聚丙烯纖維混凝土的性能及應(yīng)用

聚丙烯纖維混凝土的性能及應(yīng)用

1其他傳統(tǒng)金屬纖維作為混凝土的重筋，纖維可以與以水泥為基礎(chǔ)的混合材料混合，以增強或改善普通混凝土的一些特征。20世紀80年代以來隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,大批的合成纖維紛紛出現(xiàn),它們即能起到傳統(tǒng)金屬纖維增強混凝土韌性和抗疲勞性的作用,同時又有著經(jīng)濟、施工簡單、耐腐蝕的特點,使得它們特別適合應(yīng)用于既暴露在外又受到反復(fù)荷載沖擊作用的路面、橋面等處。探討其中十分典型的聚丙烯纖維混凝土(PolypropyleneFiberReinforcedConcrete;以下簡稱PFRC)的研究,同時介紹了其在橋梁伸縮縫及橋面連續(xù)處的應(yīng)用實例。2pfc特性2.1低彈纖維材料聚丙烯纖維是一種典型的聚烯烴類結(jié)晶聚合物,分為單絲和網(wǎng)狀,其物理、化學(xué)性能基本相同,其物化特征見表1。與傳統(tǒng)的鋼纖維相比較,它耐腐蝕、無磁性,施工簡便易行且價格便宜。與碳纖維、石棉纖維、玻璃相比,后者屬于高彈纖維(Ff/Ec>1),其中碳纖維性能全面勝過鋼材,但是價格昂貴,而石棉和玻璃纖維對環(huán)境有一定污染。低彈纖維(Ff/Ec≤1),如聚丙烯、尼龍,其價格低、強度大,無污染,近年來發(fā)展較快,其中聚丙烯的性價比、加工工藝等相對又較尼龍等纖維有一定的優(yōu)勢。與混凝土比較,其容重約為混凝土的0.004倍,彈性摸量約為0.05～0.15倍?？估瓘姸燃s為100倍?？梢钥闯鼍郾├w維是一種高強低彈的材料,若混凝土發(fā)生變形,則在纖維發(fā)生較大的約束應(yīng)力前,混凝土即已破裂。即摻入聚丙烯不會顯著提高混凝土的抗拉強度和抗壓強度。試驗表明聚丙烯纖維與混凝土之間有足夠的握裹,這樣,纖維雖不能阻止裂縫的產(chǎn)生,卻可以抑制裂縫的進一步發(fā)展。試驗和經(jīng)驗已證明摻入適量聚丙烯的混凝土的一些方面的性能得到明顯改善。2.2混凝土試驗結(jié)果分析(1)聚丙烯纖抑制混凝土塑性收縮龜裂。從微觀的角度來看,任何密實的混凝土都存在微裂縫?；炷恋挠不湛s率在8×10-4左右,而微裂縫的出現(xiàn)一般被認為是由于混凝土的硬化收縮而引起的。部分肉眼不可見的裂縫在外荷及形變應(yīng)力的影響下會從無到有,從小到大,逐漸形成可見的細裂縫(寬度達到0.05mm)。這一收縮龜裂的過程,約在3～7d齡期內(nèi)完成。日本土木學(xué)會的研究表明通常隨初裂荷載而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力因配合比不同,約為幾個兆帕,則理論上在混凝土尚未完全固結(jié)的3～7d內(nèi)產(chǎn)生裂縫的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)該小于產(chǎn)生初裂荷載時的內(nèi)部應(yīng)力。而對于抗拉強度600MPa左右的聚丙烯纖維來說是完全可以抵抗這一應(yīng)力的。網(wǎng)狀聚丙烯纖維若以0.9kg/m3摻入混凝土后,經(jīng)攪拌會有700萬根/m3(7根/cm3)的網(wǎng)線亂向分布于各相(砂、石、水泥膠體)中,從而達到足夠的分布程度。