聚丙烯纤维混凝土.docx

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聚丙烯纤维混凝土

第一节概述

聚丙烯纤维混凝土是60年代末国外开发的一种新型混凝土材料.它具有能防止或减少裂缝、改善长期工作性能、提高变形能力和耐久性等优点因而在军事、交通、房建、机场、水利等类工程上得到了广泛的应用.我国从90年代初首先在道路、桥梁和房建工程中应用此类材料,取得良好的技术经济效果.但水利工程部门对聚丙烯纤维混凝土还只停留在试验阶段,仅有的一点试验成果也很不系统完整,影响了这一新材料在水利工程上的开发应用.在新世纪到来之际,水利建设正面临着新的发展机遇和挑战.作为国家的一项基础产业,水利部门不仅要以更快的速度建设更多的水利工程,而且在工程质量上也要满足更高的建设标准,要求进一步采用新技术、新工艺和新材料.与其它工程相比,水利工程对混凝土有着自己特殊的要求.特别是近年来出现了许多技术难度高的新工程结构,带来了水工混凝土一系列的新问题.例如,我国近十几年来得到迅速发展的面板坝以与许多板式结构的防裂问题、许多挡水、隔水结构的混凝土提高防渗性能的问题以与高坝建设带来的高速水流冲刷磨损问题等等.这些都要求提高水工混凝土的抗渗、防裂、耐磨、抗冲击、韧性、耐久性等综合性能.为了适应我国水利工程快速发展的形势,提高工程质量和长期效益,开展聚丙烯纤维混凝土的有关性能与其在水利工程上应用的研究,具有重要的现实意义,是十分必要的,也是十分迫切的.

白溪水库总库容1.684亿m3,属国家大〔2〕型水库,是以供水、防洪为主、兼顾发电、灌溉等效益的综合利用水利枢纽.水库大坝采用钢筋混凝土面板堆石坝,最大坝高124.4m,在我国面板堆石坝中高度居第四位.大坝上游坝坡1:

1.4,下游平均坝坡1:

1.52,坝顶高程177.4m,面板厚度由坝顶至坝底为30~66cm,在面板厚度的中部布置φ20、22、25mm、间距20⨯20cm的钢筋网.混凝土面板坝工程中,防止面板的裂缝和提高混凝土变形能力一直是主要技术问题之一.裂缝的产生不仅加大了大坝渗漏损失,降低了工程效益,而且使混凝土的耐久性降低,钢筋锈蚀,影响工程寿命.白溪水库大坝二期面板位于水位变动区,冬季经常受到寒流、大风等环境因素的作用,工作条件比较恶劣.防止或减少裂缝和提高面板抗变形能力,对延长面板工作寿命,保证大坝安全运行,十分必要.同时,白溪水库溢洪道末端流速达到35~37m/s,需要采取措施有效的防止混凝土的冲刷磨蚀.根据有关专家建议,经工程建设单位白溪水库建设指挥部、工程设计单位华东勘测设计研究院、施工单位水电十二局以与施工监理等共同研究,为了提高白溪水库工程混凝土的质量和耐久性,决定结合工程建设开展对聚丙烯纤维混凝土在水利工程上的应用研究.这个想法在20##4月得到了水利部和两院院士、中国工程院副院长潘家铮等国内有关知名专家的关注和支持.经##市水利局同意申报,《聚丙烯纤维混凝土在水利工程上的应用研究》课题已列入水利部和##市20##度科技创新项目计划〔项目编号SCX2000-32〕.

