粗合成纤维混凝土的性能及应用.pdf

2 0 1 0年第 1 期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 0l 0 No l Fe br u a r y 粗合成纤维混凝土的性能及应用 焦红娟 ， 史小兴 ， 刘丽君 ( 北 京 中纺纤建 科技有 限公 司 ， 1 0 0 0 2 5 ) 摘要 ： 粗合成纤维 是继钢 纤维 和细纤 维之后 的一种 新型纤维 ， 兼有细纤维的抗裂性能和钢纤维的增强 、 增韧特点 。通过试 验 ， 分析研究 了粗合成纤维在混凝土中的作用及其对混凝土的各项性 能改善 ， 并介绍 了国内外对粗合成纤维 的研究和应用情况 。 关键词 ： 粗合成纤维 ； 混凝土 ； 性 能； 应用 中图分类号 ： T U 5 2 8 ．5 7 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7( 2 0 1 0 ) 0 1 — 4 6 — 0 4 0前 言 纤维增强混凝土是 以混凝 土为基材 ，以各种纤维 为增强相组成的复合材料。纤维从微观机制上改善 了 基 体材料 的性能 ， 弥补 了混凝 土抗 拉强度低 、 韧性差 、 极 限延性 率小等缺点 。 在混凝土 中掺人细合成纤维是解决混凝 土早期开 裂的简单有效方法 ， 然而 ， 细纤维的掺量 一般较小 ， 对 于硬化混凝 土韧性和后期抗裂性的改善很小 。工程 中 常用钢纤维来提 高硬化混凝土 的后期开裂性能 、韧性 及抗 冲击性 能 ， 但 钢纤维存 在锈蚀 问题 ， 且 重量较 大 、 造价较高 ， 施工中常有结 团现象 。目前 ， 粗合成纤维 不 断得到发展并引进市场 ， 较细纤维而言 ， 粗合成纤维可 采用更高的体积掺量 ， 为混凝土裂后提供承载力 。 这类 纤维与钢纤维有很 多类似 的特点 ，同时又较好地克服 了钢纤维 的缺点 ， 在应用 中可作为钢纤维 的替代 品， 有 着较广 阔的应用前景。 1 粗合成 纤维 的特性和在混凝土中的作用 1 ． 1 粗合成纤维 的特性 粗合成纤维 主要有聚丙烯 或聚 乙烯所 属聚烯烃 、 聚乙烯醇 、 聚丙烯腈 、 聚酰胺及它们 的混合物 。粗合成 纤维 的当量 直径在 0 ． 1 m m 以上 ， 且具有较 高 的初始模 量 。粗合成纤维 的体积掺量可 比细纤维大 ，最大可达 1 ． 3 5 ％( 即 1 2 k ~ m ) 。 此外 ， 粗合成 纤维 的比钢纤维有更 好 的而酸碱腐蚀性 ， 在分 散性 、 对机 械的磨损 、 运 输及 拌合等方面 ，粗合成纤维也较钢纤维表现 出了更强的 优势 。 目前 ，市场上的粗合成纤维主要为 以聚丙烯为主 的聚烯烃类材料 。 通过添加特制改性材料 ， 并且应用多 种锚 固机制开发 的粗合成纤维 ， 可提高纤维粘结性 、 分 散性 ， 由此增强 了与混 凝土的粘结力和握裹力。 图 1 为 国 内外几种常见粗合成纤维 ，表 1为常用粗合成纤维 的性能指标 。 国外粗合成纤维 表 1 常见粗合成纤维性 能指标 国内有机仿钢纤粗合成纤维 图 1 常见粗合成纤维形貌 1 - 2 粗合成纤维在混凝 土中的作用机理 掺粗合成纤维的混凝 土在拉伸荷载或弯 曲荷载的 作用下 ， 最初是纤 维与混凝土共 同承担外力 ， 使纤维混 凝 土复合材料呈现弹性 变形 ，一旦混凝 土达到其极限 抗拉 强度值时 即产 生裂缝 ( 即初裂 ) ， 混凝 土通过它与 — 4 6— ． 纤维 的界面将荷载转递 给纤维 ，复合材料的承载能力 随变形 的继续增 加而有所下降 。其承载能力 的下降速 率主要取决于纤维的体 积率 、纤维与混凝土 的界面粘 结强度 、 纤维长度 以及纤 维的弹性模量 。 