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1、掺聚丙烯单丝纤维混凝土的抗渗性研究(尹洪明 沈学军 魏星)摘 要：本文通过一系列阐述及试验研究，调整混凝土中聚丙烯单丝纤维的掺量，而得出施工条件下，混凝土达到最佳抗水渗透性能的纤维掺量，为有混凝土抗渗性要求的工程施工提供一定的参考。关键词：聚丙烯单丝纤维混凝土掺量抗渗性1.前言漭街渡大桥复建工程位于云南省小湾水电站库区内，距离凤庆县城约46km，主桥为116m+220m+116m连续刚构，主桥桥墩最大高度168m，最大淹没深度166m，墩柱淹没深度居亚洲第一。本桥桥墩超深淹没深度的特点，对水下桥墩混凝土的耐久性提出了更高的设计和施工要求。工程混凝土是一种抗压强度大而抗张强度相对较低的脆性材料，
2、漭街渡大桥位于水库深水区，桥墩淹没深度大，桥址所处气候为亚热带季风气候区，工程混凝土耐久性重点就体现在桥墩混凝土的抗水渗透性能的优劣上。混凝土抗渗透性能对于保护钢筋结构不受侵蚀、混凝土结构完整具有重要意义。漭街渡大桥9个桥墩均处于水库淹没区，设计桥墩混凝土为C50掺加聚丙烯单丝纤维混凝土。本文以本大桥实际使用混凝土配合比为基础，研究不同掺量的束状聚丙烯单丝纤维对混凝土抗水渗透性能的影响并通过试验得出抗渗性极优的纤维掺量。2.聚丙烯纤维及抗渗混凝土2.1聚丙烯纤维作为混凝土次要加强筋应用到混凝土工程中在国外受到广泛关注和利用，国内也于近年来开始先后应用到交通、水利、水电、机场、港口、工民建等工程
3、领域。聚丙烯纤维应用于工程领域中最常用的品种是Durafiber（杜拉纤维）和Fibermesh（纤维网）。鉴于本工程应用的实际，本文仅对杜拉纤维（束状单丝纤维）混凝土的抗渗性能进行研究说明。2.2混凝土被水渗透的主要原因是混凝土中产生水进入的通道，工程实际中，导致渗水的表面缺陷的主要形式如下：(1)混凝土在水化反应过程中，因自身的塑性收缩受到基体、模板的约束，是混凝土内部拉应力大于其受拉强度而产生裂纹。(2)混凝土是由无数多个内部单体（浆体中较大表面积的料体吸附较小表面积料体形成的结构单元）构成的，在发生收缩时，混凝土并不围绕结构物的中心进行，而是以无数个单体为中心分别发生收缩，从而使单体与
4、单体之间产生微裂纹。(3)混凝土水化成石及干燥过程中，水会在浆体内部、内部与外部之间发生流动，从而待结构物成型之后，在其内部和表面留下的毛细通路。因此，提高混凝土抗水渗透能力的解决途径就在于尽量减少混凝土表面的进水缺陷，即阻断水的运动通路。笔者所采用的聚丙烯单丝纤维的主要功能就是减少混凝土干缩或温差收缩时产生的微裂纹及孔隙。2.3聚丙烯纤维的作用机理：聚丙烯纤维加入到混凝土中经过充分搅拌之后，由于聚丙烯纤维与水泥基集料有极强的结合力，可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，纤维单丝均匀杂乱的分布在混凝土中。相比未掺加纤维的普通混凝土，使混凝土的性质发生如下改变：第一，混凝土表层材料中存在纤维，失水面
5、积有所减少，水分迁移相对因难，从而使毛细管失水收缩形成的毛细管张力有所减少；第二，聚丙烯纤维在混凝土砂浆中乱向分布，极大的增加了混凝土的韧性，产生塑性收缩的能量在混凝土尚未完全成型时被分配到成千上万条纤维单丝上，从而减小了收缩能量给混凝土基体施加的拉应力，减少凝土出现的裂纹；第三，当混凝土表面裂缝出现后，聚丙烯纤维使裂缝尖端的发展受到限制，裂缝只能绕过纤维或把纤维拉断来继续发展，这就需要消耗巨大的能量来克服纤维对裂缝发展的限制作用。聚丙烯纤维相当于提高了混凝土的抗拉强度，同时钝化了原生裂缝尖端的应力集中。4.掺加聚丙烯单丝纤维的混凝土抗渗性试验4.1试验设计为了试验结果对工程施工更具有实际指导