本项研究首先进行了国内外聚丙烯纤维混凝土的应用和研究情况的调研.在此基础上,开展了对聚丙烯纤维混凝土力学性能、防裂性能、变形、韧性、抗渗、抗冻、耐磨、抗冲击、耐久性、聚丙烯纤维砂浆防裂以与增韧细观结构等性能的室内试验研究.室内试验主要由##水利科学研究院、##省水利水电河口海岸研究##与中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室等单位承担.在开展室内试验的同时,由工程指挥部、##、施工工程局、施工监理等共同在溢洪道进口与二期面板1#、3#和9#试验块开展了施工工艺的试验研究.在对聚丙烯纤维混凝土主要性能和施工工艺试验研究的基础上,于20##邀请以中国工程院院士谭靖夷为首的专家组对白溪水库二期面板聚丙烯纤维混凝土试验研究进行了评审,专家组一致认为,试验技术路线正确、方法合理,所得结果可信.试验成果表明,掺加聚丙烯纤维可以明显减少混凝土收缩和开裂,改善混凝土的变形性能和提高耐久性,在自然条件下,紫外线长期辐射不会造成聚丙烯纤维混凝土性能的退化.聚丙烯纤维混凝土技术性能明显优于普通混凝土,增加的少量工程费用与取得的质量效益相比,经济上是可以接受的,建议在二期面板上应用.经过设计部门同意,20##10月至12月,完成了二期面板〔∇128.5m以上〕聚丙烯纤维混凝土的施工,混凝土方量达11000m3.20##3月下旬,又在溢洪道陡槽末端,进行了C40聚丙烯纤维混凝土和外掺硅粉抗磨蚀剂聚丙烯纤维混凝土的工程试验.此外,还对喷射聚丙烯纤维混凝土技术进行了现场试验.通过上述工作,已完成了水利部和##市20##科技创新计划项目《聚丙烯纤维混凝土在水利工程上的应用研究》计划任务书规定的各项试验研究任务.现对试验研究的主要成果叙述如下.

第二节国内外聚丙烯纤维混凝土研究和应用现状和发展方向

聚丙烯纤维是由丙烯聚合物或共聚物制成的烯烃类纤维.根据其生产过程可以分为两种.聚丙烯在熔融状态下经过牵拉使纤维分子定向,再挤压成薄片〔flatsheet〕或形成长丝〔filament〕.前者经过破碎、裂膜成为纤化纤维〔fibrillatedfiber〕,其断面一般为不规则、近似矩形,纤维之间有横向连接成网状；后者在纵向切断后成为圆形断面的复丝或单丝纤维.聚丙烯纤维比重为0.91,强度高,抗拉强度可达200~300MPa,弹性模量3400~3500MPa,完全不吸水,为中性材料,与酸碱不起作用,熔点160～170℃,燃点590℃.掺加在混凝土中的聚丙烯纤维长度一般为12-30mm,直径几十微米.当掺量仅为混凝土体积的0.1%时,在1m3混凝土中可以有数百万根至数千万根纤维随机分布,使混凝土性能得到很大改善.根据国内外的试验研究和工程应用经验,与常规混凝土比较,聚丙烯纤维混凝土有以下几方面的特点.

1．防止或减少混凝土收缩裂缝的产生.混凝土因失水收缩产生的裂缝主要是在早期发生.聚丙烯的掺入,可以在混凝土塑性阶段、变形模量较低时,有效地减小收缩和裂缝的发生,在硬化后期也可使干缩裂缝得到一定程度的抑制,从而使裂缝细化,使之对工程无害或少害.上述特性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.混凝土是一种由多种成分形成的非均质脆性材料,在各组成成分的结合处很容易产生集中应力使其进一步变脆.而聚丙烯纤维的加入,使混凝土的这一弱点得到很大改善.一是提高了混凝土的极限拉伸率.有大量试验资料证明,一定掺量的聚丙烯纤维混凝土的极限拉伸率比素混凝土提高0.5~2倍.二是大大提高了混凝土的韧性.普通混凝土在受拉伸、弯折而破坏时,一般为脆性断裂,在混凝土发生裂缝后就基本不能再承受荷载.而聚丙烯纤维混凝土在初裂缝发生后,仍有一定的承载能力,实质上是对外荷能量吸收能力的提高以与混凝土变形性能的改善.按照美国ASTM标准进行的韧度试验结果表明,聚丙烯纤维混凝土的韧度指数比普通混凝土增加15~70%.三是抗破碎性.普通混凝土在受压破坏后,往往成断碎状,而聚丙烯纤维混凝土在受压破坏后,仍能保持一定程度的整体性.

