聚丙烯纤维高性能混凝土的试验研究.pdf

第 3 9卷第 2期 2 0 1 2年 2月 建筑技术开发 Bui l di ng Te c h ni q ue De v e l o p me n t Vo 1 39。 No 2 F be 2 01 2 聚丙烯纤维 高性能混凝 土 的试验 研 究水 龚燕华 马 安 马 明惠 沈有忠 ( 1 南通建工集团股份有限公 司， 江苏 南通2 2 6 0 0 6 ； 2 南通市建筑科 学研究院有限公 司， 江苏 南通2 2 6 0 0 2 ； 3 南通市建设混凝土有限公 司， 江苏 南通2 2 6 0 0 8 ) 摘 要 在混凝土中掺人 聚丙烯纤维 ， 对其 和易性 、 抗压强度 、 劈裂抗拉强度 、 抗折强度 、 抗渗性能等指标 进行测试 ， 确 定最佳掺量 。通过分析机理 ， 说 明聚丙烯纤维对混凝土上述指标 的影 响 ， 并介绍 了聚丙烯 纤维混凝土在 实际 工程 中的运用 。 关键词 聚丙烯纤 维高性 能混凝土 ； 力学性 能 ； 最佳掺量 ； 抗渗性能 中图分类号】 T U 5 2 8 5 7 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 5 2 3 X( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 3 8 0 3 EXPER】 c ENTAL RES EARCH oN POLYPRoPYLENE FI BER REI NFoRCED HI GH PERFoRM ANCE CoNCRETE Go n g Ya n - -h ua Ma An Ma Mi ng h u i S h e n Yo u -z h o n g A b s t r a c t Ke y w o r d s Th e wo r ka b i l i t y，c o mp r e s s i v e s t r e n g t h，s p l i t t i n g t e ns i l e s t r e n g t h，f l e x ur a l s t r e n g t h，i mpe r me a bi l i t y a n d o t h e r p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e mi x e d wi t h po l y p r o p y l e ne fibe r a r e t e s t e d， a n d t he o pt i ma l d o s a g e i s d e t e rm i n e dTh e i n fl u e n c e o f p o l y p r o p y l e n e f i b e r mi x e d i n c o n c r e t e s i s e x p l a i n e d b y a n a l y z i n g t h e me c h a n i s m， a n d t h e p r a c t i c a l e n g i ne e r i n g a p p l i c a t i o n o f p o l y p r o p y l e ne f i b e r i s p r e s e nt e d p o l yp r o p y l e ne f i be r c o n c r e t e； me c h a n i c a l p r o pe r t i e s； o p t i ma l d o s a g e； i mp e r me a b i l i t y 混凝土是当代最主要的土木工程材料之一， 在建 设工程领域中发挥着不可替代的作用， 具有较高抗压 强度和弹性模量， 但 同时具有抗拉强度低、 抗渗性能 差等缺点 ， 长期 以来 ， 关于掺入聚丙烯纤维的混凝土 性能研究 比较多， 包括抗压强度、 抗拉强度、 脆性、 抗 渗性能等等。有研究人员 认为掺入聚丙烯纤维能 客服混凝土抗拉性能较弱的缺点， 能提高混凝土的韧 性。本文通过试验， 以混凝土的力学性能、 抗渗性能 为 目标 ， 研究掺人不同量的聚丙烯纤维对混凝土的影 响 ， 通过试验比对 ， 分析聚丙烯纤维的作用机理。 1 原材 料及试 验方 案 1 1 主要 原材 料及 其性 能 水泥： 南通海螺 Pl I 5 2 5级水泥， 其物理性能 指标见表 1 ， 化学成分见表 2 。 基金项目： 南通市市级科 技计划项 目( C P 2 2 0 1 1 0 0 5 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 1 11 5 作者简介 ： 龚燕华( 1 9 7 7 - ) ， 男 ， 江苏海门人 ， 南京工业大 学材料科学 与工程学院在职硕士研究生 ， 高级工程师 ， 现 从事建筑施 工及建筑材料研究工作。 