掺聚丙烯纤维抗裂防渗混凝土的研制与应用

虞孝伟，张其努，费勤丰，张百进，王万祥

（吴江公兴混凝土有限公司，江苏  吴江 215221）

 

[摘要]本文通过试验确定聚丙烯纤维的掺量及混凝土较好配合比，试验表明，在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维能有效改善混凝土材料物理性能，具有较好的抗渗和抗冻性，并能减少混凝土的早期干缩及塑性裂纹，提高混凝土的抗裂性。通过实际工程中应用取得了显著效果。

[关键词]  聚丙烯纤维；强度；裂缝；抗渗；抗冻；耐久性

 

1 前言

     现代高强高性能混凝土中，混凝土的应用向着高强度，大流动性方向发展，随着混凝土强度和坍落度的提高，水泥用量增大，由此带来的副作用是水化热加剧，混凝土的凝固收缩量增大，收缩应力增加，裂缝数量增多。此外，随着建筑构件向大体积、大面积、形状复杂多样的方向发展，向地下空间的发展，混凝土内应力大而复杂，裂缝的出现亦较以往多得多，特别是目前工地大都采用商品泵送混凝土，掺粉煤灰、矿粉、膨胀剂等虽有一定效果，但因施工养护及人为因素等，往往在混凝土浇捣后裂缝仍在所难免。文献报道，近年来美国、法国、日本、丹麦等在混凝土中掺纤维后，能较好地解决以上问题。在我国，随着高强高性混凝土的广泛应用，聚丙烯纤维已经在全国20多个省、市、自治区上千个各类工程中得到成功大面积的应用，技术已日臻完善成为防止混凝土裂缝广泛使用手段之一，为我国合成纤维混凝土开拓了一个良好的发展势头。

2 聚丙烯纤维的性能与原理

2．1  聚丙烯纤维的物理性能见表1。

2．2  聚丙烯纤维的原理与作用

      聚丙烯纤维的阻裂主要是指对混凝土早期塑性开裂的抑制作用。

      混凝土中加入聚丙烯纤维后，纤维丝形成了乱向分布的网状增强系统，聚丙烯纤维与胶凝材料具有极强的结合力，纤维的乱向分布形成可削弱混凝土的塑性收缩，从而有效地增强混凝土的韧性，减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝，同时，无数的纤维丝在混凝土中形成的支持体系可以有效阻止混凝土骨料的离析，保证混凝土早期均匀的泌水性，从而阻碍了沉降裂缝的形成。

 

 

表1  聚丙烯纤维的物理性能

 

材料	聚丙烯	抗拉强度/MPa	510
纤维类别	束状单丝	密度（比重）/kg/cm3	0.91
规格长度/mm	12、19	弹性模量/MPa	4100
断裂伸长率/%	24	纤度/D	6
导电性	低	抗酸碱性	极高
导热性	低	熔点/℃	160~172

 

3  工程简介

     吴江农商行工程由苏州第一建筑集团有限公司承建，位于吴江松陵中山南路以西，体育路以南。总建筑面积26024m²，由主楼裙楼及地下人防工程组成。主楼为地上19层及地下室一层，结构总高度84.2m。地下室为筏板基础总长40m，宽35.6m，厚1.5m，面积1400m²，为大体积混凝土，混凝土设计强度等级C35，抗渗等级S8。包括集水井，电梯间总砼方量2400m³。

     根据工程特点，混凝土中掺适量的聚丙烯纤维，以改善混凝土的物理性能，提高基体的变形能力，增加混凝土的抗裂效果，为了减少水化热，防止大体积混凝土温差过大引起结构裂缝，应用适当掺粉煤灰、矿粉、泵送剂、膨胀剂等三掺复合技术。综合改善新拌混凝土和硬化混凝土的性能，有效地控制混凝土塑性收缩、干缩和温度应力引起的裂缝，从而提高混凝土防裂防水能力。

4  试验研究与应用

4．1 原材料选择

   （1）水泥：嘉兴锦江P.O42.5水泥，性能指标如下

 

表2  水泥性能指标

 

28d抗压强度/MPa	初凝时间	终凝时间	标准稠度用水量/%	安定性	碱含量/%
53.6	2h13min	3h10min	26.7	合格	0.5

  

    （2）江西赣江中砂

    细度模数2.6 ，含泥量0.7%，泥块含量0.2%。

    （3）湖州新开元碎石

    5~25mm连续粒径，含泥量0.4%，泥块含量0.1%，针片状7%，压碎指标5%，碱含量0.5%。

    （4）粉煤灰 浙江长兴华兴建材有限公司

    II级粉煤灰，细度14.2%，需水量比96%，烧失量2.48%。

    （5）高效减水剂  吴江永业新科建材公司

YE-III，减水率17%~20%，含碱量0.4%。

    （6）矿粉 湖州天润矿粉厂

表3  矿粉性能指标

 