3．对混凝土强度性能的影响.试验证明,加入聚丙烯纤维,并不能提高混凝土的静力强度.但国外的试验表明,由于韧性改善,抗冲击能力可以提高2倍以上,抗磨损能力也可提高20~105%.

4．提高了混凝土的耐久性.由于聚丙烯纤维混凝土能大大减少裂缝发生和使裂缝细化,从而使混凝土的抗渗能力得到较大提高.根据国内外试验,掺加纤维后,混凝土渗漏可减少25~79%,抗渗标号从W10提高到W14.抗渗性能的改善必然使混凝土的抗冻融能力得到提高.许多文献还报导了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.关于聚丙烯纤维混凝土在紫外光幅射下的寿命问题,国外一般认为,对混凝土或水泥制品不存在紫外老化问题.加拿大国家科学研究院建筑研究所的詹姆斯•皮奥都恩在《纤维混凝土手册》一书中指出：

虽然聚丙烯在紫外线照射下将发生老化,但聚丙烯纤维水泥复合物在受到相当于若干年自然阳光的紫外线照射下,没有强度损失.英国Surrey大学研究纤维混凝土的专家汉南博士在他的一项长期研究中,进行了聚丙烯纤维复合水泥薄板人工气候老化试验.采用的复合板材中聚丙烯纤维体积含量达到4~8%,该板材放置在室内和露天自然条件下,在龄期分别为1、6、12月和2、3、5、10年时,测定了材料的弯曲韧度和弯曲应力.结论是：

在10年时间内,未觉察到材料的老化.应当说,这种复合材料由于聚丙烯含量很高,老化对其性能的影响远比含量仅为0.1%的一般纤维混凝土要大得多.因此可以认为气候老化对聚丙烯纤维混凝土性能的影响是很小的.

5．聚丙烯纤维混凝土的施工性能.国内外大量实践表明,聚丙烯纤维混凝土的施工与常规混凝土没有大的不同,一般的施工方法都适用于聚丙烯纤维混凝土.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要降低30%左右.有的文献指出,聚丙烯纤维混凝土泌水速度降低,收面作业应比普通混凝土晚一些进行.

由于聚丙烯纤维混凝土具有上述良好的技术经济指标,在国内外得到了迅速而广泛的应用.80年代初,美国出现了第一个用于水泥制品的聚丙烯纤维专利商标Fibermesh,目前已有美、英、韩等国的产品.工程应用最初是在美国的军事工程,但很快发展到民用工程,主要是在板式结构中采用,如房建中的地坪、地下室底板和墙、路面、桥梁铺装层、机场跑道、停机坪等.在水利工程中,美国已在坝工修补、灌溉渠道衬砌、边坡防护等工程中进行了应用.由于聚丙烯纤维混凝土比普通混凝土有较高的粘稠性,用在喷射混凝土中,不但可以提高性能,还可以减少回弹损失,应用也日益广泛.我国是从90年代初开始引进,最初用于公路、桥梁工程,以后在房建中也越来越多的得到应用.目前国内已有多家工厂生产聚丙烯纤维以满足各行业不同混凝土施工需要.在我国水利工程上,聚丙烯纤维混凝土还只停留在试验阶段.在试验研究方面,国外在聚丙烯纤维混凝土的力学性能、耐久性、施工工艺、纤维增强机理等方面做了大量的工作,并且已编制了这方面的有关试验规X和技术标准.而我国只有##同济大学、##理工大学等院校做了一些研究工作,远远不能满足我国发展这项技术的要求.

