聚丙烯網(wǎng)狀纖維對橋面鋪裝砼耐久性的影響

1、聚丙烯網(wǎng)狀纖維對橋面鋪裝混凝土耐久性的影響長春市建業(yè)工程咨詢公司趙亞娟長春市市政工程設(shè)計研究院李建國徐強 杜艷滔 張君玲長春市政建設(shè)集團機械化分公司許言平一、引言 混凝土耐久性是指結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)對氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其它破壞過程的抵抗能力。由于混凝土的缺陷(如裂縫、孔道、氣泡、孔穴等)，環(huán)境中的水及侵蝕性介質(zhì)就可能滲入混凝土內(nèi)部，產(chǎn)生碳化、凍融、銹蝕作用而影響結(jié)構(gòu)的受力性能，并且在結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)還會受到各種機械物理損傷(腐損、撞擊)及沖刷、溶蝕、生物侵蝕的作用。所以，大量應(yīng)用于各類土建工程的混凝土材料在平均不到50年使用期就已經(jīng)開始劣化，導(dǎo)致一些建筑物僅使用二、三十年甚至更短時間就

2、出現(xiàn)不同程度混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。1998年美國土木工程學(xué)會的調(diào)查結(jié)果中，美國現(xiàn)有50萬座橋梁，平均每年有150200 座部分或完全倒塌，20萬座已有損壞，平均壽命不足20年。這些橋梁之所以過早產(chǎn)生劣損破壞，除荷載增加、地震和船舶撞擊外，主要原因就是混凝土的耐久性較差。我國近幾年對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也十分重視，對重要工程都提出了嚴格的耐久性要求，如在建的杭州灣跨海大橋、東海大橋以及擬建的京滬高速鐵路都提出了100年使用壽命的要求，要達到這些要求，混凝土材料首先必須達到相應(yīng)的耐久性指標，如抗凍性能，抗裂性能，抗鋼筋銹蝕，抗堿骨料反應(yīng)等。 二、聚丙烯網(wǎng)狀纖維  聚丙烯網(wǎng)狀纖維是以聚丙烯為原材

3、料，通過特殊工藝制造而成的。其外觀為多根纖維單絲相互交連而成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)聚丙烯網(wǎng)狀纖維投入到混凝土后，在混凝土攪拌過程中，纖維單絲間的橫向連結(jié)經(jīng)混凝土自身的揉搓和摩擦作用而破壞，形成纖維單絲或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)充分張開，從而實現(xiàn)數(shù)量眾多的聚丙烯纖維混凝土的效果。同鋼纖維相比，聚丙烯網(wǎng)狀纖維在充分分散后獲得的聚丙烯纖維單絲具有細度大、數(shù)量多的顯著優(yōu)勢，加之聚丙烯纖維自身所具備的不吸水、抗酸堿能力強等特性，使其對混凝土的抗?jié)B性、護筋能力、耐酸堿性、抗裂能力、抗塑性變形能力有改善作用。聚丙烯網(wǎng)狀纖維性能參數(shù)表密度(g/cm3)0.91彈性模量(MPa)>3500長度(mm)6,10,12,15,20當(dāng)量

4、直徑( m)100產(chǎn)品形狀束狀網(wǎng)斷裂延伸率(%)10抗酸堿性強吸水性不吸水抗拉強度(MPa)346-560熔點()160170 三、聚丙烯網(wǎng)狀纖維提高橋面鋪裝混凝土耐久性的作用機理 聚丙烯網(wǎng)狀纖維提高橋面鋪裝混凝土耐久性主要表現(xiàn)在抗裂、抗凍融、抗?jié)B方面，而上述三方面恰恰是造成橋面鋪裝混凝土破壞的主要原因。3.1 聚丙烯網(wǎng)狀纖維提高混凝土抗裂能力的機理分析 3.1.1 塑性裂縫產(chǎn)生的原因在混凝澆土澆筑震搗后，由于脫水而產(chǎn)生收縮，這種收縮受到主梁頂板、模板和鋼筋等不同程度的約束作用，因而混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。但此時混凝土仍處于塑性階段，其抗拉強度幾乎為零，不能抵抗拉應(yīng)力，所以混凝土產(chǎn)生了

