浅析合成纤维对混凝土收缩的抑制作用

摘要:大量研究表明,将适量的合成纤维加入混凝土中可以有效地抑制混凝土收缩,改善混凝土结构的耐久性和安全性。其中聚丙烯纤维混凝土作为新型复合材料, 广泛用于水利、交通、城市建设等工程。文章以聚丙烯纤维为例对其阻裂、抗渗等性能进行了分析,为合成纤维混凝土的应用提供参考。

关键词:合成纤维;混凝土收缩;纤维混凝土;聚丙烯纤维

中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)10-0135-02

水泥混凝土是当今世界上应用最广泛的建筑材料,兼有强度的可调节性、外形的可塑性,以及原材料的价廉易得性等突出优点。但它还存在着抗拉强度低、体积稳定性差、抗冲击性能差以及脆性较大等不足,正是这些不足导致裂缝问题成为混凝土工程中的普遍问题。不少混凝土整体结构的损坏往往是裂缝扩展的结果,混凝土裂缝的存在使混凝土结构构件承载能力降低,挠度增大,同时它也是侵蚀性介质向混凝土基体渗透、迁移的通道,严重影响混凝土结构的耐久性。

研究发现混凝土收缩是导致混凝土开裂的重要原因。目前工程上所使用的大多是普通混凝土,这类混凝土在干湿交替环境中会产生较大的收缩变形,一旦这种收缩变形受到不均匀约束,很容易产生裂缝。因此,改善普通强度混凝土的收缩性能有着重要的意义。大量研究表明,纤维能较显著地改善混凝土的收缩性能。

一、纤维混凝土简介及本文研究思路

(一)纤维混凝土

纤维混凝土(Fiber Reinforced Concrete,FRC)是将短而细的分散性纤维,均匀地搅拌在普通混凝土中而形成的一种新型建筑材料。它是纤维和水泥基料组成的复合材料的统称。由于混凝土是一种多组分的非均匀不密实的脆性材料,其抗拉强度低、极限延伸率小、性脆、外表面也容易形成裂缝,加入抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性能好的纤维,可以提高混凝土的抗拉及抗冲击等性能与改善混凝土的脆性。

聚丙烯是增强混凝土中研究与应用得最多的合成纤维。目前工程上应用较为普遍的聚丙烯纤维主要有:束状单丝纤维、网状纤维、微孔纤维和膜裂纤维。聚丙烯是由单体C3H6聚合而得,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;表面疏水性,不会被水泥浆浸湿;易燃性,导致混凝土的耐火性降低。对单丝聚丙烯纤维而言,纤维与基体间的粘结较差,结果使其拔出强度较低。聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定、表面憎水、质量轻、价格低、加工性能优良。它的缺点是耐火性差、对阳光和氧气敏感、弹性模量低、与水泥基体粘结弱。但这些缺点并非是致命的,因为纤维被包覆在水泥基体中,光和热的影响受到限制。弹性模量低,虽不能提高强度却能阻止温度变化产生的裂缝和塑性收缩裂缝。

上海建筑科学研究院谷章昭等研究认为,数以万计的合成纤维均匀地分布在混凝土内部,混凝土塑性阶段干缩及冷却所产生的表面裂缝一旦延伸到合成纤维即停止发生。合成纤维的抗裂性取决于纤维的长度与掺量,综合技术与经济一并考虑,纤维掺量为0.6～0.9kg/m3已有良好的抗裂性。

(二)本文研究思路

本文将通过试验研究聚丙烯纤维对混凝土收缩性能的影响来解释纤维在改善混凝土体积稳定性中的作用机理。

在配比试验中,采用两组相同的配合比制作两组试块,其中一组掺加了聚丙烯纤维,另一组不掺纤维。然后对混凝土试块的收缩性能进行测试。通过试验数据的对比来体现聚丙烯纤维对混凝土收缩的抑制作用。

二、聚丙烯纤维对混凝土收缩性能的试验研究

(一)试件及测试仪器设备简介

1.试件。试验采用的是100mm×100mm×515mm的棱柱体试块,试件两端留有埋设测头的凹槽。试件成型1d后拆模,然后使用502胶水将铜质测头粘入预留凹槽内。