綜合起來,足夠的強度和分布程度使得摻入聚丙烯纖維可以抑制裂縫發(fā)展。由于減少裂縫和空洞結(jié)構(gòu),使得混凝土獲得了以下性能的改善。①裂縫的減少和聚丙烯纖維相對較低的彈性模量使混凝土可以從脆性變成具有一定的韌性的材料,從而具有更強的抗沖擊能力。數(shù)據(jù)表明(見表2),摻有聚丙烯纖維的混凝土試件的抗沖擊次數(shù)較不摻纖維的成倍提高,并隨著纖維摻量的增加而增加,這一性能對于受反復(fù)沖擊作用的路面,橋面是十分有利的。②提高了混凝土的抗?jié)B性。長安大學(xué)公路工程檢測中心得到的試驗結(jié)果,纖維混凝土比普通混凝土提高2個抗?jié)B標(biāo)號。東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院得到的試驗結(jié)果,干混凝土吸水率比普通混凝土減少23.95%。③提高了混凝土的抗凍性。一方面是由于混凝土滲透水降低而減少了混凝土內(nèi)部水分,另一方面,由于加入纖維后,可以緩解溫度變化引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用,從而提高了混凝土的抗凍性。東北林業(yè)大學(xué)與黑龍江省水科的合作,按混凝土抗凍試驗法,經(jīng)25次凍融循環(huán),PFRC無龜裂現(xiàn)象產(chǎn)生,經(jīng)100次循環(huán)后強度符合要求。④防止鋼筋腐蝕?；炷了苄援a(chǎn)生的裂縫使鋼筋直接接觸潮濕的氯化物、空氣而生銹,纖維的摻入減少了這一病害。(2)聚丙烯纖維改善混凝土的抗疲勞特性。混凝土摻入聚丙烯纖維后,其靜力彈性模量低于普通混凝土,聚丙烯纖維網(wǎng)摻量0.9kg/m3時,試驗得到了混凝土理論抗疲勞壽命結(jié)果(見表3)。這說明纖維網(wǎng)混凝土在動力荷載作用下具有優(yōu)良的抗彎曲疲勞性能。(3)聚丙烯摻量影響PFRC的強度。廣東工業(yè)大學(xué)朱江對纖維體積摻率Vf=0‰～1.2‰的40個立方體抗壓強度試驗數(shù)據(jù)分析后得到,當(dāng)纖維的體積摻率在0.5‰～1.0‰范圍內(nèi)時,PFRC抗壓強度只平均增大5.3%,當(dāng)Vf>1‰時,則力學(xué)性能普遍低于普通混凝土。這與鋼纖維混凝土(SFRC)的隨纖維摻量增大而強度增大的性能是不同的。而我們在對比試驗中發(fā)現(xiàn),摻量在Vf=1‰的試件的強度普遍比素混凝土試件降低,但是如果延長振搗時間,則強度有所提高,對比試驗結(jié)果見表4。水泥混凝土聚丙烯纖維的摻入不能提高混凝土的強度可歸結(jié)為以下三個方面的原因。(1)纖維使混凝土增稠,流動度降低。在與普通混凝土同樣的振搗條件下,影響混凝土的密實度。(2)聚丙烯纖維的不親水性,使其在摻入混凝土后引入了疊加的纖維—基材界面。對強度產(chǎn)生不利影響,且骨料粒徑愈接近纖維長度,纖維與基材間界面作用越明顯。(3)聚丙烯纖維較低的彈性模量。當(dāng)然,聚丙烯纖維在混凝土中也有一定的阻裂和傳遞荷載的能力,對混凝土的強度也有有利的一面。我們能夠看到纖維混凝土的抗折強度比素混凝土提高10%～16%。