用聚丙烯纤维增强三峡抗冲磨砼的试验研究
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摘要：按0.9㎏/m3（占混凝土体积的0.1%）掺量再混凝土中加入聚丙烯纤维，可以提高混凝土强度（特别是早期强度）和抗冲磨性，改善混凝土的抗冻性，抑制混凝土内部自由水蒸发，提高变形能力。为解决三峡工程抗冲磨混凝土夏季施工中出现的早期表面龟裂提了以个新途径。
（5）聚丙烯纤维砼的拌和、成型与普通砼一样。聚丙烯纤维对砼拌合物含气量影响不大。坍落度虽有所降低，但和易性好。对聚丙烯纤维砼的坍落度，一方面应有新的认识，另一方面可以在原配合比基础上作适当调整，以使其满足施工要求。
一、前言
砼开裂是一捆扰水利施工多年的老问题。特别是闸室、孔洞、溢流面、底板等部位，建设中处于暴露表面，结构上又有较高要求，施工中出现的早期表面龟裂，更是引起广泛关注。本项目研究主要目的是通过聚丙烯纤维对砼基材的增强作用，消除或减缓三峡工程夏季施工中，抗冲磨砼硬化早期发生的非结构性裂缝。与此同时，其力学性能、变形性能和耐久性也得到改善和提高。试验研究分两个阶段进行。第一阶段再三峡工程二期砼配合比设计试验基础上，加入聚丙烯纤维，进行砼性能试验。此为第一阶段的部分试验成果。
砼早期表面龟裂，主要因砼塑性收缩和施工环境诱发所致。如何消除和减缓砼早期裂缝的发生，过去的研究主要针对砼膨胀剂或微膨胀水泥而进行。这些材料的共同弱点是——宽容性差，需要严格的保温湿养护，所以再实际应用中不尽如人意。
近几十年，国内外对纤维增强砼作了大量研究。试验证明，再砼中掺入经特殊处理的纤维，可赋予砼一定的韧性，改善砼的抗裂性。特别是对抑制水泥基胶凝材料硬化早期裂缝的产生有很大作用。改性聚丙烯纤维因其强度高、耐酸碱、抗老化、价格相对较低等性能优势，成为砼抗裂的首选纤维。
聚丙烯纤维砼的增强机理是：当纤维以每立方米数千万条的数量加入到砼之中后，在砼内部构成一乱向支撑体系，产生有效的多向二级加强效果，从而提高水泥基胶凝材料的抗拉强度；把砼收缩能力分散到高抗拉强度而相对较低弹性模量之纤维单丝上，阻止砼中原有缺陷（微裂缝）的扩展并延缓新裂缝的出现；减少砼内部的毛细管道，降低砼暴露表明水分的损失率。同时，无数纤维丝形成的支撑体系，有效的保证了均匀泌水，阻碍沉降裂缝的产生。由此达到提高砼的变形能力，改善砼的韧性。另外，还能提高砼的抗冻性。
二、试验用原材料
在今年对国内外合成纤维增强砼试验研究的基础上，选择单丝纤维作为研究用聚丙烯纤维。
聚丙烯纤维产品一般都经过纤维异形化技术或表层改性技术处理，以增强纤维与基材的接触力表面和物理接触力，改善纤维在拌和过程中的可分散性。聚丙烯微纤维在扫描电镜下的外观特征微轴向略带扭转的不规则多边棱柱体。在扫描电镜下可观察到聚丙烯纤维在砼胶砂中的界面粘结特性，它不但能与水泥水化产物紧密结合，其表面还能看到水化产物的微细结晶。此外，聚丙烯纤维在水中可自行均匀分散，在砼土中呈三维乱向分步。
其他试验研究材料分别是：525#热硅酸水泥，平圩Ⅰ级粉煤灰、花岗岩人工碎石（最大粒径40mm）、花岗岩人工砂、高效减水剂及引气剂。这些材料均取自三峡工地，品质符合相应国家标准或工程技术要求。
三、试验方法
砼的拌和、成型及养护按《水工砼试验规程》（SD105—82）中相应规定进行。砼拌和使用自落式搅拌机，纤维与水泥砂石等一同装入。干拌时，尚有纤维束或纤维球存在，加水后便自然分散。纤维在砼拌和物中分布的十分均匀。
水泥基材料、骨料、砼拌和物及砼的力学性能和变形性能按《水工砼试验规程》（SD105—82）和有关国家标准进行。抗冲耐磨试验用气流夹砂喷射法进行。其他性能试验参见有关章节。
四、试验配合比
聚丙烯纤维增强砼的基础之一，是胶凝材料对纤维要有一定的握果力和锚固力，这需足够的水泥基材料用量。而水工抗冲磨砼，要求尽可能少用水泥基材料。针对这一特殊情况，参考国内外多数工程的成功经验，觉得本阶段按0.9㎏/m3（占砼体积的0.1%）掺量进行砼性能试验。考虑到应简化聚丙烯纤维对砼性能的影响因素，便于比较分析，通过试拌确定用水量为125㎏/m3以及相应的外加剂掺量。
抗冲磨聚丙烯纤维砼性能试验的配合比及其拌和物工作特性见表1。其中Q1是未加聚丙烯纤维的对照砼。砼拌和物工作特性表明：掺入聚丙烯纤维后，拌和物含气量变化不大，坍落度有所降低，但和异性非常好。
表1 聚丙烯纤维增强混凝土试验配合比及拌合物工作特性
|
编号 |
水胶比 |
用水量（㎏/m3） |