5、不同程度的裂縫。在混凝土凝結(jié)硬化過程中，由于混凝土表面水分的蒸發(fā)速度大于泌水的速度，在混凝土表面產(chǎn)生溫度梯度和濕度梯度，導(dǎo)致混凝土表面的開裂。環(huán)境溫度越高、混凝土溫度越高、環(huán)境濕度越低、空氣流動度越大，混凝土的水分蒸發(fā)量越大，早期的塑性裂縫和硬化后期的干縮裂縫也越嚴重。 3.1.2 聚丙烯網(wǎng)狀纖維的作用機理聚丙烯網(wǎng)狀纖維摻入后，對混凝土主要的阻裂作用體現(xiàn)在有效地阻止了混凝土中因塑性變形、干縮等原因引起的原生裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。聚丙烯網(wǎng)狀纖維摻入混凝土中所起的阻裂作用大致可分為兩個階段，一是在塑性混凝土中的阻裂作用；二是在硬化混凝土中的阻裂作用。纖維的主要作用是從混凝土澆注到硬化前（塑性階段），混

6、凝土尚未產(chǎn)生足夠的強度以抵抗水泥收縮的應(yīng)力導(dǎo)致微裂縫時，加入的纖維可以部分抵消內(nèi)部應(yīng)力， 抑止微裂縫產(chǎn)生和發(fā)展。作用機理如下： 1)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維加入混凝土中經(jīng)攪拌后呈三維亂向分布，構(gòu)成一種三維亂向支撐體系，混凝土收縮的能量被分散到這種纖維上，增加了混凝土的韌性，同時混凝土的粘聚性增大，有效阻止了混凝土的離析，使水分轉(zhuǎn)移困難，從而減少了由于水泥漿體塑性收縮產(chǎn)生開裂的可能性?？刂屏嘶炷恋奈⒓毩芽p的產(chǎn)生與發(fā)展。 2)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維具有較高的抗拉強度和彈性模量，受荷時纖維具有一定的傳遞荷載的作用。在塑性階段，纖維將承擔(dān)更大一部分塑性開裂應(yīng)力，也增加了材料抵抗開裂的塑性抗拉強度。3.2聚丙烯網(wǎng)狀

7、纖維提高混凝土抗凍性能的機理分析 3.2.1 凍融作用破壞的原因 混凝土內(nèi)部孔隙中的水在負溫下結(jié)冰并且體積膨脹造成了靜水壓力，因冰水蒸汽壓差推動未凍水向凍結(jié)區(qū)的遷移所造成了滲透壓力。當(dāng)這兩種壓力所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫，多次凍融循環(huán)使裂縫不斷擴展，強度降低直至破壞。3.2.2聚丙烯網(wǎng)狀纖維的作用機理影響混凝土抗凍性能的主要因素有混凝土含氣量大小、氣泡間距系數(shù)、水膠比，礦物摻料種類和摻量等。試驗結(jié)果表明，不摻纖維的C50混凝土抗凍融循環(huán)次數(shù)僅能達到50 次，這說明C50 混凝土雖然強度較高，但其抗凍性能十分不理想。當(dāng)聚丙烯網(wǎng)狀纖維摻量為1.8kg/m3，混凝土的抗

8、凍融性能有了大幅度的提高，凍融循環(huán)達到300400 次，這說明摻入聚丙烯網(wǎng)狀纖維可以有效提高混凝土抗凍性能。機理分析如下：1)、由于聚丙烯網(wǎng)狀纖維的直徑非常細小，纖維間距小，纖維在混凝土中形成亂向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)果使得混凝土的粘稠度增加，減少了混凝土的泌水，使混凝土變得更加勻質(zhì)，提高了混凝土的質(zhì)量，對后期耐久性能有利。 2)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維的摻入提高了混凝土早期阻裂性能，減少了混凝土早期硬化的缺陷，降低了原生裂隙尺度，對后期抗凍性能有益。 3)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維的摻入后有效提高了混凝土極限抗拉強度和韌性性能，增加了混凝土凍融損傷過程中的能量損耗，一方面有效阻止了裂縫的不斷擴展，另一方面還可以防止在凍

