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合成纤维在国内混凝土建材中的应用

信息来源:hunningtu.biz  时间:2005-07-13  浏览次数:386

  注: (1)~(6)可降低混凝土的坍落度,具良好的裂纹控制能力,耐酸碱性好,可提高抗渗性、抗折强度、抗冲击能力、耐长性等;但其耐火性差,对光、热、氧等稳定性较差。
  (7) 原料丰富易得,纤维不吸水,无需增大用水量,无毒无味,环保,不耐强碱性水泥,存在耐久性问题。
  (8) 高模量,抗张强度高,无毒环保,与水泥粘结性好,能有效提高混凝土抗弯强度及耐冲击性,但热稳定性较差。
  (9) ~ (10) 热稳定性及其他性能介于碳纤维及聚丙烯纤维之间,改善力学性能,且提高耐磨、耐久性,外力作用时,纤维不易拔出。
  (11) 与水泥基体相容性好,与水泥基体粘结性好,达到相同增强效果时,用量比PP 纤维及聚酯纤维少,但在酸碱条件下易水解,存在耐久性问题。
  (12) 多用于屋顶板、水泥板等材料,当纤维体积用量达3 %时,材料机械性能同石棉- 水泥相当。
  (13) 高比表面积,高极限抗张强度,与水亲和性好,无毒,与水泥基体具物理和氢键结合,粘结强度高,裂缝控制率大于尼龙纤维,但对水泥颗粒包容力低,不耐高压水蒸汽养护。
  (14) 耐恶劣环境,耐磨损,耐高温,安全,与水泥基本可进行化学结合,其给合力强,具导电功能等,在所有合成纤维中,其增强效果最好。
  (15) 常为高模最、高延伸性纤维的混杂,可降低高模量纤维的使用成本,增强混凝土强度及韧性,存在正负混杂效应。
  2  合成纤维在混凝土建材中的作用及机理 2.1  合纤在混凝土中的作用 混凝土由于其抗压强度大、价廉易得,在我国各种工程中大量应用。但由于其脆性,特别是高强度混凝土,由于原料组分中水泥用量增加,产生的水化热加剧,使混凝土收缩量增大,脆性更大,易产生施工裂缝,抗渗性下降,韧性低,不耐冲击,抗冻融性及抗化学腐蚀性差等。采用合纤对混凝土进行改性,可明显提高或改善混凝土的抗裂性,减少裂缝的产生和发展。 2.1.1  增强混凝土的抗裂性 混凝土在实际施工中,由于多余水分的存在,在拌料过程中有大量水化热产生,在浇捣成型过程中易产生塑性收缩裂缝,在失水干燥时产生干裂,以及在硬化阶段因温度变化出现温度收缩裂缝等[6]。诸类裂缝的产生,对混凝土的力学性能、抗渗性、耐久性等造成了极大影响。而在混凝土中添加少量合纤(一般为混凝土体积的0.05 %~1. 0%),就可以明显提高或改善混凝土的抗裂性,如表2所示[3]。 实验用合纤为聚丙烯纤维,其性能指标为:直径:48μm;长度:19mm;抗拉强度:276Mpa ;类型:束状型;拉伸极限:15%;比重:0.91 ,弹性模量:3793Mpa;长径比:396。实验采用的数值对应为:d ≥3mm为3 ,3mm>d≥2mm为2 ,2mm>d≥1mm为1,1mm> d ≥0.5mm为0.5,d<0.5mm为0.25 表2表明,在混凝土中掺入体积比为0.05 %和0.10 %的聚丙烯纤维后,其抗裂性分别提高65%和75%,且裂缝明显细化。同时由于合纤与混凝土具一定的粘结力,纤维承受了混凝土塑性变形所产生的拉应力,从而阻止了早期裂缝的生长及发展,明显改善或提高了抗裂性能。 2.1.2  增强混凝土的抗渗性 混凝土为非均相复合材料,骨料间存在较多的微孔隙,具大量毛细效应,以及混凝土在干燥、硬化时产生的裂缝,降低了混凝土的抗渗性。而当掺入合纤后,纤维的存在减少或阻止了混凝土中裂缝的形成、生长及发展,尤其是大大降低了连通裂缝的产生,减少了渗水通道。同时,纤维的加入,增强了混凝土内部的束缚力,其密实度提高,固化成型后更加紧密,直径为50~100μm 及大于100μm 的孔隙含量大大降低,故其抗渗性得以显著提高。戴建国等[7]对含聚丙烯合纤为0.05%和0.10%(体积比)的混凝土,在1.3Mpa 水压下进行了24h抗渗性能试验,结果表明,与空白样对照,纤维混凝土的抗渗性能分别提高40%和48%。 2.1.3  对混凝土的增韧性 混凝土是一种脆性材料,其受力达到一定程度时,就会突然开裂。