密度/g/cm3	比表面积/m2/kg	烧失量/%	流动度mm	活性指标/MPa		级数
				7d	28d
3.1	425	0.01	102	71	102	S95

 

（7）HEA—1 型抗裂防水剂 武汉三源特种材料厂生产

（8）维克纤维WK-2      深圳市维特耐工程材料有限公司生产

4．2  纤维的选择

      为了确定纤维最佳掺量，我们按（0.5、0.66、0.9）kg/m³的掺量掺入混凝土中与基准混凝土对比，分析聚丙烯纤维对混凝土和易性和力学性能的影响，其试验结果见表4。

 

表4 混凝土的和易性与力学性能

 

纤维掺量/kg/cm3	坍落度/mm	1h坍落度/mm	抗压强度/MPa	抗折强度/MPa	劈拉强度/MPa	弹性模量/×104	收缩率/%
0	195	175	56.4	4	3.45	3.7	0.45
0.5	190	165	55	4.2	4.1	3.8	0.43
0.66	185	160	54.5	4.3	4.25	3.8	0.42
0.9	180	157	54.1	4.36	4.43	3.9	0.41

 

     由表4可以看出，随着聚丙烯纤维的掺入，混凝土坍落度减少，抗压强度略有下降，但抗折、劈拉强度明显增加，这说明混凝土中掺入适量的纤维能有效抵抗收缩力，温度应力及外加应力引起的裂缝。

经综合考虑，我们确定主楼底板掺0.66 kg/cm³，剪力墙、梁板掺量为0.9 kg/cm³聚丙烯纤维。

4．3 聚丙烯纤维、矿粉、膨胀剂及粉煤灰三掺复合对混凝土性能影响。

 

表5  三掺复合混凝土的性能

 

序号	胶凝材料kg/cm3				纤维掺量kg/cm3	坍落度		水胶比	抗压强度MPa
	水泥（c）	矿粉（kf）	粉煤灰（fa）	HEA		始初	1h		7d	28d	60d
1	270	82	69	/	0	195	175	0.43	36.0	56.4	66.8
2	270	82	69	/	0.5	185	160	0.43	35.2	55.0	64.7
3	270	82	69	/	0.66	185	160	0.43	34.6	54.5	64.4
4	270	82	69	0.9	185	160	0.43	34.2	54.1	63.0	/
5	270	46	69	36	0.66	185	162	0.43	35.1	55.0	65.0

 

      从表4、5可见，纤维混凝土的坍落度损失稍大些，在保持坍落度一致的情况下，适当增加外加剂掺量，再加上fa、kf、HEA复合使用，混凝土坍落度及泌水有所改善，因为粉煤灰具有火山灰效应，微集料效应及颗粒形态效应，使混凝土性能得到改善，同时采用掺粉煤灰、矿粉、纤维及泵送剂复合掺加法，可以充分利用复合化带来叠加效应，克服材料单掺给混凝土和易性带来的不利影响，从而使混凝土拌合物具有良好的工作性能。

主楼底板属于大体积混凝土，应用了三掺复合技术，可有效降低混凝土水化热引起的温度梯度，可以温度应力与混凝土的初期结构强度，从而减少和防止温度裂缝的出现，提高混凝土的体积稳定性。

应用了三掺复合技术的混凝土力学性能都有明显的提高，后期强度持续在增长。

4．4  配合比的确定

     根据设计要求混凝土强度等级为C30、C35、C40、C45聚丙烯纤维混凝土，通过反复对比试验，确定较好配合比见表6。

4．4．1 混凝土配合比

4．4．2 混凝土配制强度与抗渗试验

 

表6 混凝土配合比

 

序号	强度等级（MPa）	工程应用部位	水胶比	坍落度（mm）	每方材料用量（kg/m3）
					C	W	S	G	YE-III	F	Kf	纤维	HEA
6	C30	梁板	0.55	180	191	175	812	1036	4.14	67	70
7	C30	梁板	0.54	160	219	180	826	1007	5.33	61	67	0.66
8	C35	筏板基础	0.48	150	249	180	783	1016	6.75	68	74	0.66
9	C35	后浇带	0.48	160	287	180	783	1016	6.9	68	0	0.66	36
10	C40	梁板柱	0.44	180	270	175	776	1030	7.36	69	82	0.66
11	C45	剪力墙板柱	0.4	180	290	175	748	1016	7.88	63	88	0.9

 

表7 混凝土强度与抗渗试验

 

序号	强度等级（MPa）	工程应用部位	抗压强度（MPa）			抗折强度（MPa）	抗渗设计值	实测抗渗值	透水深度（cm）
			3d	7d	28d
6	C30	梁板	16.5	22.8	43.5	3.5	P8	10	13.5
7	C30	梁板	17.8	23.6	46.5	4.0	P8	>12	11.5
8	C35	筏板基础	18.4	24.4	49.5	4.2	P8	>14	10.0
9	C35	后浇带	18.6	25.1	50.3	4.2	P8	>14	10.2
10	C40	梁板柱	20.2	33.2	52.6	4.3	P8	>16	10
11	C45	剪力墙板柱	25.2	37.2	58.2	4.5	P8	>18	8

