聚丙烯纤维混凝土研究进展
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作者: 段恩朝
摘 要:混凝土中掺入聚丙烯纤维能够抑制基体的早期收缩,有效防止裂缝的产生,提高它的抗冲击性、弯曲疲劳性能、抗渗性、耐久性能等。利用这些优点,聚丙烯纤维混凝土在隧道衬砌、大体积混凝土、受力复杂的结构、道路与桥梁路面等工程中得到了广泛的应用。
关键词:聚丙烯纤维 混凝土 阻裂
中图分类号:TV4 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0068-01
聚丙烯纤维混凝土是一种以混凝土为基体,将适量聚丙烯纤维掺入混凝土中的新型复合材料。与普通混凝土相比,由于基体中乱向分布的纤维能够有效抑制混凝土早期收缩、阻止裂缝的产生与发展,因此它的抗冲击性、弯曲疲劳性能、抗渗性,耐久性能等都有不同幅度的提高[1]。由于诸多优点,聚丙烯纤维混凝土在隧道衬砌、大体积混凝土、受力复杂的结构、道路与桥梁路面等工程中得到了广泛的应用。
1 聚丙烯纤维混凝土增强机理
随机分布在混凝土中的聚丙烯纤维,能有效减少混凝土早期收缩;并能够抑制混凝土水化过程中由于内外温差等原因引起的微裂缝的产生与发展,提高混凝土抗裂能力,避免或减少混凝土表面产生裂纹;聚丙烯纤维的阻裂作用,使得基体混凝土的抗拉强度、韧性、后期变形性能都有不同程度的改善[2～3];另外混凝土拌合物的泌水、离析等现象也会随着聚丙烯纤维的掺入得到改善,使混凝土内部孔隙更加细化,阻碍了环境中各种有害介质的入侵,从而提高它的抗渗性、抗冻性、抗碳化性等耐久性能。聚丙烯纤维对基体混凝土的增强具体体现在以下几点。
(1)减少与抑制混凝土的早期塑性收缩。混凝土在水化的过程中,内部水分会蒸发,当内部水分蒸发不—致时就造成不均匀的体积收缩。在混凝土中掺入聚丙烯纤维,由于它的抗拉强度高,能够与基体共同抑制收缩,减少混凝土早期的塑性收缩。
(2)减少与阻止水化过程中混凝土微裂缝的产生与发展。混凝土是一种脆性材料,它的开裂问题始终困扰着工程界。水化过程中混凝土微裂缝产生的原因有很多,主要是由于早期收缩与内外温差引起的。早期收缩与内外温差都会在混凝土内部产生拉应力,由于混凝土水化还未完成,基体水泥石尚未硬化,因此抗拉强度较低,当拉应力超过抗拉强度时就会引起混凝土开裂。随着聚丙烯纤维的加入,与基体混凝土共同承担拉应力,减少与抑制混凝土早期内部微裂缝的产生与发展。
(3)聚丙烯纤维能够改善混凝土拌合物的泌水、离析等现象,使混凝土内部孔隙更加细化。聚丙烯纤维的阻裂作用,减少了混凝土内部微裂缝的尺度与数量。因此与之密切相关的混凝土的力学性能与耐久性能均得到不同程度的提高。
2 聚丙烯纤维混凝土力学性能
(1)提高机体的抗拉强度。混凝土的破坏实际上是原始裂缝的发生、扩展以致连通的过程,其内部缺陷是混凝土破坏的诱导因素。聚丙烯纤维细化了混凝土水化过程中产生的孔隙,并抑制与减少了混凝土内部的微裂缝,改善基体混凝土的内部缺陷,提高了混凝土材料的连续性。当混凝土承受拉应力时,内部裂缝端部的应力集中程度大大降低。在混凝土受力过程中,纤维可以与混凝土共同受力。这些都有助于提高聚丙烯纤维混凝土的抗拉强度。
(2)增韧效果。纤维丝被凝固的水泥石握裹主,在混凝土内部形成乱向分布的网状增强系统,提高了混凝土的韧性。纤维能大量吸收能量,当混凝土受到冲击时有效地减少了集中应力。另外由于纤维的桥连作用,当混凝土受力破坏时它能够牵连即将分离的混凝土块,纤维从水泥基体剥落时更要消耗能量,这些都有助于提高混凝土的韧性。