掺入合纤后,由于合纤良好的延伸性,在混凝土中成三维网状分布,与混凝土基体的粘结强度较高,当受外力作用时,混凝土将部分应力传递给纤维,使纤维产生应变,减弱了应力对混凝土的破坏。当外力增大到一定程度时,混凝土开始开裂,此时纤维跨接在裂缝的表面,通过产生进一步的应变及形变来消耗外力,阻止裂缝的发展,直至外力足够大,大于纤维抗拉强度时,纤维被拔出或断裂。但在此过程中,纤维混凝土已发生了极大的变形,因而其脆性大大下降,韧性显著提高。熊瑞生等[8]探讨了聚酯纤维在混凝土中对抗折强度的影响,结果表明,掺入0.5%(体积比)的聚酯纤维,28 天后混凝土抗折强度最高提高37.3%,平均提高35.3%。 2.1.4  合纤对混凝土抗冲击性的改善 合纤掺入混凝土后,纤维混凝土的抗压强度和抗折强度有不同程度的提高,从而使混凝土抗瞬间的最大冲击力提高。另外,由于纤维掺入混凝土后,混凝土韧性增加,能更好地积蓄受冲击带来的能量,使能量缓慢释放,避免了因能量释放过快而造成的破坏。另外在受外力冲击时,纤维混凝土中的合纤具备一定的载荷转移效应。故纤维混凝土较素混凝土具更强的抗外力冲击性。史小兴等[3]报道了聚丙烯合纤掺入量为0. 05%和0.1%(体积比)时,混凝土抗钢球冲击的次数提高了2~3倍。王依民等[9]研究了聚丙烯合纤在体积掺量为0.5%、1.0%及1.5 %时,纤维混凝土抗冲击强度提高率分别为78 %、112 %及143 %。 2.1.5  纤维对混凝土抗冻融性和抗化学腐蚀的影响 在冻融条件下,由于温度改变,在混凝土内部产生较大的温度应力,使混凝土开裂,以及使原有裂缝得到生长及扩展。混凝土中加入合成纤维后,由于纤维较细,以三维网状分散于其中,具有较好的约束作用,可以缓解因温度变化时产生的膨胀或收缩压力,而当初始裂纹发生后,并可阻止裂纹的进一步发展。因而其抗冻融能力提高。阎利等[10]报道了经25 次冻融循环试验后,聚丙烯纤维增强混凝土无分层及开裂现象发生。史小兴等[3]介绍了纤维混凝土经50 次及100 次冻融试验,其抗折、抗压性能远好于空白对照样。同时,由于纤维混凝土的抗渗性增加,阻碍了化学物质的渗入,所以也大大提高了混凝土的抗化学腐蚀能力。 2.2  合纤增强混凝土性能的有关机理 纤维对混凝土各项性能的增强作用,目前通常采用两种理论来解释[11-13]。其一是1963 年美国学者Romualdi提出的“纤维阻裂机理”。主要是根据线弹性断裂力学来解释纤维对裂缝的阻裂效应。认为混凝土内部本身就存在缺陷,当掺入纤维后,且纤维的平均间距小于7. 6mm时,纤维的存在降低了内部裂缝尖端的应力集中系数,裂缝尖端的应力强度因子下降,纤维对裂缝的发生及发展具明显约束作用,减小了混凝土缺陷的程度,增加其韧性,从而使纤维混凝土的抗拉和抗折强度等得以提高。而纤维的这种阻裂增强作用又与其品种、性能参数(掺入体积比、长度、直径、长径比、弹性模量等) 、实验条件等密切相关。 第二种理论是由英国Swamy、Mangat 提出的“复合材料机理”。主要从复合材料的混合原理出发,将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系,并用混合原理来推定纤维混凝土的抗拉及抗折强度等性能变化。即认为纤维掺入后,混凝土强度、抗裂性等与纤维的掺入量、方向、长径比以及粘结力有关,纤维品种不同,与混凝土基体的界面作用大小不同,以及基体中纤维的含量、分布及长径比等,都会影响纤维的增强效果。 3  合纤在混凝土建材中的老化特性 合纤在混凝土建材中的老化主要包括热老化、紫外老化(气候老化) 以及高温碱性(高温潮湿) 条件下的大分子降解等。戴建国等[7]对不同体积掺量的网状聚丙烯纤维混凝土在180℃烘箱中热老化8h后,对其抗渗性进行了研究,结果表明纤维体积含量为0.3%时,老化后出现明显的小孔。因而在较高温度下,混凝土中网状聚丙烯纤维对热老化比较敏感,存在长期热稳定性问题。葛其荣等[14]、卢安琪等[15]采用氙灯照射加速老化实验,结果表明,聚丙烯纤维在裸露条件下照射24h 时,其断裂强度及延伸率分别只剩下54 %和35 %。但在砂浆遮盖厚度为3. 8mm时,照射250h 后,断裂强度和延伸率保留为96 %和82 % ,当遮盖厚度为5mm时,保留率为98~99 %。