6、意义，我们在试验中使用的原材料均为漭街渡大桥顿柱施工的原材料，分别为红塔滇西水泥厂上登P.O52.5R水泥、小湾520mm碎石、云县南河天然中砂、江苏博特JM-PCA()混凝土超塑化剂，经公开招投标采用江苏省射阳县强力纤维制造有限公司生产的“纤缘”牌XY-A3混凝土纤维。该纤维产品相关性质如表所示。“纤缘”牌XY-A3混凝土纤维物理化学性能 表指标描述指标描述类型改性聚丙烯束状纤维极限延伸率15%分散性高分散性熔点约160截面圆形燃点约580当量直径20m5导热性极低规格12mm抗酸碱性极高抗拉强度700Mpa安全性无度、无刺激弹性模量8000Mpa倍长率0.1密度0.91g/cm3建议掺量0
7、.6-1.8/kg/m3聚丙烯纤维掺入混凝土中并不对混凝土的配合比产生大的影响，所以进行该试验时采用的是我部利用漭街渡大桥现有条件，配置C50混凝土的配合比。本文对配合比的计算不再赘述，仅列出笔者所用的配合比如式(1)所示：C:S:G:W:JM-PCA()=1:1.36:2.31:0.32:0.011 (1)本试验中以此配合比为基础，按照不同的掺量添加聚丙烯单丝纤维。为了试验中便于计量纤维掺入量，对纤维掺量换算成体积比，通过测量掺加纤维的体积来控制加入量。由纤维建议掺量(0.6-1.8kg/m3)(体积掺量0.070%-0.200%，后文所提及掺量在未加以说明时均为体积掺量)，根据数据统计及实
8、验设计方法，利用正交表，列出试验计划(00.200%)，即分别对纤维体积掺量为：0，0.033%，0.066%，0.100%，0.133%，0.166%，0.200%的七组试件分别进行抗渗性试验，七组试件分别编号为一、二七组。4.2试验及试验数据结果4.2.1试验我们使用混凝土标准抗渗试验法，用渗透试验机对未掺加聚丙烯纤维的试件块进行加压试验，从水压力0.1Mpa开始，每8h水压力增加0.1Mpa，但是在水压力达到1Mpa时，6个试件均未出现水穿透，即未发生渗透现象。因此，我们采用渗透深度法来初步估计混凝土的渗透系数。渗透系数的计算由式(2)表示：Kr=aDm2/(2TH) (2)式中： Kr
9、相对渗透系数 cm/hDm平均渗水高度 cmH水压力，以水柱高度表示 cmT恒压时间 ha混凝土的吸水率，一般取0.03注：1Mpa水压力，以水柱高度表示为10200cmKr越小则说明试件抗渗性越高本式中所涉及到的相对渗透系数其实是一个用以表征混凝土在水中受到水压力发生渗透现象的速度，实际物理意义为：单位时间内水通过混凝土内的渗水通道渗入混凝土的深度。由于试块可能发生的吸水现象可能对实验结果形成影响，本式中的混凝土吸水率a，其作用就在于消除试块吸水而不是渗水给试验数据带来的的非试验因素影响。本试验中我们设定恒压时间为8h，恒压力为1Mpa，为了尽量减少试验中人为及偶然因素给实验结果带来的不利影
10、响，我们特别注意到了：因本试验中所用混凝土吸水率为标准混凝土的数值，所试件试验所用试件在制作时必须保证振捣充分密实；时间的养护要在标养室内按照规范要求严格进行，不宜采用浸水养护；进行渗透试验前，为了便于测量试验数据，试件要充分干燥，但不能暴晒；试验中对试件底部的密封要特别重视，并在在试验过程中实时检查；同时应对混凝土强度可能因纤维加入而起的变化给予足够的关注和验证。4.2.2试验结果及分析我们对完成试验的试块劈裂后测量试块中水的渗透高度，测量数据用厘米尺作为测量工具，精确到小数点后两位。每组6个试块，每个试块测量渗水高度值5个，对测量得出的数据求其平均值，所得的结果平均深水高度(每组试件进行平