第三节聚丙烯纤维混凝土主要性能的试验研究

本项聚丙烯纤维混凝土的室内试验主要进行了以下内容：

一．配合比试验方案的拟定

1．试验用原材料

〔1〕水泥：

为海螺牌525号普通硅酸盐水泥.经检验,该水泥在稠度、安定性、凝结时间、强度指标上均满足国标要求.

〔2〕粉煤灰：

为##北仑电厂粉煤灰,经检验,符合二级灰要求.

〔3〕改性聚丙烯纤维：

为东华大学研制,方大纺织化纤##产品.其性能见表1.

表1改性聚丙烯纤维的性能

纤维丝品种

比重/g/cm3

0.91

纤维长度/mm

15±1

燃点/℃

590

熔点/℃

160~170

167.2~168.8

抗拉强度/MPa

119.2

382.9

极限拉伸/%

484

59.9

直径/μm

62~69

改性聚丙烯纤维利用熔融聚丙烯在通过细小喷丝孔径时的"附壁〞效应,使改性剂分子带羟基的亲水助剂附在了纤维表面,加强了纤维的亲水性,从而增强了它与水泥的结合力.2#纤维是在1#纤维中加入防老化剂,以下试验中除专门说明外,采用的均为1#聚丙烯纤维.

〔4〕外加剂：

采用水电十二局科研所混凝土外加剂厂生产的BLY引气减水剂与NMR高效减水剂.

〔5〕集料：

砂,石料性能详见表2

表2砂石料性能

集料名称

吸水率%

饱和面干表观密度g/cm3

细度模数

含泥量%

砂

3.9

2.5

2.67

2.36

卵石5~20mm

1.87

2.6

一

0.73

卵石20~40mm

1.42

2.6

一

0.25

2．二期面板聚丙烯纤维混凝土配合比方案的拟定

本次聚丙烯纤维混凝土的配合比试验研究按照使用部位不同,主要进行了两种配合比试验.即为二期面板混凝土进行的配合比试验和为溢洪道抗磨混凝土进行的配合比试验.

白溪水库设计单位华东勘测设计研究院对大坝二期面板混凝土的设计指标为混凝土强度等级C25,抗渗标号W8,抗冻标号D100,含气量4-5%.##水利科学研究院在《白溪面板混凝土配合比优化设计试验报告》中推荐的不掺纤维的混凝土配合比见表3,表中,粉煤灰掺量为15%,超量系数1.3.

表3每立方米混凝土材料用量kg/m3

水泥

粉煤灰

砂

卵石粒径mm

BLY

NMR

水

5-20

20-40

254

627

638

2.99

2.24

123

聚丙烯纤维混凝土配合比试验方案的拟定中,为比较纤维的不同掺量以与粉煤灰掺量对混凝土性能的影响,纤维掺量分0、0.6、0.9、1.2kg/m34个等级,粉煤灰的掺量分等量替代和超量替代〔超量系数1.3〕两种.由于纤维的掺入会减小坍落度,粉煤灰掺量对坍落度也有一定影响.为保持未掺纤维前的坍落度,在不加纤维混凝土的配合比基础上,采取了两种措施.对粉煤灰等量替代的,砂率调整为0.37.对粉煤灰超量替代的,砂率调整为0.35,并通过适当加大水灰比来保持原坍落度,见表4.粉煤灰超量取代的还增加纤维含量为0.9、1.2与1.5kg/m3的各一组,为维持水灰比和坍落度与不掺纤维的混凝土基本不变,每方混凝土增加10kg水泥用量,见表5.