与细合成纤维 比 ， 粗合成纤维体积率高 、 长度大 、 弹性模量较高 ， 尤其 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 焦红娟， 史小兴 ， 刘丽君 粗合成纤维混凝土 的性能及应用 是纤维与混凝 土的界面粘结强度高 ，能减缓混凝土 中 裂缝的扩展 ， 并承接混凝土所转递 的荷载 。 在继续受荷 过程中 ， 纤维被拉伸至与混凝土的粘结削弱 ， 最后从混 凝土中被拔 出而导致复合材料破坏 。由于粗合成纤维 能使混凝土在 出现裂缝后仍然具有一定的承载与变形 能力 、吸收较多的能量 ，因而可显著提高混凝土 的韧 性 ， 并相应提高混凝土的抗冲击 性与延 展性 。 2粗合成 纤维对 混凝土性能的影响 2 ． 1 粗合成纤维混凝土 的工作性能 粗合 成纤维 比钢纤维具有更好 的和易性 和拌 和性 能 ， 但粗合成纤维在掺量较高 的情况下 ， 混凝 土的坍 落 度会有一定程度的下 降 ，其下 降程度一般不影 响其 工 作性能 ，必要 时可通过掺加减水剂或增 塑剂来保证 其 坍落度。 2 ． 2 粗合成纤维混凝土 的强度 粗合成纤维对混凝土的抗压强度影响不大 ，当掺 量较低时 ， 混凝土的强度在一 定范围内有所 提高 ， 提高 幅度不超过 5 ％。当纤维掺量超过 1 l k g ／ m 时 ， 混凝 土 的抗压强度开始降低。 粗合成纤维对混凝 土的抗 折强度 提高明显 ，当纤 维掺量 由 5 k g ／ m 增 加到 1 l k g ／ m 时 ，抗折 强度增长率 由 1 ． 6 ％增加到 1 3 _ 3 ％。 2 ． 3 粗合成纤维混凝 土的弯曲韧性 粗合 成纤 维混凝 土 的弯 曲韧性试 验按 照 R I L E M 标 准进 行 。在 弯 曲韧 性 试 验 中 ，试 验 梁 的尺 寸 为 1 5 0 mm~ 1 5 0 mm~ 5 5 0 mm， 跨 度 5 0 0 mm， 下部有 2 5 ram深 的开 口，使用 1 0 0 0 k N液压伺 服试验 机 ，等速位 移控 制 ，跨 中位 移速率为 0 ． 2 mm／ mi n，两侧用 位移传感 器 ( L V D T ) ~ J 定梁的跨 中挠度 ， 梁 的底部用夹式 引伸 仪测 定裂缝 口扩展宽度( C MO D) ，混凝土试件浇注后 2 8 d 进行试验。 图 2为粗合成纤维 与钢纤维 混凝土梁 的荷载一 挠 度曲线 。由图 2可以看出 ， 与素混凝土梁相 比， 粗合成 Z } 逭 1 5 1 0 0 0 ． 0 0 ． 5 1 ． 0 1 ． 5 2 ．0 2 ． 5 3 ． 0 3 ． 5 挠 度／ m m 图 2 粗合成纤维混凝土与素混凝土梁的荷载一 挠度曲线 图中， P P A 2代表粗合成 纤维掺 量 2 k g ／ m ； P P A 4代 表粗 合成纤 维 掺量 4 k g ／ m ； P P A 6代表粗合成纤维掺量 6 k g ／ m 。 纤维 混凝土梁 的抗 弯强度 有较 大程度 的提高( 2 0 ％～ 3 0 ％) ， 且 随着 掺量 的增加 ， 混凝 土梁裂后 承载力 有较 大的提高。纤维掺 量越 高 ， 曲线 下降越平缓 ， 说 明纤维 掺量 的增加 提高了混凝土试件的韧性 。 图 3为粗合成纤维 、钢纤维及二种纤 维混杂混凝 土梁的荷载挠度曲线。 由图 3可 以看出 ， S F 3 O P P A 4与 S F 3 0 相 比 ， 混凝土 的韧性显著提高 ， 当跨中挠度为 ( 8 0 + 0 ． 6 5 )时 ，对应 的能量吸收值 和等效抗弯强度提 高了 5 5 ％， 当跨 中挠度 为( 6 n + 2 ． 6 5 ) 时 ， 对应 的能量 吸收值 和 等效抗弯强度提高 了 1 1 7 ％。 S F 5 O P P 6与 S F 5 0相比 ， 混 凝土 的韧性亦 有不小 的提高 ， 当跨 中挠度 为 ( 8 o + 0 ． 