摻聚丙烯纖維抗裂防滲混凝土的研制與應用

虞孝偉，張其努，費勤豐，張百進，王萬祥

（吳江公興混凝土有限公司，江蘇  吳江 215221）

 

[摘要]本文通過試驗確定聚丙烯纖維的摻量及混凝土較好配合比，試驗表明，在混凝土中摻入適量的聚丙烯纖維能有效改善混凝土材料物理性能，具有較好的抗滲和抗凍性，并能減少混凝土的早期干縮及塑性裂紋，提高混凝土的抗裂性。通過實際工程中應用取得了顯著效果。

[關鍵詞]  聚丙烯纖維；強度；裂縫；抗滲；抗凍；耐久性

 

1 前言

     現代高強高性能混凝土中，混凝土的應用向著高強度，大流動性方向發展，隨著混凝土強度和坍落度的提高，水泥用量增大，由此帶來的副作用是水化熱加劇，混凝土的凝固收縮量增大，收縮應力增加，裂縫數量增多。此外，隨著建筑構件向大體積、大面積、形狀復雜多樣的方向發展，向地下空間的發展，混凝土內應力大而復雜，裂縫的出現亦較以往多得多，特別是目前工地大都采用商品泵送混凝土，摻粉煤灰、礦粉、膨脹劑等雖有一定效果，但因施工養護及人為因素等，往往在混凝土澆搗后裂縫仍在所難免。文獻報道，近年來美國、法國、日本、丹麥等在混凝土中摻纖維后，能較好地解決以上問題。在我國，隨著高強高性混凝土的廣泛應用，聚丙烯纖維已經在全國20多個省、市、自治區上千個各類工程中得到成功大面積的應用，技術已日臻完善成為防止混凝土裂縫廣泛使用手段之一，為我國合成纖維混凝土開拓了一個良好的發展勢頭。

2 聚丙烯纖維的性能與原理

2．1  聚丙烯纖維的物理性能見表1。

2．2  聚丙烯纖維的原理與作用

      聚丙烯纖維的阻裂主要是指對混凝土早期塑性開裂的抑制作用。

      混凝土中加入聚丙烯纖維后，纖維絲形成了亂向分布的網狀增強系統，聚丙烯纖維與膠凝材料具有極強的結合力，纖維的亂向分布形成可削弱混凝土的塑性收縮，從而有效地增強混凝土的韌性，減少混凝土初凝時收縮引起的裂紋和裂縫，同時，無數的纖維絲在混凝土中形成的支持體系可以有效阻止混凝土骨料的離析，保證混凝土早期均勻的泌水性，從而阻礙了沉降裂縫的形成。

 

 

表1  聚丙烯纖維的物理性能

 

材料	聚丙烯	抗拉強度/MPa	510
纖維類別	束狀單絲	密度（比重）/kg/cm3	0.91
規格長度/mm	12、19	彈性模量/MPa	4100
斷裂伸長率/%	24	纖度/D	6
導電性	低	抗酸堿性	極高
導熱性	低	熔點/℃	160~172

 

3  工程簡介

     吳江農商行工程由蘇州第一建筑集團有限公司承建，位于吳江松陵中山南路以西，體育路以南�？偨ㄖ�面積26024m²，由主樓裙樓及地下人防工程組成。主樓為地上19層及地下室一層，結構總高度84.2m。地下室為筏板基礎總長40m，寬35.6m，厚1.5m，面積1400m²，為大體積混凝土，混凝土設計強度等級C35，抗滲等級S8。包括集水井，電梯間總砼方量2400m³。

     根據工程特點，混凝土中摻適量的聚丙烯纖維，以改善混凝土的物理性能，提高基體的變形能力，增加混凝土的抗裂效果，為了減少水化熱，防止大體積混凝土溫差過大引起結構裂縫，應用適當摻粉煤灰、礦粉、泵送劑、膨脹劑等三摻復合技術。綜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縮、干縮和溫度應力引起的裂縫，從而提高混凝土防裂防水能力。

4  試驗研究與應用

4．1 原材料選擇

   （1）水泥：嘉興錦江P.O42.5水泥，性能指標如下

 

表2  水泥性能指標

 

28d抗壓強度/MPa	初凝時間	終凝時間	標準稠度用水量/%	安定性	堿含量/%
53.6	2h13min	3h10min	26.7	合格	0.5

  