表4聚丙烯纤维混凝土配合比<一>

编号

粉煤灰

水胶比

砂率%

坍落度cm

每立方混凝土材料用量kg/m3

掺量

超量

系数

水泥

粉煤灰

聚丙烯纤维

砂

卵石5~20mm

卵石20~40mm

BLY

<1%>

NMR

<0.75%>

水

A-1

0.38

6~8

254

695

617

2.99

2.24

114

A-2

0.40

6~8

254

0.6

689

613

2.99

2.24

120

A-3

0.40

6~8

254

0.9

688

612

2.99

2.24

121

A-4

0.41

6~8

253

1.2

686

610

2.98

2.24

123

A-5

1.3

0.42

6~8

254

0.9

643

621

2.98

2.24

125

A-6

∕

0.41

6~8

300

∕

0.9

710

605

3.00

2.25

124

表5聚丙烯纤维混凝土配合比<二>

编号

粉煤灰

水胶比

砂率

<%>

坍落度

每立方混凝土材料用量kg/m3

掺量

<%>

超量

系数

水泥

粉煤

灰

聚丙烯

纤维

砂

卵石5~20mm

卵石20~40mm

NMR

<0.75%>

BLY

<1%>

水

B-1

1.3

0.415

3.8

252

623

633

2.22

2.97

123

B-2

1.3

0.414

3.4

262

0.9

615

625

2.32

3.09

128

B-3

1.3

0.418

3.8

262

1.2

615

625

2.32

3.09

129

B-4

1.3

0.421

4.3

262

1.5

615

624

2.32

3.09

130

3．抗磨聚丙烯纤维混凝土配合比方案拟定

溢洪道陡槽底板为C40高强钢筋混凝土,〔除最上游一块〕.在第十二工程局施工科学研究所提供混凝土配合比基础上,保持混凝土水泥用量不变,坍落度基本不变,拟定了聚丙烯纤维掺量为0、0.6、0.9、1.2kg/m3与掺0.9kg/m3聚丙烯纤维加37kg/m3硅粉混凝土抗磨蚀剂共五种混凝土配合比方案.见下表.

表6抗磨聚丙烯纤维混凝土试验配合比

编

号

水

胶比

砂率

坍

落

度

每方混凝土材料用量kg/M3

水

泥

砂

卵石mm

水

聚丙烯

纤维

HLC-III

NMR

5-20

20-40

40-80

C-1

0.37

5~7

309

596

284

426

714

114

—

2.31

C-2

0.38

5~7

309

596

284

426

711

117

0.6

—

2.31

C-3

0.38

5~7

309

593

284

426

711

118

0.9

—

2.31

C-4

0.39

5~7

309

593

284

423

708

121

1.2

—

2.31

C-5

0.29

5~7

309

575

287

433

723

102

0.9

—

C-6

0.32

5~7

272

607

291

435

724

100

0.9

—

注：

大石：

中石：

小石=0.5：

0.3：

0.2

混凝土中掺入聚丙烯纤维,坍落度略有下降,通过适当增加用水量来调整.掺入硅粉抗磨蚀剂,坍落度增加,通过减少用水量使混凝土坍落度保持基本一致.试验的试件均由三级配混凝土拌和后,经孔径40mm筛湿筛后制作成型〔除特殊注明〕.

二．拌合物性能试验

拌合物性能试验主要试验纤维对拌合物的含气量、坍落度随时间变化特性、初凝和终凝时间以与对泌水速度的影响.其结果见表7与图1.

由表7可以看出,聚丙烯纤维的掺入对混凝土含气量无影响；掺入纤维后,混凝土初凝提前1~1.5h,终凝也略有提前,但凝结时间与纤维的掺量之间尚未发现规律性的变化；纤维掺量对坍落度随时间变化特性也没有明显变化规律.