6 5 ) 时 ， 对应 的能量吸收值和等效抗弯强度提高了 2 3 ％， 当 跨 中挠度为 ( 8 。 十 2 ． 6 5 ) 时 ， 对 应 的能量 吸收值 和等效抗 弯强度提高 了 7 5 ％。 S F 3 0 P P 4 与 S F 5 0 增韧效果基本相 当 ， 当跨 中挠度 为( 6 0 + 0 ． 6 5 ) 时 ， 对应 的能量吸收值和等 效抗弯强度仅低 l 0 ％， 而 当跨 中挠度为 ( 8 0 + 2 ． 6 5 ) 时 ， 对 应 的能量 吸收值 和等效抗弯强度提高 l 8 ％，表明随着 跨 中挠 度与裂 缝 口扩 展宽度 的增加 ， S F 3 O P P 4在梁 开 裂 后的承载力更 为稳定 。 2 5 2 O l 5 Z 1 0 枢 5 O 0 ．0 0．5 1 ．0 1 ， 5 2 ． 0 2 ．5 3 ．0 3 ． 5 挠 度／ m m 图 3 粗合成纤维与钢纤维混杂混凝土梁的荷载一 挠度 曲线 图 中 ， S F 5 0 P P A 6代 表 钢纤 维掺 量 5 0 k g ／ m + 粗 合成 纤维 掺 量 6 k s ／ m ； S F 3 0 P P A 4代 表钢 纤 维掺 量 3 0 k g ／ m + 粗合 成 纤维 掺量 4 k g ／ m ； S F 5 0代表钢纤维掺量 5 0 k g ／ m ； S F 3 0代表钢纤维掺量为 3 0 k g ／ m 。 2 ． 4粗合 成纤 维混凝 土的抗 冲击性 用 落锤法对 比了素混凝土与粗合成纤维 与哑铃型 钢纤维 的抗 冲击性 。 试 验方法 ： 锤重 2 ． 5 k g ， 冲击高度为 4 0 0 m m， 梁两端为简 支 ， 净跨 3 4 0 m m， 试验结果 见表 2 。 表 2中冲击次 数为 1 0个试件 的平均值 。由表 2可见 ， 钢纤维对混凝土初裂冲击性能的提高优于粗合成纤 维 ，而粗合成 纤维对 混凝土破坏 冲击性 能的提高优于 钢纤维 。 2 ． 5 粗合 成纤 维混凝 土的耐久性 下 面是 国外某机构对粗合成纤维混凝 土及钢 纤维 混 凝土 的耐久 性试 验研 究 ，试件 成 型后 ，标 准养 护 2 8 d ， 在 实验机上 对混凝 土梁加载 预制裂缝 ， 裂缝 的宽 —— 47— ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 1 期 混凝土与水泥制 品 总第 1 7 1 期 表 2 粗合成纤维与钢纤维对混凝 土抗 冲击性能的影响 度约 l mm。测得 2 8 d时板的能量吸收值 。将已开裂 的 钢纤维混凝 土、粗合成纤 维混凝 土试件均放置在露天 环境 1 年 ， 然后再 二次加载承载力试 验 ， 测定荷 载一 挠 度全曲线 ， 求得剩余能量吸收值 ， 结果见表 3 。 由表 3中数据 可 以看 出 ， 1年后粗 合成纤 维混凝 土能量吸收值几乎未减 ，而钢纤 维的能量 吸收值 明显 下降 ， 即承载力及变形能力损失严重。 从试件的破坏 面 上 ，从混凝 土拔 出的粗合成纤维完好无损 ，无 腐蚀现 象 ， 而从混凝 土中拔 出的钢纤维严重锈 蚀 ， 大部分被拔 断 。 由此可见 ， 粗合成纤维 比钢纤 维具有更好的抗腐蚀 性能 ， 比钢纤维更合适在潮湿环境下使用 。 表 3 纤维混凝 土梁 2 8 d和 1年后能量 吸收值 3粗合成 纤维 的应用 3 ． 1 喷射混凝土 ( 隧道与矿井 ) 纤维增强喷射混凝 土在作为地下坑道支护等使用 时具有容纳可能发生的大变形 的能力 。使用粗合成纤 维的另一优点是可 以消除在喷射 混凝 土中因纤维外露 而引起安全 隐患 。 澳大利亚 R i d g e w a y 矿的倾斜式传送带入 口处衬 砌使用 了粗合成纤维 ， 掺量约为 7 k m 。 日本 的很多公路与铁路隧道中将粗合成纤维用 于 初期衬砌 ， 掺量约为 9 k g ／ m 。