂浆制作薄壁 U形槽,降低了成本且重量减轻,便于安装。庆安县和平灌区在大型渠道衬砌中,所采用纤维混凝土防护层只有 3 cm,横向分缝间距增至3 4m。做到了薄而不弱,遭受外力破坏时裂而不碎,有效地延长了使用寿命14。吉林省纺织工业设计研究院研制开发的混凝土聚丙烯短纤维用于薄板混凝土渠道防渗工程,同样取得了良好的效果15。广西结合达开水库灌区渠道防渗工程,对聚合物纤维混凝土拌和工艺及主要性能进行了试验研究,并将研究成果应用于该工程的填方渠道防渗衬砌中,在不增加工程投资情况下,渠道防渗混凝土的抗裂能力和抗渗能力显著提高,经济效益明显16。2水利与建筑工程学报第 1卷3 聚丙烯混凝土的特性3.1聚丙烯材料特性聚丙烯原材料从单体 C3H6而得,是一种高分子碳氢化合物。它的化学稳定性好,和大多数化学物质不发生作用,具有较高的能量吸收能力,拉伸方向强度高;表面疏水,具有 100%的湿强保持率,不会被水泥浆浸湿;具有热粘、易燃性,致使聚丙烯混凝土的耐火性降低;目前用于混凝土的国产聚丙烯纤维通常都是经过特殊配方和生产工艺加工而成的改性材料,这种材料的防静电和物理力学性能比以往聚丙烯纤维均有所改善。目前国内生产的聚丙烯纤维的性能一般为:无吸水;比重 0.9 t/m3;熔点 160 170;燃点 590;纤维长度 12 15 mm;弹性模量 大于 0.30.35MPa,抗 拉强 度可 达 300600M Pa;导热、导电性低;抗酸碱性高。3.2 聚丙烯纤维应用方式聚丙烯纤维应用于混凝土生产中主要方式有:(1)所用纤维为短纤维,水利工程用量一般在0.6 1.2 kg/m3,纤维长短视不同用途而定,水利工程通常较多使用的是短纤维,纤维长度在 816mm。短纤维的目的在于改善纤维在水泥中的分散性,通过传递应力吸收高能量而有效地抗击冲击力和控制裂缝。纤维含量及类型对加工敏感性的关系:Ln(t)=A+B%式中:A为与基质组分有关的系数;B为敏感性系数,与所用纤维有关;t 为水泥混凝土流动到一定的参数线的时间。(2)将短纤维制成铺网或机织物。(3)纤维异形化技术,即制成 V形或 Y形纤维截面或带钩形纤维形态和 PP纤维原纤化技术以增加纤维与增强基质的接触表面和物理接触力。(4)涂层性技术。通过用有机或无机化合物处理或涂层纤维来提高纤维与基质材料的粘结力,改善纤维在混合过程中的可分散性。如用硅氧烷处理 PP纤维后,水泥混凝土的抗冲击性从 70 cm提高到 120 cm。剪切强度从 110 kg/cm2提高到 170 kg/cm2。用 0.03%的C8C18烷基磷酸碱金属盐处理 PP纤维后,可分散性大大提高,制品的挠曲强度达 194 kg/cm2,而未处理的为 133 kg/cm2,也可用 1.65%马来酸处理 PP纤维。SiCl4改性 PP纤维,或通过共聚、接技引入有机乙烯醇4:H(CH CH2)mRnH|OH其中:m一般为 200 500,400为最宜;n为 200 500,300为最佳,通常控制 m+n在 700左右。3.3 添加聚丙烯的作用及聚丙烯混凝土的特性(1)添加聚丙烯纤维的水泥混凝土,由于纤维在水泥浆料内部各个方向上的随机均匀分布,对材料整体产生微加筋作用,从而可以在混凝土的早期抑制塑性变形和收缩裂缝的形成,改变了混凝土的性能。更重要的是通过固化过程形成的应力达到防止水泥固化过程中裂缝的形成和扩散,使裂缝变细。使聚丙烯纤维在板式结构中作为次要加强筋而得到最广泛的应用。(2)改善混凝土的变形特性和韧性,提高混凝土的极限抗伸率,在混凝土初裂后仍有一定的承载能力,实质上是对外荷载量的吸收能力和混凝土变形性能的改善,还可以提高混凝土的抗破碎性。(3)加入聚丙烯纤维,虽并不能提高混凝土的静力强度,由于韧性改善抗冲击能力和抗磨损能力均可以得到提高。(4)提高了混凝土耐久性。由于聚丙烯纤维混凝土能减少裂缝,使裂缝细化,故可使混凝土的抗渗能力得到较大提高,从而提高混凝土的抗冻融能力,聚丙烯纤维混凝土能显著减少海水等侵蚀性环境对钢筋的锈蚀作用,在国外已是一个公认的事实17。(5)聚丙烯纤维混凝土的施工与常规混凝土基本相同,但聚丙烯纤维混凝土在相同配合比下,坍落度比普通混凝土低 30%左右,但泌水速度降低,振捣和收缩作业应适当加强。4 聚丙烯混凝土防渗材料研究及应用展望聚合物纤维与其它几种纤维相比具有低廉的价格,这使它具有良好的发展前景,而其中又以聚丙烯纤维最有发展前途,所以关于聚丙烯混凝土的研究应该受到特别的关注。