3 聚丙烯纤维混凝土耐久性性能
(1)抗渗性。混凝土中掺入一定比例的聚丙烯纤维,能够有效地改善混凝土的孔结构,避免连通毛细孔的形成,并减少混凝土内部微裂缝,因而提高了混疑土的抗渗性能。延缓了环境中的有害介质(Cl一、SO42-)对混凝土和钢筋的侵蚀,延长结构物的使用寿命。研究结果表明:适量聚丙烯纤维对混凝土的渗透性能有明显的改善作用,但当纤维掺量超过一定量时,反而会降低混凝土的密实性,加快水分以及各种有害介质在混凝土中的渗透速度。
(2)抗冻性。混凝土经受冻融循环过程中,内部孔隙与裂隙中的水分会因结冰而体积膨胀,在混凝土内部形成拉应力,当拉应力超过混凝土抗拉强度时混凝土就会开裂,导致强度下降和质量损失。因此减少微裂缝和毛细孔的数量是提高混凝土抗冻融性的关键。混凝土中掺加聚丙烯纤维,由于它的阻裂作用,减少了裂缝的数量与尺度;其次改善了混凝土的泌水与离析现象,降低了孔隙率,并使得孔隙更加细化,提高混凝土的密实性;另外聚丙烯纤维能够承担一部分冻融循环给混凝土造成的拉应力,提高基体混凝土的抗冻融性。已有研究表明,适量聚丙烯纤维的掺入可使混凝土的抗冻性提高50％左右,因此以聚丙烯纤维混凝土可作为桥面铺装材料、道路路面、机场跑道等,能明显延缓混凝土冻融破坏速度,特别是冬季的盐冻破坏,延长结构的使用寿命。
4 聚丙烯纤维混凝土工程应用
20世纪80年代以来,合成纤维混凝土在国外已得到广泛的研究和应用。合成纤维中应用较多的是聚丙烯纤维,开始多为单丝型,后来出现了由其改进后的网状纤维,实现了每立方米混凝土内数千万根纤维均匀分散的效果[4],当前聚丙烯纤维混凝土在发达国家已广泛应用于高速公路、机场跑道、地铁、隧道、桥梁、铁路水泥枕木、住宅墙体中等[5]。
在我国聚丙烯纤维混凝土也成功应用于公路、隧道、桥梁、建筑结构等领域[5]。陕西法门寺合十舍利塔工程中Φ18m球冠状穹顶结构采用聚丙烯纤维混凝土,取消上层模板,不仅显著降低了施工难度,而且整个壳体结构也未见异常裂缝,取得了良好的经济效果。
5 结语
聚丙烯纤维混凝土是一种新型复合建筑材料,由于纤维在混凝土中的乱向分布,使得它的抗压强度、劈拉强度、抗折强度、抗裂性、韧性、抗渗性以及抗冻性等都较普通混凝土有不同程度的改善。由于诸多优点它不仅应用于隧道初期支护混凝土、二次衬砌,还可应用于混凝土路面工程、桥梁工程、水工建筑及工业与民用建筑,具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 王明阳,李华明.浅谈聚丙烯纤维混凝土及其在隧道中的应用[J].山西建筑,2006(6):156～157.
[2] 薛志超,李林.聚丙烯纤维对路用混凝土强度及收缩性能的影响[J].建筑材料学报,2011(1):133～135.
[3] 陈大亮.对聚丙烯纤维增强混凝土的耐久性研究综述[J].科技风,2010(1):148.
[4] 李友强,郑大榕,张辉,等.聚丙烯网状纤维混凝土在隧道衬砌中的应用试验研究[J].现代隧道技术,2004:472～476.
[5] 江镇海.混凝土用聚丙烯纤维的性能及应用[J].合成纤维工业,2000(2).
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