11、均计算)如表所示。每组试件的平均深水高度 表组别项目一二三四五六七纤维掺量(%)00.0330.0660.1000.1330.1660.200Dm/cm2.892.321.981.631.802.042.34注：平均深水高度Dm/cm均由试件的实际渗水高度计算所得绘出渗透高度与聚丙烯单丝纤维掺量的关系直方图如图1图1试件平均渗透高度与纤维掺量的关系利用式(1)计算混凝土的渗透系数如表所示。每组试件的渗透系数 表组别项目一二三四五六七纤维掺量(%)00.0330.0660.1000.1330.1660.200Kr/10-7cm/h15.359.907.214.885.967.6510.10绘出混
12、凝土渗透系数与聚丙烯单丝纤维掺量的关系曲线如图2图2试件渗透系数随纤维掺量变化曲线注：图中渗透系数的单位为：10-7cm/h由图1和图2可知，试件的抗水渗透能力随着聚丙烯单丝纤维掺量的增加不断增强，但在其掺量超过0.100%后，试件的抗渗性又会不断的降低，而不是一直增强下去。及要使混凝土达到最理想的抗水渗透性能，纤维的掺量以0.100%为佳。我们分析认为，这是由于随着纤维量的增加，单位体积混凝土内存在的纤维数量不断增大，而作为有机聚合物的聚丙烯纤维，与典型的无机水泥基材之间的粘结力总是有限的(从纤维混凝土断裂时纤维拔出可知)。这样，单位体积混凝土内纤维数量的增大必将导致构件内水泥基材与纤维的粘
13、结面增多，这种粘结面的粘结作用力并不大(跟混凝土基材之间的粘结作用力相比)，那么每一个粘结面就相当于一个内部界面，界面的增多必然会使水运动通道增加，导致抗渗性降低。聚丙烯单丝纤维对混凝土抗水渗透能力的改善比率为：R=(15.35-4.88)/15.35=68.2% (3)根据聚丙烯纤维的比重，当掺量达到最佳抗渗性的时候，每立方米混凝土中聚丙烯单丝纤维的掺量为0.91kg。本试验中各个试件组中混凝土强度在纤维掺量小于0.133%时呈轻微增长态势，参量继续增加又会体现出下降，我们认为同样跟纤维与基材之间的界面增加有关系，具体尚待进一步研究验证，本文对此不再赘述。5结论从掺聚丙烯单丝纤维抗渗混凝土的
14、配制和抗渗性试验以及抗渗混凝土在工程实际中的应用中全面的分析，初步得出下述结论：5.1掺加聚丙烯纤维是解决混凝土防裂抗渗的一种有效途径。5.2混凝土中掺加聚丙烯单丝纤维要起到好的抗渗效果必须严格掌握纤维材料的掺量，实验所得混凝土中纤维的最佳掺量为0.91kg/m3。5.3笔者认为掺纤维混凝土在施工中应当特别注意：检验纤维材料的分散性，即是否有结团现象；混凝土拌制过程中需适当延长搅拌时间，并重视搅拌站人员对混凝土的观察，以保证纤维在混凝土中分布均匀；保证浇筑的混凝土振捣密实；对纤维混凝土表面进行收面处理时，使用铁质抹子，避免木质抹子将纤维从中勾出；适当延长养护时间。参考文献1 刘振平，试验研究方法通论，西安，陕西科技出版社，19942 金伟良、赵羽习，混凝土结构耐久性，北京，科学出版社，20023 董建纬、王广宇、裴宇波，改性聚丙烯纤维混凝土及其应用，吉林水利，2000，第9期4 曲福进、黄承达、赵国潘，高性能纤维混凝土的阻裂性能研究，见：蒙云主编，全国第六届纤维水泥与纤维混凝土学术会论文集，1996，27-32