 

     从表7看出掺入一定量的聚丙烯纤维后，混凝土抗渗性比未掺的有显著的提高主要是由于在混凝土中掺入了纤维并经过搅拌后，纤维与水泥基材料有较强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布均匀，形成混凝土内部乱向支撑体系，有效地控制水泥基体收缩及离析裂缝的形成，截断并防止微裂缝的发展，避免贯通毛细孔道的形成。

5  工艺流程

   水泥

  

      水

注：1.纤维投入很简单，可以直接投入在骨料皮带输送机上，尽量使纤维铺撒均匀，不需特殊工艺。

2.比普通混凝土延长搅拌时间20~30s。

6  工程应用

       该工程主楼及地下人防底板混凝土设计强度等级均为C35，抗渗等级S8，板厚1.5m，总方量为2400m³，属于大体积混凝土，为了降低水化热，防止温差过大引起结构裂缝，除采用低水化热水泥，并应用加入适量粉煤灰、矿粉、聚丙烯纤维复合掺加技术，适当延长搅拌时间，使混凝土内纤维分散均匀，没有絮凝现象，拌合物表现良好的保水性和粘聚性，混凝土性能良好，在整个浇灌过程中，没有发生堵塞，也未发现裂纹。

6．1 混凝土温差情况及分析

      该工程大体积混凝土基础底板于2006年3月20日19：00开始浇捣，2006年3月22日15：20浇捣完毕。共设置9个测温点，H1测温点自2006年3月22日3：18首先进入温度高峰值，中心最高温度达54.4℃，表面温度达34.8℃，大气温度19.6℃，H6测试点自2006年3月22日3：35中心最高温度达55.9℃，表面温度33.8℃，大气温度11.7℃。从第四天各测点开始进入降温过程，从整个温度监测结果来看，内外温差值未超过监测温度25℃，均在温控要求数值内，没有产生较大的温度梯度，我们采取覆盖一层塑料薄膜，再覆盖一层麻袋进行保温保湿养护，由于采取严密覆盖的混凝土养护措施，能够有效控制大体积混凝土筑块的内外温差，满足降温速率要求，使大体积混凝土浇筑块体始终处于良好养护状态，最终达到温控预期目的。

6．2工程部位及混凝土质量控制水平表

               

表8  混凝土质量控制水平表

 

 

注：F_fcu28——标准养护  n——试件组数   N_fcu——强度平均值  S_fcu——强度标准差

按GB107—87中强度评定的统计方法评定全部合格。

6．3由于掺加了少量的纤维，要求施工方对结构混凝土加强振捣，比普通混凝土延长30s，并加强10d以上的薄膜、麻袋覆盖保温，保湿养护，以保证结构混凝土强度的正常增长，特别是应用三掺复合技术，持续保湿能保证混凝土后期强度的提高，最终我们在施工方、监理和工程质量检测中心对混凝土强度进行试压后，强度均超过设计要求，顺利通过结构验收，使甲方感到十分满意。

7  经济性与适应性

      在农商行采用聚丙烯纤维混凝土，与不掺纤维单价增加48元/m³,似乎增加了工程造价，但在混凝土结构中通常材料费用的份额是很低的，同样采用了新的材料使混凝土性能有了显著改善，质量得到保证，耐久性的提高会使结构安全使用期得到保证甚至延长，维修费用也降低，由此产生经济效益和社会效益会超过混凝土材料和制作费用很多。

8 结论

（1）混凝土掺适量的聚丙烯纤维是克服其开裂有有效途径，能较大幅度提高混凝土抗裂抗渗抗冻性能，增加其耐久性。

（2）采用粉煤灰、矿粉、膨胀剂及泵送剂复合掺加法，可以综合改善新拌混凝土和硬化混凝土性能，有效地控制混凝土塑性收缩、干缩和温度应力等引起的裂缝，提高混凝土的抗裂防水能力。

（3）应用三掺复合技术，要有严格控温、保湿养护措施才能有效防止混凝土裂缝产生。

（4）施工实践证明掺加聚丙烯纤维已成为改善混凝土性能为广泛的使用手段之一，随着我国高强高性能混凝土的应用而具有广阔的应用前景。

 

参考文献

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[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京建筑出版社

[3]吴中伟.高性能混凝土及矿物细掺料[J].建筑技术，1999.PP.21—23。

[4]钢筋混凝土结构裂缝控制指南（第二版），2006.2。

[5]粉煤灰利用手册（第二版）.中国电力出版社，2004.10

[6]复合矿渣掺合料高性能混凝土的研究与应用[J].施工技术，2005，（4）