合成纤维用于混凝土防裂和抗渗的研究-李玉琳

合成纤维用于混凝土防裂和抗渗的研究

李玉琳、廉慧珍

(1.北京住总集团五公司2.清华大学土木工程系)

摘要：选用合成纤维可提高混凝土的断裂韧性、抗裂和抗渗性能，减小收缩，使高强混凝土结构的延性提高，混凝土拌和物流变性改善。实验研究了合成纤维、粉煤灰对混凝土结构的抗裂、抗渗、断裂性、收缩及钢筋握裹力等性能的影响。关键詞：纤维增强；混凝土；合成纤维

一、前言

掺入纤维材料以增强脆性的抗裂性能和韧性，已有悠久的历史。如最古老的稻草增强粘土抹墙以及麻刀石、石棉水泥等。自罗缪第和巴特森在1963年提出混凝土开裂机理以及钢纤维间距的影响后，钢纤维增强混凝土（FRC）受到广泛的关注，30多年来，随着生产技术的发展，已解决了FRC拌和物搅拌困难、纤维与混凝土的粘接力等问题，在重要道路路面、飞机跑道、桩帽等防裂和抗冲磨要求高的工程，以及屋面或地下刚性防水的工程中，FRC已发挥了显著的优势。合成纤维属于低模量纤维，选用合适外形的合成纤维在一定掺量下可减小混凝土裂缝宽度，从而提高混凝土的抗渗性能和断裂韧性。加拿大、美国等国家已研制出用于混凝土的乱向合成短纤维（以下简称纤维），并广泛应用。其中如美国的NECON公司的尼纶纤维已有20年的历史。美国希尔兄弟化学公司的杜拉纤维已打入我国市场，先后用于公路路面和桥面的修补，屋面、地下、游泳池等的刚性防水，大面积薄构件如地面、楼板、车道等的防裂。我国目前已有少量用于混凝土的聚丙烯、尼纶等纤维的生产，其性能不亚于国外同类产品，而价格则低50%~60%，已在上海等地成功地用于刚性防水、大面积的基础底板防裂等工程。北京住总集团五公司使用中科院化学所研制的国产合成纤维进行了实验研究，并在北京南线阁商住楼的楼板自密实混凝土中使用。实验研究表明，合成纤维用于混凝土防裂和抗渗是经济、合理的，并可明显提高拌和物的施工性能。尤其对大面积构件如楼板，能有效地预防由于塑性收缩或沉降引起的早期开裂。

二、实验用主要原材料

水泥：425＃普通硅酸盐水泥、矿渣水泥和525＃硅酸盐水泥，主要技术性能见表1。

矿物细掺料：元宝山Ⅰ级粉煤灰和冀北Ⅱ级粉煤灰，主要性能见表2。

合成纤维：聚丙烯纤维，纤度12黛（Denier,纤维长9000m、质量为1g，称为1黛）相对密度为0.91，长度为1.8cm，单丝拉力为5g/黛。

高效减水剂：JSJ复合高效减水剂。

表1实验用水泥主要性能

表2试验用粉煤灰主要性能

三、试验及结果分析

1、抗裂效果观察

用525＃普通硅酸盐水泥分别掺入粉煤灰、膨胀剂和纤维制作砂浆板，与纯水泥砂浆板对比。胶凝材料：砂为1：1，板尺寸为50cm×50cm×2cm。成型后置于户外露天，经观察，最先出现裂纹的是掺膨胀剂的试件，其次是纯水泥的。掺入纤维的试件裂纹细小，数量随纤维掺量的增加而减少，同时掺入纤维和粉煤灰的试件出现裂纹延迟，而且进一步发展的现象明显减少。由于手工搅拌不均匀，在纤维多的部位不见裂纹。观察表明，纤维与粉煤灰复合掺用可以避免由于养护不足而出现的早期裂缝。

2、掺纤维的高性能混凝土的性能

以相同配合比配制中等强度等级的高性能混凝土，分别掺膨胀剂、纤维、纤维＋粉煤灰，检测其拌和物坍落度和坍落度损失，以及硬化后的性能，并与空白混凝土对比，结果见表3。

表3不同掺加物对混凝土性能的影响

注：X39~X42比X32~X34纤维掺量稍大，水胶比稍低。

由表3可见：

（1）掺纤维的混凝土比不掺纤维混凝土的拌和物坍落度约减小17%，而粉煤灰与纤维复合掺用时，坍落度只减小4%。掺膨胀剂的混凝土拌和物和空白混凝土拌和物的坍落度损失都较大，而掺纤维后混凝土拌和物1h坍落度损失减少85%，损失后的坍落度（从109mm至184mm）与空白混凝土拌和物损失后的坍落度（从230mm至184mm）相同。表明掺用纤维的混凝土坍落度比空白混凝土和掺膨胀剂的混凝土稍小，但坍落度损失减小了很多。

（2）掺纤维后的混凝土抗压强度无明显变化，而弹性模量则明显提高。

（3）当水压为1.5MPa时，粉煤灰与纤维复合掺用的混凝土渗水高度下降63.3%，与掺膨胀剂的相当。

（4）当水压为2MPa时，适当增加纤维掺量，则粉煤灰与纤维复合掺用的混凝土渗水高度下降87.5%，只掺纤维的混凝土渗水高度下降68.8%。

此外，掺纤维的混凝土在搅拌时不仅消除了离析现象，而且消除了与容器和工具之间粘滞的现象，泵送时不粘泵管。

3、混凝土应力－应变曲线和断裂性能测试

（1）受拉应力－应变曲线采用RILEM（材料与结构实验室）推荐的楔入劈拉法测定。

3种试件分别为：掺膨胀剂的混凝土、掺纤维的混凝土以及空白混凝土，混凝土强度等级C40，图1为试件及实验装置示意。实验结果用劈拉荷载－应变曲线表示，见图2。

图1楔入劈拉法实验试件与装置示意

1－楔形压头；2－试件；3－切缝；4－电阻片

图2C40高性能混凝土劈拉荷载－应变曲线

1－掺尼纶纤维；2－空白（X32）；3－掺膨胀剂（X34）

由图2可见，掺膨胀剂的混凝土与空白混凝土的劈拉荷载－应变曲线基本相同，只是掺膨胀剂后混凝土极限应变从空白混凝土的4000×10ˉ6增加到4300×10ˉ6。掺纤维后，则混凝土极限应变增加到5000×10ˉ6，断裂能提高约19%，最大劈拉荷载增加1kN。

（2）轴压应力－应变曲线采用INSTRON全能伺服实验机测定，加载速率为150×10ˉ6/s，混凝土强度等级为C100，实验结果见图3。

图3C100混凝土轴压应力－应变曲线

1－掺纤维的混凝土；2－不掺纤维的混凝土

由图3可见，高强混凝土掺用纤维后，抗压强度有所下降，断裂能明显提高。由于极限压应变的增加（以应力下降15%时的应变计，增加10.9%），钢筋混凝土构件的延性也将得到提高（钢筋混凝土结构延性比＝Δu/Δy，其中Δu为混凝土极限限压应变，Δy为钢筋屈服时混凝土的应变）。

4、收缩实验

纤维混凝土和空白混凝土收缩的对比见图4。

图4 纤维混凝土和空白混凝土收缩的对比

1－掺粉煤灰＋纤维；2－掺纤维；3－空白