表7聚丙烯纤维混凝土拌合物性能

编号

粉煤灰

纤维掺量

kg/m3

含气量

凝结时间

容重

kg/m3

坍落度cm

掺量

超量系数

初凝

终凝

0.5h

1.0h

A-1

4.5

10:

2320

7.0

3.1

1.5

A-2

0.6

5.0

2300

8.1

一

1.9

A-3

0.9

4.9

2305

8.1

4.5

2.3

A-4

1.2

5.0

2320

6.6

3.7

2.4

A-5

1.3

0.9

4.1

2311

7.1

4.8

2.2

A-6

－

0.9

4.6

10:

2300

6.1

5.9

0.7

图1泌水总量随时间变化对照曲线

由图1可以看出,聚丙烯纤维的掺入明显减少塑性混凝土表面析水,表现为泌水率下降,泌水推迟20min开始,提早30min结束.

三．力学性能试验

力学性能试验主要进行了抗压、抗拉和抗折试验.

1．聚丙烯纤维混凝土试验结果见表8.

表8聚丙烯纤维混凝土的力学性能

编号

粉煤灰

聚丙烯

掺量

抗压强度MPa

抗折强度MPa

28d

抗拉强度MPa

掺量%

超量系数

28d

60d

90d

28d

A-1

28.3

37.6

38.6

38.7

3.89

2.64

3.16

A-2

0.6

25.6

33.3

35.2

35.9

3.63

2.58

3.11

A-3

0.9

23.1

33.2

35.3

37.7

3.89

2.31

3.20

A-4

1.2

23.2

32.9

35.4

37.8

3.98

2.14

3.11

A-5

1.3

0.9

25.7

34.2

42.4

42.6

3.96

2.10

2.87

A-6

0.9

25.6

34.3

36.6

40.0

4.23

2.98

3.07

B-1

1.3

29.5

39.2

3.89

B-2

1.3

0.9

28.2

37.5

4.08

B-3

1.3

1.2

27.8

39.4

4.13

B-4

1.3

1.5

28.1

43.6

4.25

由表8可以得出以下几点：

〔1〕A-2~A-4各组因比不掺纤维的A-1组水灰比略大,抗压、早期抗拉均稍有下降,28天抗拉强度与不掺基本相同,除小掺量的纤维混凝土外,其余的抗折强度比不掺纤维的混凝土略有增加.强度指标超过了设计要求.

〔2〕B组掺纤维混凝土在增加用水量的同时,增加了水泥用量,因此,其强度指标一般均高于不掺纤维的混凝土.

〔3〕掺入粉煤灰对强度指标有一定影响.当纤维掺量相同,不掺粉煤灰的混凝土〔A-6〕早期抗压、抗拉、抗折强度均高于掺粉煤灰混凝土〔A-3,A-5〕,但龄期为60天和90天,粉煤灰超掺组抗压强度最高.

2．抗磨聚丙烯纤维混凝土

抗磨聚丙烯纤维混凝土的力学性能见表9.

表9抗冲磨聚丙烯纤维混凝土力学与变形性能

编

号

水泥

用量

kg/m3

纤维

掺量

kg/m3

HLC-Ⅲ

kg/m3

抗压强度MPa

抗拉强度

MPa

28d

抗拉弹模

104MPa

28d

极限引伸率

×10-6

28d

C-1

309

48.1

56.4

3.92

3.5

123

C-2

309

0.6

44.7

53.4

4.00

3.4

132

C-3

309

0.9

44.2

53.5

4.06

3.4

134

C-31

309

0.9

44.6

53.1

4.20

3.0

150

C-4

309

1.2

43.6

53.5

4.08

3.2

137

C-5

309

0.9

60.2

72.7

5.44

3.4

154

C-6

272

0.9

49.7

64.3

5.32

4.0

148

注：

C-31混凝土配合比同C-3,用3#聚丙烯纤维.

试验表明,由于聚丙烯纤维混凝土的水灰比大于普通混凝土,因此抗压强度比普通混凝土有所降低,但随着龄期增加,抗压强度降低值减小；聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度比普通混凝土提高2-4%,且提高值随纤维掺量的增加而增加.掺0.9kg/m3纤维和37kg/m3硅粉抗磨蚀剂使混凝土各项性能有较大幅度提高.

四．变形性

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