3 8 细度 比表面积 凝结时问安 定 抗折强度抗压强度 ( 8 0 1 1 17 1 ” rai n MP a MPa 筛 筛 余) ( k g 丽性 烧 失 量 M s 。 不 溶 物 氯 离 子 s 。 喜 掺量 2 2 9 1 3 7 1 0 7 0 0 0 7 2 3 2石灰石 3 5 5 0 聚丙烯纤维 ： s Y A聚丙烯纤维 ， 长 1 2 17 1 1 1 1 ， 其主 要性 能见 表 3 。 表 3聚 丙烯 纤维性能参数 粗骨料 ： 5 2 5 m i l l 连续粒级碎石 ， 含泥量 0 2 ， 泥块含量 0 1 ， 针片状总含量 4 ， 压碎值 6 5 。 第 3 9卷 龚 燕华 ， 等 ： 聚 丙烯纤维高性 能混凝土的试验研究 第 2期 细骨料 ： 中砂 ， 细度模数 2 6 ， 含 泥量 0 2 ， 泥 块含量 0 1 ， 含水率 4 0 。 粉煤灰 ： I I 级粉煤灰 ， 细度 2 1 ， 烧失量 3 2 ， 需 水量 比 1 0 2 。 l, J J n 剂：J M一1 0 B混凝土高效减水 剂 ， 减水率 1 6 4 ， 水泥净浆流动度 1 7 0 m m， p H值 8 1 ， 凝结时 间 1 3 5 ra i n ； U E A， 细 度2 5 5 m k g ， 初 凝 时 间 1 7 8 mi n ， 终 凝 时间 2 5 5 m i n ， 限制 膨 胀率 水 中 7 d为 0 0 2 9 ， 空气 中 2 1 d为 0 0 0 2 ， 抗压强度 7 d为 3 3 3 MP a ， 2 8 d为 4 7 4 M P a 1 2试 验 配 合 比 配合 比设计试验参照 普通混凝 土配合 比设计 规程 ( J G J 5 5 ) 进行 ， 设计强度 等级 为 C 3 5， 根据原 材料的各种性 能 ， 在 同一 配 比下掺 入不 同掺量 ( 0 、 0 6 k g m 、 0 9 k g m 、 1 2 k g m 、 1 5 k g m ) 的纤 维 进行 试 配 ， 为 保证 纤维 在水 泥浆体 中的均 匀性 ， 成 型时将 材料 在搅 拌 机 内搅拌 均 匀 后 ， 再 逐 渐 加 人 纤 维， 最后加水搅拌 ， 随着纤维掺量 的增加 ， 搅拌时间 和振动时 间需 适 当延长 。同时根据 普通 凝土力 学性 能 试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ) 和 普通混凝 土长 期 性 能 和 耐 久 性 能 试 验 方 法 标 准( G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ) 分别制作试件测定抗压强度、 劈裂抗拉 强度、 抗折强度 、 抗渗性能。配合比如表 4所示。 表 4混 凝 土试 验 配 合 比 ( k g m ) 序号 编号 性 抗压强度抗折强度 MP a MP a 相对渗透 劈裂抗渗水 性 系数 拉强度高度( 1 0- 5 MPa C E ll h I 、 注 ： 水压力加至 0 8 MP a 。 2 2 混凝 土拌合 物性 能 通过对混凝土试件的观测 ， 纤维混凝土与普通 混凝土相比， 坍落度损失稍大些， 保水性较好 ， 和易 性得到 了改善 ， 提高了混凝土的工作性能。 2 3 混凝 土 力学性 能 混 凝土 抗压 强度 、 抗折 强度 、 劈 裂抗拉 强度 试验 结 果分 别见 图 1 、 图 2 、 图 3 。 0 0 0 3 0 6 0 9 l 2 1 5 1 8 纤维掺量 ( k g 9 图 1 聚丙烯纤维对抗压强度 的影 响 0 0 0 3 n6 0 9 1 2 1 5 1 8 纤维掺量 ( k g m - ) 图 2 聚丙烯纤维对抗折强度 的影响 0 0 U 3 0 6 0 9 1 2 1 5 1 8 纤维掺量 ( k g l l ) 图 3 聚丙烯纤维对劈裂抗拉强度 的影响 1 ) 由图 1可知 ， 聚丙烯纤维 的掺入虽使混凝土 抗压强度略有提高， 但 由于混凝土本身的不匀性 ， 这 些数 据 的变化 不 足 以表 明聚丙烯 纤维对 混 凝土抗 压 3 9 日 龟 鹱趟 0 S O 5 O 5 O 5 O 5 O 5 9 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 日 龟 魁疆鞲辖 O 8 6 4 2 0 8 6 4 2 0 5 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 日 塞鼎 磔欹 第 2期 龚燕华 ， 等 ： 聚丙烯纤雏高性能混凝土的试验研 究 第 3 9卷 强度有 实质 性 的影响 。 2 ) 由图 2 、 图 3可知， 随着聚丙烯纤 维的加入 ， 混凝土的劈裂抗拉强度 、 抗折强度总体上呈增长趋 势 ， 主要表现为掺量少时， 增长幅度大 ， 掺量大时， 增 长 幅度 小 ， 说 明在 不改 变混凝 土配 合 比的情 况下 ， 混 凝土中存在最佳纤维掺量。 