H o k u fi k u 新 干线 ( 子弹头 火车 ) 上 ， 2 2 k m长 的 L i y a ma 铁路隧道 的衬砌就使 用了 约 5 2 0 0 0 m 的粗合成纤维增强混凝土 。由东京至名古 屋 的高速公路 和名古屋至神户的高速公 路上的公路 隧 道 中也使用了粗合成纤维 。 英 国肯特郡 的 S t r o o d和 H i g h a m铁路 隧道重新设 置衬砌时使用了掺加粗合成纤维的强度等级为 4 0 M P a 的 自密 实混凝土 ， 用掺量 为 8 k g ／ m 的粗合成纤维 代替 控制裂缝的钢筋网 ， 不但节约工程的工时与造价 ， 且衬 砌的表面质量很好 ， 只看到非常少的纤维， 而无使用钢 筋 网的腐蚀现象及表 面斑点 。 —— 48— ． 在国内 ，福建省某 空军工程 中的通道边墙喷护采 用 了粗合成 纤维 ， 掺量 6 k 咖 ， 浇 筑完工后 ， 边墙表 面 光滑 ， 无刺毛 、 无裂缝 ， 整体效果很好。 3 ． 2 地基承载板 ( 公路 、 道路面层 与硬表面停车场) 粗合成纤维可代替钢纤维或传统 的钢筋 网用于混 凝 土地基承载板 。 其纤维掺量取决于地板厚度 、 接缝 中 心 间距 以及荷 载 特 性 等 因素 。 当地 板 厚 度 在 1 5 0 ～ 2 5 0 m m范 围内时 ， 粗合 成纤 维 的掺量 为 2 - 7 k ~ m 3 。若 所设 计的地板不需要有裂后承载能力 ，而只要提高耐 磨性 ， 则 可用较低 的掺量。 英 国 T y n e 港 的 R i v e r s i d e Q u a y 道路 面层修补 时 ， 在混凝土 中同时使 用 了粗合成纤 维和聚丙烯 细纤 维 。 该港 口是用来 出 口废金属的 ， 因此 ， 路 面板要经受载重 装备 ( 包括履带式车辆 ) 以及上 千吨的废金属 的高度磨 损。 美国盐湖城一主要零售商 品中心 的停车与装货 区 使 用 了掺 粗 合 成 纤 维 的地 基 承 载 板 ，总共 铺 装 约 1 6 0 0 0 m ， 停 车区的板厚为 1 5 0 m m， 货车装运 重载的船 坞 区的板厚 为 2 0 0 ～ 2 5 0 m m，粗合成 纤维掺量 约为 2 ． 6 k g ／ m’ 。 英 国剑桥郡 A 4 2 8国道改造工程 中 ，用 粗合成纤 维 与 细 纤 维 ，铺 装 了 约 1 2 k m 长 ，混 凝 土 厚 度 为 1 8 0 ra m， 粗合成纤 维掺量 4 k m 。 美 国芝加 哥西 大街 的公共 汽车 停车 场重新 整修 时 ，使用了粗合成纤维增强的混凝 土罩面层 来替代普 通混凝 土板 。此罩面层的厚度为 1 0 0 mm， 而混凝土板 的厚度至少是 2 5 0 mm， 因而工程造价大大降低 。 在 国内， 河北廊涿高速公路施工 中， 为了提高路 面 的动 荷 载 承 载 能 力 和 耐 久性 能 ，在 混 凝 土 中掺 入 4 ． 5 k m 的粗合成纤 维和 5 4 k g ／ m 的钢纤维 ， 混凝 土拌 和性能和施工性能较好 ，混凝土各项指标均满足设 计 要求 。 新疆某机场跑道 ， 为了解决大面积路面裂缝问题 ， 提高混凝土 的抗磨性能和舒适性 ，在混凝土 中掺人 了 7 k m 的粗合成纤维和 0 ． 9 k m 细纤维 ， 效果 良好 。 3 ． 3 铁道与非磁性应用 在英 国 ，由伦敦凯 宁镇 至城市机 场 D o e k l a n d s的 轻轨 铁路 4 ． 4 K m 延伸线 上使 用 了粗合成纤 维 增强 的 轨道板 。选 用纤维 而不用传统钢筋是考虑到钢 材对板 顶表面的感 应线 圈有影响 。 线圈控制操纵 台上的电脑， 而 电脑又控制车速和信号 。 试验表明 ， 纤维混凝土可提 供合适 的拔出阻力 ，因此使压住螺栓的轨道板 钻孔后 可 固定在纤维增 强混凝土板 中。