4.1 应用基础研究内容在混凝土应用中,聚丙烯纤维对许多性能都有相应的增强影响,以下几个方面应优先考虑:(1)不同含量 PP纤维对水泥混凝土力学和流变性能的影响;(2)纤维含量和湿度条件对材料挠曲性能的影响;(3)纤维含量和湿度对压强、抗张强力、剪切强力、延展性、韧性、耐抗性、硬度和吸收性的影响;(4)纤维方置方法、纤维的最佳长径比与第一裂缝、最终拉张强力的关系;(5)纤维尺寸、纤维含量、纤维类型对水泥混凝土第一裂缝应力、最终强度及弹性模量的影响;(6)纤维含量和纤维聚集态与剪切强度、韧性指数的关系;(7)随时间和基质性能变化对纤3第 4期周明耀等:合成纤维混凝土材料的发展与应用维增强水泥的测定及耐久性的影响。4.2 应用研究内容(1)开发研制性能更佳的聚丙烯纤维,提高纤维的弹性模量及抗老化性能,降低造价。(2)加强聚丙烯纤维增强混凝土微观结构与宏观力学性能关系研究。到目前为止,对合成纤维混凝土的增强、增韧机理的论述基本上都是质的假定和理论分析,而宏观性能是微观结构的外在表现。加强这方面的研究,准确把握这两者之间的量化关系,可极大地发展聚合物纤维的增强、增韧机理理论。(3)开展试件、构件试验,深入了解合成纤维的物理性能以及构件在各类荷载作用下的表现,为合成纤维混凝土结构的设计提供依据。(4)有选择地进行施工现场试验,掌握施工性能指标,如配合比、搅拌方式与时间控制、坍落度损失等,提出合成纤维增强混凝土的施工工艺。(5)开展聚丙烯纤维粉煤灰混凝土防渗材料的试验研究。寻求成本低、抗压、抗折、抗冻,具有耐久性,对环境好的新型防渗材料,降低防渗工程投资,提高工程使用寿命。促进灌区节水工程技术措施的推广应用,加快灌区改造更新和现代化建设的步伐。(6)加强聚丙烯纤维混凝土材料在防渗工程中应用研究,加快制定相关规范、规程,完善现有设计。4.3 应用展望渠道防渗工程技术,是节水灌溉各个环节中的重要一环。近 10多年来,我国防渗渠道建设发展很快,为农业的节水灌溉发挥了巨大的作用。到目前为止,全国已建防渗衬砌渠道总长近 60万 km,仅占渠道总长的 1/5。在经济发达的江苏省,虽然已建防渗渠道 2.0万多 km,但也仅占渠道总长的 10%。到2010年尚有 19万 km长的渠道需要进行防渗处理。预计所需混凝土工程量将达到 8000万 m3,仅混凝土材料耗资就高达 200亿元。这些工程在发挥显著节水增效作用的同时,也耗费了巨大的工程建设投资。所以,未来灌区节水改造的任务十分艰巨。以往采用的水泥混凝土常常会出现不同程度的裂缝,尤其是填方渠道,裂缝的产生不仅加大了渠道的渗漏损失,降低了工程效益,而且使混凝土的耐久性降低,从而影响工程的使用寿命。采用合成纤维混凝土防渗材料,由于合成纤维混凝土抗拉强度提高,渠道防渗混凝土厚度可以适当减少,节省的工程投资与合成纤维混凝土增加的费用基本上可以抵消。因此,在不增加工程投资的情况下,混凝土抗裂能力和抗渗能力明显提高,从而提高工程的效益和使用寿命,其经济效益显著。所以在渠道防渗中具有非常好的推广应用前景,对加速我国节水农业的建设速度意义重大。参考文献:1蒋家奋,曹永康.展望 21世纪混凝土科学技术 J.混凝土与水泥制品,2000(1):6 7.2吴中伟.纤维增强 水泥基本材料的未来 J.混凝土与水泥制品,1999(1):5-6.3Ohama,Yoshihiko.,Proc.Beijing.Int.symp.Cem.Concre.,3rd,1993,2:18 23.4何 元,廖宪延,王依民.聚丙烯(PP)纤维在水泥混凝土 中的应用 J.合成技术及应用,1998,13(4):3639.5袁 勇,邵晓芸.合成纤维增强混凝土的发展前景 J.混凝土,2000(9):3 7.6李俊毅,陈家华.尼龙纤维增强混凝土的试验研究 J.混凝土与水泥制品,1998(5).7 K.C.G.Ong M.,Baskeerkhan,P.Paramasivam.Resistance offibreCocerefe slabe tolow velocityprojectileimpactJ.Cement and Concrete composites,1999(21):391 401.8孙家瑛.聚丙烯纤维对高性能混凝土抗折强度、抗冲性影响研究 J.混凝土,1999(3).9戴建国,黄承达.网状聚丙烯纤维混凝土的试验研究J.混凝土与水泥制品,1999(4).10孙家瑛,陈建祥,吴初航,等.硅灰对水泥基 PP纤维复合材料使用性能的影响 J.建筑材料学报,2000(1):80 83.11G.D.Manolis,P.J.Gareis,A.D.Tsones,et al.Dynanic properties of polypropvlen 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