3 ) 在抗折试验过程中， 尽管混凝土试 件下部 出 现多条裂纹 ， 但仍具有一定的承载和变形能力， 主要 是由于这些纤维抑制了混凝土开裂的进程， 提高了混 凝土的断裂韧性， 也提高混凝土开裂后的承载能力。 4 ) 机 理分析 混凝土在硬化形成强度的过程 中， 由于水化作 用形成新的水泥晶体 ， 引起混凝土收缩 ， 硬化 的混凝 土 又存在 着温 度收 缩 、 干燥 收缩 以及碳 化 收缩 ， 以致 内部产生各种应力 ， 这些应力在某个时期超出了水 泥基体的抗拉强度 ， 于是在混凝土内部引起微裂缝 ， 这些微裂缝存在于混凝土内的骨料和水泥凝胶体的 局部接触面处以及凝胶体内部 ， 这个阶段的微粒带 着少许的能量 ， 可以很容易被纤维吸收 ， 由于纤维以 单位体积内较 大的数量 均匀乱 向分布于混凝土 内 部 ， 故微 裂缝 在发 展 的过 程 中遭遇 了纤维 的阻 挡 ， 消 耗 了能 量 ， 从 而 阻 断裂 缝 的发 展 。这 些 纤 维 抑制 了 混凝土开裂的进程 ， 提高了混凝土的断裂韧性 ， 也提 高混凝 土开 裂后 的承载 能力 。 2 4混凝 土抗渗 性 能 混凝土的抗渗试验结果见图4 。 吕 l 鑫 嫠 三 目 考 纤维掺量 ( k g 。 )纤维掺量， O 【 g。 m ) 图 4 聚丙烯纤维对抗 渗性 能的影响 1 ) 由图 4可 以看 出 ， 在 混凝 土 中加 入 聚 丙烯 纤 维 ， 混凝土的渗水高度明显减小， 抗渗能力大大提高， 当纤维掺量达到 0 9 k g m 时， 抗渗性提高2 6 5 ， 相 对渗水系数也明显的下降。当掺量过大时， 其曲线走 势变得平缓 ， 其抗渗性能增加的效果降低。 2 ) 机理 分析 在混凝 土中掺入聚丙烯纤维 ， 可起到阻裂和限 缩作用 ， 有效抑制干缩裂纹和连通裂缝的产生 ， 降低 混凝土的析水， 改善混凝土中的微观结构， 大大提高 了混凝土的抗渗能力。 3 总 述 从微观的角度看 ， 混凝土在硬化形成强度 的过 程中， 会因水泥的水化形成的结晶体体积较原体积 小， 体积的收缩产生内部应力 ， 这些应力一旦超过混 凝土的承受的抗拉强度时 ， 便在混凝土 内部产生微 裂纹 ， 同时在外力 的作用下 ， 微裂纹不断扩展 ， 最终 使混凝土破坏。 在混凝土中掺人聚丙烯纤维后 ， 纤维能与水泥 集料有效的结合 ， 微裂纹在发展的过程 中势必受 到 纤维的阻止 ， 消耗 了其能量 ， 起到了抗裂的作用 。同 时 ， 分布于混凝土中的聚丙烯纤维 ， 能有效的抑制混 凝土浇筑后 的离析， 保证其均质性 ， 使混凝土的孔隙 率大大降低 ， 从而提高混凝土的抗渗能力 。 在混凝土中的聚丙烯纤维具有最佳掺量， 通过 试验得出纤维掺量为 0 9 k g m 最为适宜。过多的 纤维在混凝土中会因其量大而造成分散不均， 影 响 其性能的发挥。以下介绍聚丙烯纤维混凝土在实际 工程 中的应用 。 4工程 实际应 用 南通金鼎湾国际项 目总建筑面积 9 7 1 6 5 m ， 其 中地下 室底 板混凝 土厚度 为 0 4 m， 混凝 土强度 设计 等级 C 3 5 P 8 ， 工程量约 7 0 0 0 m 。在混凝土施工过程 中， 将长度为 1 2 mm， 掺量 0 9 k g m 的聚丙烯纤维作 为填充料加入混凝土中进行生产， 可以按照正常工艺 对其进行搅拌、 泵送， 使用后大大提高了混凝土的抗 裂和抗渗性能 ， 降低了生产成本、 提高了经济效益。 5 结论 1 ) 通过试验研究表明， 聚丙烯纤维能大幅度提高 混凝土抗裂、 抗渗性能， 属于较经济的自防水混凝土。 2 ) 通过分析各项指标测试结果 ， 结合节约成本 的原则， 建议最佳掺量为 0 9 k g m 。 3 ) 聚丙烯纤维混凝土 的配制操作 简单、 易行 ， 具有明显的经济效益 ， 在建设过程领域可 以得到广 泛 的推广 和应用 。 参 考 文献 1 】 P S S O N G， S H WA N G， B C S H E U S t r e n g t h p r o p e r t i e s o f n y l o n - a n d p o l c o n c ret e sJ C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5， 3 5 ( 8 ) ： 1 5 4 61 5 5 0 2 徐至均 纤维混凝土技术 及应用 M 北京 ： 中国建筑 工业 出版 社 2 0 0 3 3 黄承逵 纤维混凝土结构 M 北京 ： 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 4 龚益等 拉杜纤维在土建工程中的应用 M 北京： 机械工程出 版社 ， 2 0 0 2 5 徐培 ， 罗睿 聚丙 烯纤维 混凝 土与普 通混凝 土 的性能对 比试 验 ( B) 广东水利水 电， 2 0 0 6 ， ( 1 ) 【 6 S L 3 5 2 2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程