摘要:合成纤维掺和在混凝土中能阻止裂缝的大量发生,延长建筑物的使用寿命。利用市场上常用于增强混凝土的聚丙烯(PP) 纤维掺入混凝土进行了试验。试验内容包括不同纤维掺量的对比试验,聚丙烯纤维混凝土与素混凝土抗冻和化学侵蚀性抗裂、抗冲耐磨和弹性模量等试验。对合成纤维混凝土的作用机理和试验结果进行了分析。试验结果和工程运用都说明了合成纤维具有提高混凝土的抗拉性、抗裂性和耐久性。
关 键 词:合成纤维; 合成纤维混凝土; 混凝土性能; 试验研究
中图分类号: TV431 + . 3 文献标识码: A
1 概述
我国古代建筑领域的伟大成就之一就是在自建的住房和粮仓等建筑物的土砖、土墙内掺入一定量的植物纤维或毛发纤维之类的掺和料,使其成为复合土浆或土体,阻止裂缝的大量发生,延长建筑物的使用寿命。这种古老的建筑实践,确实有他的实用价值,可古为今用。受其启迪,在现代发展起来的混凝土中,是否也可以掺入一定量的合成纤维来改变混凝土抗压强度高、抗拉强度相对低的缺陷,答案是肯定的。
众所周知,混凝土是一种抗压强度大而抗拉强度相对较低的脆性材料。随着现代建筑技术的不断发展,对水泥混凝土这一最大宗建筑材料提出了更高的要求。它正朝着高强度、高韧性、高阻裂、高耐久性、高体积稳定性和优工作性的方向发展。
为了达到这一目标,近年来发展起来的合成纤维已被用于混凝土中,它是提高混凝土韧性、抗冲耐磨性、抗渗性、耐久性及抗收缩断裂性的有效途径。本文就合成纤维在混凝土中的作用机理做了一些探讨研究,试验结果的正确与否有待于工程实践的检查,目的是推广合成纤维在混凝土中的广泛应用。
2 合成纤维的种类、特点及性能指标
(1) 合成纤维的种类。现在市面上常用于增强混凝土的合成纤维有:聚丙烯(PP) 纤维、聚酯(PEF) 、聚酰胺(PA) 纤维、高强高模聚乙烯(PE) 纤维、芳香聚酰胺纤维、聚丙烯晴纤维等。
(2) 合成纤维的特点。合成纤维的特点是:小直径、数量多、易分散。以聚丙烯纤维为例,小直径即每根纤维的直径在10～100μm之间;数量多即每公斤纤维连接起来的总长度可绕地球10 圈之多,也就是说每立方厘米混凝土中有近20 条纤维;易分散即在混凝土拌和过程中依靠自身的摩擦和揉搓不会象钢纤维有成团现象。
(3) 合成纤维的性能指标。常用于增强混凝土的合成纤维性能指标,见表1。
3 合成纤维的室内试验结果
大量试验结果表明,在混凝土中加入少量合成纤维,对混凝土的抗压强度影响不大,但抗拉强度、抗折强度、抗弯强度、抗冲耐磨和耐久性等有明显提高。以聚丙烯为例,表2 至表7 是一组掺入聚丙烯纤维与空折混凝土的试验结果。其中聚丙烯纤维的指标为;长度19 mm ,直径0. 008 mm ,抗拉强度480 MPa ,长径比400 ,断裂伸长率15 %。
4 合成纤维的抗裂机理
对于合成纤维本身来说它的抗拉强度远远低于钢纤维的抗拉强度。但掺在混凝土中,它对提高混凝土的抗拉强度、抗裂能力、耐久性的效果是明显的。试验结果和工程运用都说明了合成纤维具有提高混凝土的抗拉性、抗裂性和耐久性。这是无可争议的事实,但要真正了解合成纤维的作用机理,可以从以下3方面去理解。
(1) 能量吸收作用。混凝土在浇捣或成型硬化过程中,必然有大量的水化热产生,混凝土受到热胀冷缩效应作用。抵御这种效应作用主要是靠混凝土中料与料之间表面的吸附作用。
所以表面积大的吸附力也较大。在混凝土成型过程中,我们可以看成是较大表面积的材料(如碎石) 吸附表面积较小的料体形成的体集合。单体与单体吸附力必然小于单体内部的吸附力。
在混凝土成型过程中受脱水收缩影响,这种收缩又受到基底、模板等作用,使得混凝土的收缩不可能以某点为中心收缩,而是以单体为单位收缩,这样单体与单体之间不可避免地出现裂缝。
由于合成纤维是一种较低弹性模量材料并且自身的柔韧性很好,能够很好地分布在混凝土中,形成各向三维支撑网。在单体与单体内部形成一种“桥梁”结构,增强了单体与单体之间的吸附力,同时又能很好地吸收基底、模板、钢筋在混凝土成型过程中产生的拉应力,从而对提高混凝土的抗裂性、抗耐久性、抗耐磨性起到至关重要的作用。这种作用称之为能量吸收作用。
(2) 温差补偿作用。在混凝土成型过种中,受其内外温差的作用,加上混凝土本身属脆性材料,抵御温度应力的能力特差。而合成纤维的特点是柔韧性好、直径小、数量多,在混凝土内部能构成一种各向均匀的支撑体系,所以能有效地把混凝土温差变化产生的能量分散到无数的纤维丝上,从而有效地增加了混凝土的韧性,减少了混凝土由于温差变化引起的裂纹和裂缝,这种有效的二级加强效果可称之为温差抗裂补偿作用。
(3) 应力传递作用。在物理学中,物体瞬时承受的最大冲击力由物体本身的抗冲击强度所决定,而抗冲击强度的大小与物体本身的韧性度有很大关系。从表7 可看出,纤维混凝土的抗冲击能力远大于素混凝土的抗冲击能力,其原因就是纤维混凝土的韧性得以提高,而混凝土构件的瞬时最大冲击力相应得以提高。合成纤维由于细而韧性较高,在混凝土中均匀分布,使混凝土构件保持较好的整体性。当混凝土构件受到冲击时能量释放变缓,使混凝土的抗冲击能力加强。
5 简要小结
(1) 合成纤维混凝土能大幅度地减少混凝土裂缝,可有效地基本消除塑性裂缝、干缩裂缝和温度裂缝等。
(2) 合成纤维混凝土能不同程度地提高抗拉、抗渗、抗冻、抗冲击耐磨能力,降低弹模、减少钢筋的锈蚀能力。
(3) 合成纤维易分散、不成团,避免了钢纤维不易分散的缺陷。
(4) 合成纤维对喷射混凝土、薄板式混凝土、有抗冲耐磨要求的混凝土已显现了极大的经济效益和社会效益。如在建的三峡电站和水布垭电站等,使用合成纤维混凝土都已获得了可观经济效益和社会效益。
(5) 合成纤维作为新型的高分子建筑材料使用于混凝土中,可以替代传统钢筋网、钢纤维,建设成本更加经济,使用操作省时方便,更具有广泛的应用前景。