2.测量仪器。试验采用的是天津建筑仪器厂生产的混凝土收缩仪。

3.试验装置。在本试验中,使用了自行设计的试验装置。装置长630mm,宽200mm,两端面间距600mm,在装置的两端面固定有两个千分尺用于测量试件两测头间的长度随龄期的变化。

(二)收缩试验

1.配合比设计。

(1)原材料。本试验使用的是PI型52.5水泥;Ⅰ级粉煤灰;中砂;粗骨料的最大粒径为31.5mm,连续级配;外加剂为花王21s(聚羧酸类减水剂);加入的纤维为聚丙烯纤维,性能见表1:

表1试验用聚丙烯的性能

材质 改性聚丙烯、聚酯纤维 纤维类型 白色网状

规格 6～19mm 当量直径 18～40um

断裂强度 ≥270MPa 弹性模量 ≥3000MPa

抗碱能力 抗拉强度的保持率不小于95% 断裂延伸率 ≤40%

分散性 良好 抗低温性 经-78℃实验检测纤维性能无变化

(2)试验配合比。具体的试验配合比及编号见表2:

表2第一组试验配合比(kg/m3)

试件编号 水泥 粉煤灰 砂 石子 水 外加剂 引气剂 纤维

0# 280 70 747 1126 165 3.3 0 0

1# 280 70 747 1126 165 3.3 0 1

2.试验结果及分析。第一组配比试验的试验数据列于表3,图1和图2分别表示试件的收缩值随龄期增长的变化趋势以及两组试件收缩值的差值随龄期增长的变化趋势。

表3第一组配比试验收缩数据

龄期

试块 4 5 6 7 8 10 13

0# -34.64 -48.49 -58.24 -71.58 -90.06 -117.78 -136.37

1# -24.68 -33.92 -44.39 -58.55 -67.84 -80.16 -98.68

14 15 16 22 28 29

0# -178.12 -227.60 -164.21 -438.02 -363.79 -340.55

1# -117.20 -137.31 -144.98 -228.32 -163.50 -172.76

表3中,收缩值的单位为με (即10-6mm/mm)。

图1两组试件的收缩值随龄期增长的变化趋势

图2两组试件收缩值的差值随龄期增长的变化趋势

由表3可以看出,0#试件的收缩较大,1#试件较小,体积含量为0.1%的聚丙烯纤维混凝土在7d和28d的收缩值分别比素混凝土少18.2%和55.1%。这说明加入聚丙烯纤维对混凝土的收缩性能有明显的改善作用。聚丙烯纤维抑制混凝土收缩的原因主要是:在混凝土中掺入聚丙烯纤维后,细长的聚丙烯纤维均匀地分散到周围的水泥砂浆中,纤维与基体间具有较强的粘结力,同时,每立方米中所含接近2千万～3千万根短丝可使得当体积掺量为0.1%时的纤维平均间距只有2～5mm左右,在砂浆中形成均匀分布的三维网架 (如图3所示),收缩的能量被分散到了每立方米数千万条具有高抗拉强度而弹性模量相对较低的聚丙烯纤维上,有效地阻止或减弱了微裂缝的发展,从而抑制了混凝土的收缩。

图3

三、结语

由以上分析可见,抑制混凝土收缩,减少混凝土收缩裂缝,加入纤维不失为一种有效的方法。纤维在混凝土中形成的乱向支撑体系,能够有效地减少混凝土的早期泌水,降低混凝土中的孔隙率,并且减少混凝土的早期干缩、塑性裂缝,因而能较大幅度地改善混凝土的耐久性,确保工程质量。

参考文献

[1]张红州,刘锋,等.纤维混凝土的研究与应用现状[J].新型建筑材料,2003,(6).

[2]刘君杰,王建坤.纤维增强混凝土的应用现状[J].天津纺织科技,2003,(4).

[3]谷章昭,等.合成纤维混凝土的性能及其工程应用[J].建筑技术,2001,(1).

作者简介:唐光明 (1982-),男,辽宁本溪人,台州市路桥区建设工程质量检测中心有限公司助理工程师,研究方向:材料科学与工程。