    （2）江西贛江中砂

    細度模數2.6 ，含泥量0.7%，泥塊含量0.2%。

    （3）湖州新開元碎石

    5~25mm連續粒徑，含泥量0.4%，泥塊含量0.1%，針片狀7%，壓碎指標5%，堿含量0.5%。

    （4）粉煤灰 浙江長興華興建材有限公司

    II級粉煤灰，細度14.2%，需水量比96%，燒失量2.48%。

    （5）高效減水劑  吳江永業新科建材公司

YE-III，減水率17%~20%，含堿量0.4%。

    （6）礦粉 湖州天潤礦粉廠

表3  礦粉性能指標

 

密度/g/cm3	比表面積/m2/kg	燒失量/%	流動度mm	活性指標/MPa		級數
				7d	28d
3.1	425	0.01	102	71	102	S95

 

（7）HEA—1 型抗裂防水劑 武漢三源特種材料廠生產

（8）維克纖維WK-2      深圳市維特耐工程材料有限公司生產

4．2  纖維的選擇

      為了確定纖維最佳摻量，我們按（0.5、0.66、0.9）kg/m³的摻量摻入混凝土中與基準混凝土對比，分析聚丙烯纖維對混凝土和易性和力學性能的影響，其試驗結果見表4。

 

表4 混凝土的和易性與力學性能

 

纖維摻量/kg/cm3	坍落度/mm	1h坍落度/mm	抗壓強度/MPa	抗折強度/MPa	劈拉強度/MPa	彈性模量/×104	收縮率/%
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，隨著聚丙烯纖維的摻入，混凝土坍落度減少，抗壓強度略有下降，但抗折、劈拉強度明顯增加，這說明混凝土中摻入適量的纖維能有效抵抗收縮力，溫度應力及外加應力引起的裂縫。

經綜合考慮，我們確定主樓底板摻0.66 kg/cm³，剪力墻、梁板摻量為0.9 kg/cm³聚丙烯纖維。

4．3 聚丙烯纖維、礦粉、膨脹劑及粉煤灰三摻復合對混凝土性能影響。

 

表5  三摻復合混凝土的性能

 

序號	膠凝材料kg/cm3				纖維摻量kg/cm3	坍落度		水膠比	抗壓強度MPa
	水泥（c）	礦粉（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

 

      從表4、5可見，纖維混凝土的坍落度損失稍大些，在保持坍落度一致的情況下，適當增加外加劑摻量，再加上fa、kf、HEA復合使用，混凝土坍落度及泌水有所改善，因為粉煤灰具有火山灰效應，微集料效應及顆粒形態效應，使混凝土性能得到改善，同時采用摻粉煤灰、礦粉、纖維及泵送劑復合摻加法，可以充分利用復合化帶來疊加效應，克服材料單摻給混凝土和易性帶來的不利影響，從而使混凝土拌合物具有良好的工作性能。

主樓底板屬于大體積混凝土，應用了三摻復合技術，可有效降低混凝土水化熱引起的溫度梯度，可以溫度應力與混凝土的初期結構強度，從而減少和防止溫度裂縫的出現，提高混凝土的體積穩定性。

應用了三摻復合技術的混凝土力學性能都有明顯的提高，后期強度持續在增長。

4．4  配合比的確定

     根據設計要求混凝土強度等級為C30、C35、C40、C45聚丙烯纖維混凝土，通過反復對比試驗，確定較好配合比見表6。

4．4．1 混凝土配合比

4．4．2 混凝土配制強度與抗滲試驗

 

表6 混凝土配合比

 

序號	強度等級（MPa）	工程應用部位	水膠比	坍落度（mm）	每方材料用量（kg/m3）
					C	W	S	G	YE-III	F	Kf	纖維	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	筏板基礎	0.48	150	249	180	783	1016	6.75	68	74	0.66
9	C35	后澆帶	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	剪力墻板柱	0.4	180	290	175	748	1016	7.88	63	88	0.9

 

表7 混凝土強度與抗滲試驗

 

序號	強度等級（MPa）	工程應用部位	抗壓強度（MPa）			抗折強度（MPa）	抗滲設計值	實測抗滲值	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	筏板基礎	18.4	24.4	49.5	4.2	P8	>14	10.0
9	C35	后澆帶	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	剪力墻板柱	25.2	37.2	58.2	4.5	P8	>18	8

