聚丙烯網(wǎng)狀纖維對(duì)橋面鋪裝砼耐久性的影響

1、聚丙烯網(wǎng)狀纖維對(duì)橋面鋪裝混凝土耐久性的影響長(zhǎng)春市建業(yè)工程咨詢公司趙亞娟長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院李建國(guó)徐強(qiáng) 杜艷滔 張君玲長(zhǎng)春市政建設(shè)集團(tuán)機(jī)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(duì)氣候作用、化學(xué)侵蝕、物理作用或任何其它破壞過(guò)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(huì)受到各種機(jī)械物理?yè)p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(kāi)始劣化，導(dǎo)致一些建筑物僅使用二、三十年甚至更短時(shí)間就

2、出現(xiàn)不同程度混凝土結(jié)構(gòu)的劣化。1998年美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)的調(diào)查結(jié)果中，美國(guó)現(xiàn)有50萬(wàn)座橋梁，平均每年有150200 座部分或完全倒塌，20萬(wàn)座已有損壞，平均壽命不足20年。這些橋梁之所以過(guò)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(guó)近幾年對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性也十分重視，對(duì)重要工程都提出了嚴(yán)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(dá)到這些要求，混凝土材料首先必須達(dá)到相應(yīng)的耐久性指標(biāo)，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(guò)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(guò)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(kāi)，從而實(shí)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(xì)度大、數(shù)量多的顯著優(yōu)勢(shì)，加之聚丙烯纖維自身所具備的不吸水、抗酸堿能力強(qiáng)等特性，使其對(duì)混凝土的抗?jié)B性、護(hù)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(zhǎng)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(qiáng)吸水性不吸水抗拉強(qiáng)度(MPa)346-560熔點(diǎn)()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(jī)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(jī)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(shí)混凝土仍處于塑性階段，其抗拉強(qiáng)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(guò)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(kāi)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(dòng)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(yán)重。 3.1.2 聚丙烯網(wǎng)狀纖維的作用機(jī)理聚丙烯網(wǎng)狀纖維摻入后，對(duì)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(gè)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(qiáng)度以抵抗水泥收縮的應(yīng)力導(dǎo)致微裂縫時(shí)，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(jī)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(shí)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(kāi)裂的可能性?？刂屏嘶炷恋奈⒓?xì)裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。 2)、聚丙烯網(wǎng)狀纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，受荷時(shí)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(kāi)裂應(yīng)力，也增加了材料抵抗開(kāi)裂的塑性抗拉強(qiáng)度。3.2聚丙烯網(wǎng)狀

7、纖維提高混凝土抗凍性能的機(jī)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(fù)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(dòng)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(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫，多次凍融循環(huán)使裂縫不斷擴(kuò)展，強(qiáng)度降低直至破壞。聚丙烯網(wǎng)狀纖維的作用機(jī)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(yàn)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(dá)到50 次，這說(shuō)明C50 混凝土雖然強(qiáng)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，混凝土的抗凍融性能有

8、了大幅度的提高，凍融循環(huán)達(dá)到300400 次，這說(shuō)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(jī)理分析如下：1)、由于聚丙烯網(wǎng)狀纖維的直徑非常細(xì)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(duì)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(duì)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(qiáng)度和韌性性能，增加了混凝土凍融損傷過(guò)程中的能量損耗，一方面有效阻止了裂縫的不斷擴(kuò)展，另一方面還可以防止在凍融過(guò)程中外

9、界水分的侵入，從而有效降低混凝土的凍脹開(kāi)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(guò)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(xì)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(shí)養(yǎng)護(hù)方法不恰當(dāng)，混凝土表面很容易產(chǎn)生裂縫。2007年，在長(zhǎng)春市遠(yuǎn)達(dá)大橋改造、102國(guó)道-京哈鐵路立交橋設(shè)計(jì)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，聚丙烯網(wǎng)狀纖維的混凝土基本沒(méi)有出現(xiàn)裂縫，只能在混凝土表面發(fā)現(xiàn)部分

10、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(jiàn)。從如下圖片的對(duì)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(méi)有一點(diǎn)裂紋。所以，聚丙烯網(wǎng)狀纖維的使用無(wú)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(xiàng)5.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)筋”用于防止混凝土收縮開(kāi)裂、延長(zhǎng)混凝土的使用壽命，而非“主要增強(qiáng)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?cè)O(shè)計(jì)中主要受力筋的配筋率。5.2、長(zhǎng)度選擇聚丙烯網(wǎng)狀纖維的長(zhǎng)度為2

11、0mm。5.3、配合比設(shè)計(jì)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(jī)選擇優(yōu)先選用雙軸臥式強(qiáng)制式攪拌機(jī)，也可采用自落式滾筒攪拌機(jī)。5.5、投料過(guò)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(kāi)，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(zhǎng)攪拌時(shí)間，以使纖維充分混合。5.6、攪拌時(shí)間攪拌的目標(biāo)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(kāi)。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(guò)程無(wú)特殊要求，但應(yīng)保證混凝土充分振實(shí)。5.8、養(yǎng)護(hù)過(guò)程無(wú)特殊要求，可按正?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)進(jìn)程進(jìn)行。不能因摻入聚丙烯網(wǎng)狀纖維而放松對(duì)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。六、體會(huì)6.1、聚丙烯網(wǎng)狀纖維混凝土施工使用方便，不易結(jié)團(tuán)，對(duì)混凝土無(wú)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。