3pftc的使用3.1錨定的伸縮縫先簡支后連續(xù)施工的梁橋,梁端在連續(xù)處受到彎矩作用,即使配筋足夠,裂縫也是不可避免的,裂縫意味著可能要受到水浸,凍融及車輛沖擊的影響。伸縮縫是橋面系設(shè)置的重要結(jié)構(gòu)物。此處錨定伸縮縫的混凝土受到復(fù)雜應(yīng)力的作用,常常發(fā)生錨固混凝土啃邊、掉角、凹坑、碎裂、錨固松動等病害,并先于其他橋面結(jié)構(gòu)破壞。橋面連續(xù)及伸縮縫處面臨的問題使得該處的混凝土在有足夠的強度之外,還要具有堅韌而抗沖擊、抗?jié)B、耐凍融、抗疲勞等特性才能使伸縮縫牢固錨定,消除或減少橋面連續(xù)處的裂縫。黑龍江省地處高寒地區(qū),近年已在多座橋梁上發(fā)現(xiàn)上述動力結(jié)合冰凍引起的病害。3.2烯纖維混凝土在正行橋工程中的應(yīng)用由于PFRC在解決問題上有著應(yīng)用推廣價值,2001年在黑龍江省交通廳組織下,東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院在佳木斯思邈立交橋上開展了“鋼纖維混凝土與聚餅烯纖維混凝土應(yīng)用于橋面連續(xù)與伸縮縫”的應(yīng)用研究。思邈立交橋為鶴大公路佳木斯到七臺河段跨線立交橋,全橋采用先簡支后連續(xù)施工工藝,橋面連續(xù)沿橋長方向配單層直徑32mm加強筋,澆鑄混凝土厚度15cm,帶結(jié)構(gòu)筋。伸縮縫采用毛勒C-80型鋼伸縮縫,沿橋?qū)挿较蛴射摻铄^固于橋面混凝土,錨固長度達到每邊50cm。我們在其中的兩道連續(xù)及四道伸縮縫采用了PFRC,在三道連續(xù)與三道伸縮縫處采用了SFRC。工后觀察效果良好,有待于進一步的交通與凍融考驗。4施工用聚丙烯纖維(1)PFRC配合比設(shè)計。配合比的確定是依據(jù)設(shè)計的要求的強度和耐久性,以及施工的要求的工作性。通過配合比試驗優(yōu)選經(jīng)濟指標(biāo)而得到。本試驗要求配制C40及C50混凝土各一種,施工坍落度大于3cm。經(jīng)過20余組試件的試驗,確定了如表5的施工配合比。其砂率控制在45%～47%,水灰比以混凝土坍落度控制,FDN摻量為水泥量的1%;纖維摻定除5號為Vf=1.1‰外,其余為1‰。(2)PFRC比SFRC施工更簡便。從拌制過程來看,聚丙烯纖維直接投入攪拌釜內(nèi),不須像鋼纖維一樣采用人工或機械先進行分散。而本次所用網(wǎng)狀聚丙烯纖維,原始狀態(tài)為短束,干料拌制1～2min后即可投入水泥。正常濕拌3min或延長時間都不會出現(xiàn)結(jié)團現(xiàn)象,這說明網(wǎng)狀纖維的纖度較單絲纖維小,更易分散。施工過程中PFRC比普通混凝土和易性更好,聚丙烯的摻入對混凝土的其他工作特性影響不大,其流動性稍有降低,但依然能正常振搗,整平與壓光的過程與普通混凝土完全相同。(3)振搗時間的延長對提高PFRC的性能有利。(4)振搗棒與平板振搗器結(jié)合使用效果好。振搗棒適于橋面連續(xù)及伸縮縫處密布鋼筋的情況。而平板振搗器對于摻加高效減水劑的混凝土的提漿有利。5抗折強度的降低(1)PFRC有著優(yōu)越的技術(shù)、經(jīng)濟性能,是解決橋面連續(xù)與伸縮縫處病害的有效方法。值得推廣應(yīng)用。(2)對于聚丙烯纖維的摻入使混凝土抗壓強度及抗折強度降低的問題,我們主要從兩方面入手,其一是論證聚丙