 

     從表7看出摻入一定量的聚丙烯纖維后，混凝土抗滲性比未摻的有顯著的提高主要是由于在混凝土中摻入了纖維并經過攪拌后，纖維與水泥基材料有較強的結合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻，形成混凝土內部亂向支撐體系，有效地控制水泥基體收縮及離析裂縫的形成，截斷并防止微裂縫的發展，避免貫通毛細孔道的形成。

5  工藝流程

   水泥

  

      水

注：1.纖維投入很簡單，可以直接投入在骨料皮帶輸送機上，盡量使纖維鋪撒均勻，不需特殊工藝。

2.比普通混凝土延長攪拌時間20~30s。

6  工程應用

       該工程主樓及地下人防底板混凝土設計強度等級均為C35，抗滲等級S8，板厚1.5m，總方量為2400m³，屬于大體積混凝土，為了降低水化熱，防止溫差過大引起結構裂縫，除采用低水化熱水泥，并應用加入適量粉煤灰、礦粉、聚丙烯纖維復合摻加技術，適當延長攪拌時間，使混凝土內纖維分散均勻，沒有絮凝現象，拌合物表現良好的保水性和粘聚性，混凝土性能良好，在整個澆灌過程中，沒有發生堵塞，也未發現裂紋。

6．1 混凝土溫差情況及分析

      該工程大體積混凝土基礎底板于2006年3月20日19：00開始澆搗，2006年3月22日15：20澆搗完畢。共設置9個測溫點，H1測溫點自2006年3月22日3：18首先進入溫度高峰值，中心最高溫度達54.4℃，表面溫度達34.8℃，大氣溫度19.6℃，H6測試點自2006年3月22日3：35中心最高溫度達55.9℃，表面溫度33.8℃，大氣溫度11.7℃。從第四天各測點開始進入降溫過程，從整個溫度監測結果來看，內外溫差值未超過監測溫度25℃，均在溫控要求數值內，沒有產生較大的溫度梯度，我們采取覆蓋一層塑料薄膜，再覆蓋一層麻袋進行保溫保濕養護，由于采取嚴密覆蓋的混凝土養護措施，能夠有效控制大體積混凝土筑塊的內外溫差，滿足降溫速率要求，使大體積混凝土澆筑塊體始終處于良好養護狀態，最終達到溫控預期目的。

6．2工程部位及混凝土質量控制水平表

               

表8  混凝土質量控制水平表

 

 

注：F_fcu28——標準養護  n——試件組數   N_fcu——強度平均值  S_fcu——強度標準差

按GB107—87中強度評定的統計方法評定全部合格。

6．3由于摻加了少量的纖維，要求施工方對結構混凝土加強振搗，比普通混凝土延長30s，并加強10d以上的薄膜、麻袋覆蓋保溫，保濕養護，以保證結構混凝土強度的正常增長，特別是應用三摻復合技術，持續保濕能保證混凝土后期強度的提高，最終我們在施工方、監理和工程質量檢測中心對混凝土強度進行試壓后，強度均超過設計要求，順利通過結構驗收，使甲方感到十分滿意。

7  經濟性與適應性

      在農商行采用聚丙烯纖維混凝土，與不摻纖維單價增加48元/m³,似乎增加了工程造價，但在混凝土結構中通常材料費用的份額是很低的，同樣采用了新的材料使混凝土性能有了顯著改善，質量得到保證，耐久性的提高會使結構安全使用期得到保證甚至延長，維修費用也降低，由此產生經濟效益和社會效益會超過混凝土材料和制作費用很多。

8 結論

（1）混凝土摻適量的聚丙烯纖維是克服其開裂有有效途徑，能較大幅度提高混凝土抗裂抗滲抗凍性能，增加其耐久性。

（2）采用粉煤灰、礦粉、膨脹劑及泵送劑復合摻加法，可以綜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縮、干縮和溫度應力等引起的裂縫，提高混凝土的抗裂防水能力。

（3）應用三摻復合技術，要有嚴格控溫、保濕養護措施才能有效防止混凝土裂縫產生。

（4）施工實踐證明摻加聚丙烯纖維已成為改善混凝土性能為廣泛的使用手段之一，隨著我國高強高性能混凝土的應用而具有廣闊的應用前景。

 

參考文獻

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[5]粉煤灰利用手冊（第二版）.中國電力出版社，2004.10

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