9、融過程中外界水分的侵入，從而有效降低混凝土的凍脹開裂，提高混凝土的抗凍能力。 4)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維在混凝土拌和過程中容易互相搭連，導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生少量的微小氣泡。在混凝土硬化后，這些微小氣泡可隔斷混凝土的毛細滲水通道，改善混凝土的孔結(jié)構(gòu)，從而提高了混凝土的抗凍性能。 四、工程應(yīng)用橋面鋪裝混凝土的厚度多為810cm，與自然環(huán)境接觸面積大，受溫度、濕度的影響明顯。如果施工時養(yǎng)護方法不恰當(dāng)，混凝土表面很容易產(chǎn)生裂縫。2007年，在長春市遠達大橋改造、102國道-京哈鐵路立交橋設(shè)計中，橋面鋪裝混凝土內(nèi)均采用了聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，聚丙烯網(wǎng)狀纖維的混凝土基本沒有出現(xiàn)裂縫，只能在混凝土表

10、面發(fā)現(xiàn)部分呈亂相分布的纖維。而未使用聚丙烯網(wǎng)狀纖維的混凝土的裂縫隨處可見。從如下圖片的對比可以發(fā)現(xiàn)，在鞋印放大后都如此清晰的情況下，聚丙烯網(wǎng)狀纖維沒有一點裂紋。所以，聚丙烯網(wǎng)狀纖維的使用無疑極大地提高了混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗凍融性能。 圖1 采用聚丙烯網(wǎng)狀纖維的混凝土 圖2 普通混凝土五、聚丙烯網(wǎng)狀纖維的使用注意事項5.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然摻入聚丙烯網(wǎng)狀纖維能使混凝土的性能獲得明顯改善，但是聚丙烯網(wǎng)狀纖維仍作為混凝土的“次要增強筋”用于防止混凝土收縮開裂、延長混凝土的使用壽命，而非“主要增強筋”承擔(dān)結(jié)構(gòu)主要荷載。所以摻入聚丙烯網(wǎng)狀纖維后不改變原設(shè)計中主要受力筋的配筋率。5.2、長度選擇聚丙烯網(wǎng)狀纖

11、維的長度為20mm。5.3、配合比設(shè)計聚丙烯網(wǎng)狀纖維摻量1.8kg/m3，不改變其他材料的用量。5.4、攪拌機選擇優(yōu)先選用雙軸臥式強制式攪拌機，也可采用自落式滾筒攪拌機。5.5、投料過程先投入碎石，然后投入纖維，再投入砂子攪拌兩分鐘，使纖維充分打開，然后投入水泥和水按常規(guī)工藝攪拌均勻即可。也可按常規(guī)工藝投入順序施工，但應(yīng)適當(dāng)延長攪拌時間，以使纖維充分混合。5.6、攪拌時間攪拌的目標是使聚丙烯網(wǎng)狀纖維充分分散成單絲或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被打開。一般情況下在投入聚丙烯網(wǎng)狀纖維后，攪拌23分鐘即可。5.7、成型過程無特殊要求，但應(yīng)保證混凝土充分振實。5.8、養(yǎng)護過程無特殊要求，可按正?；炷恋酿B(yǎng)護進程進行。不能因摻入聚丙烯網(wǎng)狀纖維而放松對混凝土的早期養(yǎng)護。六、體會6.1、聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土施工使用方便，不易結(jié)團，對混凝土無不良影響，且能改善混凝土的粘聚性和穩(wěn)定性?；炷令A(yù)期性能受外部環(huán)境影響小，施工質(zhì)量容易控制