水泥（㎏/m3） |
粉煤灰（㎏/m3） |
聚丙烯纤维（㎏/m3） |
级配 |
引气剂 |
砂率（%） |
坍落度（cm） |
含气量（%） |
|
Q1
Q2
Q3 |
0.35
0.35
0.35 |
125
125
125 |
357(100%)
357(100%)
357(100%) |
-
-
- |
0.9
0.9
0.9 |
-
-
- |
掺
掺
不掺 |
33
32
32 |
5.0
3.9
2.8 |
4.8
4.9
2.3 |
五、聚丙烯纤维增强抗冲磨混凝土性能试验阶段成果
1、 物理力学性能
2、 表2和表3所示力学性能和抗冲磨性能试验结果表明，加入聚丙烯纤维，可以提高混凝土的强度（特别是早期强度）和抗冲磨性能。
表2 聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能和抗冲磨试验结果
|
编号 |
抗压强度（Mpa） |
劈裂抗拉强度（Mpa） |
轴拉强度（Mpa） |
相对抗冲磨强度 | ||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
21.1
25.6
29.9 |
35.7
39.2
45.2 |
45.8
49.6
54.9 |
1.62
1.79
1.96 |
2.45
2.62
2.94 |
2.96
3.26
3.43 |
1.50
1.77
1.85 |
2.00
2.20
2.37 |
2.60
2.75
2.98 |
1.00
1.10
1.15 |
注：相对抗冲磨强度以Q1为1.00，其他编号均与之相比较
表3 聚丙烯纤维增强混凝土的力学性能相对百分率
|
编号 |
抗压强度相对百分率（%） |
劈裂抗拉强度相对百分率（%） |
轴拉强度相对百分率（%） | ||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
100
121
142 |
100
110
126 |
100
109
120 |
100
110
121 |
100
107
120 |
100
110
116 |
100
118
123 |
100
110
119 |
100
106
110 |
注：强度变化率以加聚丙烯纤维前后纵向比较。
表4 聚丙烯纤维增强混凝土变形性能试验结果
|
编号 |
极限拉伸（*10-4） |
抗压弹磨（Gpa） |
干缩（*10-4） | |||||||
|
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
28d |
3d |
7d |
14d |
28d | |
|
Q1
Q2
Q3 |
0.80
0.96
0.89 |
0.98
1.05
1.04 |
1.12
1.16
1.12 |
16.7
18.7
16.9 |
24.3
23.1
28.0 |
29.0
26.3
32.4 |
-82
-92
-78 |
-141
-130
-104 |
-207
-202
-164 |
-311
-303
-248 |
在水胶比0.35不掺粉煤灰情况下，纤维砼各龄期抗压强度都比对照砼有较大增长，特别是3d抗压强度可以提高约20%（见Q2）。如果考虑三峡抗冲磨砼难得受冻融破坏，以及聚丙烯纤维对改善砼抗冻性能将有所贡献，可以不掺引气剂，则3d抗压强度可以提高40%左右（见Q3）。各龄期劈裂抗拉强度和轴拉强度亦比对照砼有所增长。早期3d劈裂抗拉强度可以提高10%（见Q2）；不掺引气剂时可以提高20%左右（见Q3），并持续到28d龄期。3d轴拉强度的增加略高于劈裂抗拉，28d则反之（见Q2和Q3）。这是因为高强度等级砼的抗拉强度，受骨料与水泥浆体间的界面应力差和骨料中的微裂隙控制。3d龄期砼强度很低，尚无影响；28d砼强度已发展到一定强度，便逐渐显现出来。砼的抗冲磨试验结果，以相对抗冲磨强度表示。无论是否掺引气剂，纤维砼的抗冲磨强度都高于对照砼。
表4所示变形性能试验结果表明，加入聚丙烯纤维后，3d和7d极限拉伸值有所增加，28d基本相当（Q1至Q3三个编号）。聚丙烯纤维对砼的干缩影响不明显，这于它本身属柔性材料和试验方法等有关。
2、抗裂性能
（1）抗裂性试验
参考美国加洲罗来达·韦尔瑞克工程及检验中心的方法进行水泥胶砂抗裂试验。
普通砼抗裂试验所用胶砂的重量配合比为水泥：砂=1：3.3，水胶比0.6，聚丙烯纤维掺量