板 中没有普通钢筋使 此操作得以简化 ，可在轨道板的任何处钻孔而不会损 伤钢材 。 粗合成纤维也可用 于要求无磁场或无感应 电流的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 红娟 ， 史 小兴 ， 刘丽 君 粗合 成纤 维混 凝 土的性 能及应 用 达站及其他领域 。 4其他 应用 粗合成纤维混凝土还可应用在排水管道 、电缆槽 ] 桥面的永久性模板等处。在爱尔兰所进行 的比较试 ≥ 表明 ，粗合成纤维增强水 泥永久性模板 的功能优 于 使用 的玻璃纤维增强水泥永久性 模板 。在美 国粗合 ￡ 纤维被用来制造预制 的阶梯构件 以替代踏板 、竖板 侧壁 中的钢筋 网，使用纤维还 可克服在 薄断面 中配 } 钢筋 网的困难 。 结语 粗合成纤维用于混凝 土中具有较好 的抗 裂 、 增强 、 } 韧性能 ， 用于隧道 支护 、 深井巷道 、 桥 面铺装 、 装 货码 、路面铺装层工程中 ， 可 以很好 的解决混凝 土的脆性 ： 、 耐久 性差等缺点 ， 同时具有 很好的抗裂 效果 ， 是 一 种集优越 的力学性能 、良好 的耐久性能 以及经济性 于 一 体的新型工程材料。 参考文献 ： [ 1 】 史小兴主编． 建筑 工程纤 维应用技 术． 北京： 化学工业 出版社． 2 0 0 8 ． [ 2 ]中 国工 程建 设 标 准化 协会 标 准． 《 钢 纤维 混 凝土 试 验 方法 》 CECS 1 3 ： 8 9 ． [ 3 ] 沈荣熹． 两类合成纤维在混凝土中的作用及使用效果( 下) ． 商品混 凝土， 2 0 0 8 ( 5 ) ． [ 4 l X l~ 宗才． 高性能合成纤维混凝土[ M] ． 北京 ： 科学 出版社， 2 0 0 3 ． 收稿 日期 ： 2 0 0 9 - 1 2 — 1 1 作者简介 ： 焦红娟( 1 9 7 7 一 ) ， 女 ， 工程师 。 通讯地址 ： 北京朝阳区延 静里中街 3号 联 系电话 ： 1 3 8 1 1 9 0 2 7 5 3 E—mail ： t e ch n i c @c t a f ib er ．co m．ca 寥警盛钢骑焉 惑热． 曩 刃跨求誊 嚣J }纾照 曩碍： 羝缱 产墨 ◆ ★ 钢纤维混凝土性能：具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、 阻裂 、耐冲击、耐疲劳、高韧性等性能。 ◆ ◇ 聚丙】 i季单熊 c网状 )纤维： 有效地控制混凝土砂浆塑性收 而引发的裂缝形成和发展，大大改善混凝土砂浆抗裂防渗 缩、形变 物理力学 性能，增加抗冲击、耐疲劳和抗冻能力，减少喷射混凝土的回弹率。 ◇ ◆应用范围．i公路路面、桥梁、机场道面、隧道、矿井、引水洞、 军事 、水利 ( 水坝、储水池、水渠等) 、港 工 ( 码头、防波堤等) 、工业 民 用建 筑 工程 ( 屋面、地坪、墙体、水池、地下室、砌体的砂浆抹面等) 、钢纤 维井盖、桥梁伸缩缝、耐火材料制品及各种混凝土制品等领域 。 ★◇ 聚 瞄 豺维： 提高沥吉 混合 料力学l生 胄 墩 宅 谙混凝土的 高温 稳定l生 ， 德温 抗裂一 抗疲劳 I生 胄 皂 。 ◆ ◆ 地句 b浙江省 磊 t ＼ I I．,I东栅 釜薄 渐 堍 东 ( 老0 7 省道3 5 一 公里 处) ～ 膀：3 1 4 0 2 1 电勰 ( 0 )1 3 6 0 5 7 3 0 2 5 6 0 5 7 3 ~ 8 2 8 6 1 6 2 8 8 2 9 7 3 7 3 5 传真：( o 5 7 3 )8 2 3 1 3 9 0 8 h ： l m a 5 7 3 x 联系 苏 畅 —． 49— — 圈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m