因此,试验证明紫外线对混凝土中纤维的老化作用仅发生在混凝土浅表层3~4mm处,而对整个纤维混凝土不产生老化危害。钟世云等[16]也通过人工气候和高温浸水试验,研究了尼龙纤维在水泥基中的老化性能,结果显示,人工气候条件下,水泥基内部纤维的性能老化不明显,光照400h后,其韧性指数和冲击强度保持率分别为82 %~87 %和94 %~99 %;而在70 ℃饱和石灰水浸泡180 天后,尼龙纤维大分子降解,纤维砂浆的抗冲击强度表现出快速减少,且随纤维掺量增大而更加明显,而在360 天时,纤维砂浆抗冲击强度保持率仅约为30 %左右。因而,合纤混凝土中纤维种类不同,其对不同老化条件的敏感性也各异,从而表现出纤维本身各自的老化特性,并对纤维在混凝土中的增强效果产生不同程度的影响,从而也影响到整个混凝土的耐久性或使用寿命等。 4  结语 目前我国每年混凝土使用量在10 亿立方米左右,在以后相当长的一段时间内,使用量还将进一步增加。纤维混凝土在发达国家应用较早,而在我国的研究及应用则刚刚起步,因而开发纤维混凝土,具有巨大的市场潜力。纤维加入混凝土后,不但改善或提高了混凝土的抗裂、抗拉、抗冲击、增韧等各项性能,而且扩大了纺织品在其他产业中的应用领域。且可将合纤行业中的下脚料、废料充分利用,变废为宝,节约了成本,也减少了环境污染,对整个纺织行业的持续发展也具有重要意义。同时,对提高或改善我国混凝土建材质量及性能,促进建筑行业的发展,提高经济效益以及社会效益都具重要作用。参考文献[1 ]李迎春,游有鲲,钱春香,等. 混凝土组成成分对收缩性能的影响[J ] . 混凝土,2003 , (2) :40 - 43.[2 ]封孝信,冯乃谦. 水泥及混凝土中的有害碱与无害碱[J ] . 混凝土,2000 , (10) :3 - 7.[3 ]史小兴,王新民. 合成纤维在混凝土中的效果和机理综述[J ] . 河南科学,2002 ,20(6) :621 - 625.[4 ]陈润锋,张国防,顾国芳. 我国合成纤维混凝土研究与应用现状[J ] . 建筑材料学报,2001 ,4(2) :167 - 173.[5 ]顾书英,岳 莉. 合成纤维在混凝土中的应用[J ] . 合成纤维,2000 ,29(1) :16 - 18 ,23.[6 ]董 苹. 简述杜拉纤维的性能及在建筑工程中的应用[J ] . 邮电设计技术,2002 , (11) :53 - 57.[7 ]戴建国,黄承逵. 网状聚丙烯纤维混凝土的试验研究[J ] . 混凝土与水泥制品,1999 , (4) :35 - 38.[8 ]熊瑞生,周锡武,吴本英. 聚酯牵伸丝纤维对水泥抗折强度的影响[J ] . 建筑技术,2002 ,33(12) :928 - 929.[9 ]王依民,倪建华,潘湘庆. 改性异性聚丙烯纤维对混凝土防裂抗渗作用的研究[R] . 中国石油和化工分析报告,2002.[10 ]阎 利,万朝均,王绍东,等. 聚丙烯纤维增强混凝土概述[J ] . 化学建材,2003 , (1) :52 - 55.[11 ]马 俊. 纤维增强水泥基复合材料的新发展[J ] . 高科技纤维与应用,2002 ,27(6) :14 - 17.[12 ]钱艺柏,傅文硕. 杜拉纤维混凝土在深圳裕侨花园地下室中的应用[J ] . 工程质量,2002 , (10) :9 - 11.[13 ]钱红萍,贡浩平,孙 伟. 纤维混杂增强水泥基复合材料特性的研究[J ] . 混凝土与水泥制品,1997 , (6) :43 - 47.[14 ]葛其荣,郑子祥,高 翔,等. 宁波白溪水库二期面板聚丙烯纤维混凝土试验研究[J ] . 建筑结构,2001 ,31(9) :63 - 66.[15 ]卢安琪,祝烨然,李克亮,等. 聚丙烯纤维混凝土耐气候老化性能试验研究[J ] . 混凝土,2002 , (1) :61 - 63[16 ]钟世云,谈慕华,马一平,等. 尼龙纤维水泥基复合材料的老化性能研究[J ] . 建筑材料学报,2002 ,5(1) :55 - 59.

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