0. 9KG/m3（占混凝土体积的0.1%）计算。板状试件成型后在30℃、相对湿度65%的试验室内，风扇下吹1小时。然后置于40±3℃、相对湿度50%、1.8m/s风速环境中。24小时龄期裂缝基本稳定后进行观察，用计权法评估，结果见表5。
表5 普通混凝土胶砂开裂试验结果
|
编号 |
裂缝宽度A（mm） |
裂缝长度B（mm） |
裂缝面积A*B（mm2） |
A*B加和值 |
相对百分率（%） |
|
无纤维 |
2.0
1.0
0.5 |
0
355
461 |
0
355
230.5 |
585.5 |
100 |
|
聚丙烯纤维 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
20 |
0
0
10 |
10 |
1.7 |
抗冲磨砼抗裂试验所用胶砂配合比Q1和Q2中砂浆的配合比称料拌和制取。成型板状试件后，使暴露在30℃、相对湿度65%的实验室内，在风扇下吹1小时。然后置于40±3℃、相对湿度50%、1.8m/s风速环境中。24小时龄期裂缝基本稳定后进行观察，用计权法评估，结果见表6。
表6 抗冲磨混凝土胶砂开裂试验结果
|
编号 |
裂缝宽度A（mm） |
裂缝长度B（mm） |
裂缝面积A*B（mm2） |
A*B加和值 |
相对百分率（%） |
|
Q1 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
1935 |
0
0
967.5 |
967.5 |
100 |
|
Q2 |
2.0
1.0
0.5 |
0
0
0 |
0
0
0 |
0 |
0 |
砼胶砂开裂试验结果表明，在抗冲磨砼中掺入聚丙烯纤维可以减少显著塑性裂缝和早期干缩裂缝，对尚处在塑性状态和硬化后的砼有很好的阻裂作用。
（1） 砂浆水分蒸发试验
试验过程如下：按砼配合比Q1、Q2和Q3中砂浆的比例拌制砂浆，盛入表面积530c m2,深7 c m的试模，摸平后在一定温湿度条件下强制干燥。每小时按时称重量。
图1是试验的蒸发曲线。试验系按表2中Q1至Q3配合比中的砂浆进行。可以看出，聚丙烯纤维改变了砼中水分蒸发过程，早期水分蒸发速度减缓，从另一角度间接证明了聚丙烯纤维对砼开裂的缓解乃至阻止作用。
3、 抗冻性
聚丙烯纤维可提高砼的抗冻性，有文献介绍说可达D300。我们所作的抗冻试验结果列入表7。其中DH1水胶比0.3、用水量118KG/m3、按砼体积的0.1%掺量加入聚丙烯纤维、不加引气剂；H42用水量135KG/m3、按砼体积的0.14掺量加入聚丙烯纤维、不加引气剂。
表7、聚丙烯纤维砼的抗冻性试验结果
|
编号 |
含气量（%） |
各循环次数重量损失（%） | ||||||
|
0 |
50 |
100 |
125 |
150 |
200 |
250 | ||
|
DH1
DH6
H42 |
1.3
1.4
1.5 |
0
0
0 |
0
-0.10
0.1 |
0.20
0.2 |
0.00
0.5 |
0.1 |
0.2 |
|
|
编号 |
含气量（%） |
各循环次数相对动弹性磨量（%） | ||||||
|
0 |
50 |
100 |
125 |
150 |
200 |
250 | ||
|
DH1
DH6
H42 |
1.3
1.4
1.5 |
100
100
100 |
66.40
96.5
88.6 |
75.7
75.6 |
51.7
71.8 |
61.6 |
60.2 |
52.9 |
DH1仅50次就冻坏了。DH6抗冻为D100，H42抗冻达D200。这说明，聚丙烯纤维对砼抗冻性的提高同样依赖对胶凝材料的铆固力和摩阻力。
六、结论
（1）、按0.9KG/m3（占砼体积的0.1%）掺量在砼中加入聚丙烯纤维，可以提高砼强度（特别是早期强度）和抗冲磨性，改善砼的抗冻性，抑制砼内部自由水蒸发，提高其变形能力。为解决三峡工厂夏季施工中出现的砼早期表面龟裂提供了一个新途径。
（2）、在水胶比0.35不掺粉煤灰情况下，纤维砼各龄期抗压强度都比对照砼有较大增长，特别是3d抗压强度可以提高约20%，劈裂抗拉强度可以提高10%；轴拉强度的增加率甚至高于劈裂抗拉。
（3）无论是否掺引气剂和粉煤灰，纤维砼的抗冲磨强度都高于对照砼。
（4）掺入聚丙烯纤维可以显著减少抗冲磨砼塑性裂缝和早期干缩裂缝，对尚处在塑性状态和硬化后的砼有很好的阻裂作用。
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