第1卷第4期2003年12月水利与建筑工程学报Journal of W ater Resources a nd Architectural EngineeringV ol.1N o.4Dec.,2003 合成纤维混凝土材料的发展与应用周明耀1,2,杨鼎宜1,汪洋1(1.扬州大学水利与建筑工程学院,江苏扬州225009;2.河海大学,江苏南京210089)摘 要:本文介绍了国内外纤维增强混凝土的开发应用情况和目前几种常用合成纤维混凝土的基本性能,其中着重论述了聚丙烯纤维混凝土的技术特点。
提出了这种混凝土新材料今后的研究方向,并对在渠道防渗工程中的应用前景进行了展望。
关键词:合成纤维;粉煤灰;混凝土;渠道防渗中图分类号:T U59 文献标识码:A 文章编号:1672—1144(2003)04—0001—04Development and Appl ication of Synthetic Fiber ConcreteZHOU Ming-yao1,2,YAN G Ding-yi1,W ANG Yang2(1.Yangzhou Universit y,Yangzhou,J iangsu225009,China; 2.Hehai Universit y,N anjing,J iangsu210089,China)Abstract:This paper introduces the dev elopment and application of synthetic fiber reinfo rced concrete and the basic properties of se v eral kinds of it.It discusses the technique characters of polypropylene fiber concrete.The future developm ent of this sy nthetic fiber concrete is sug gested,and the application of it in canal seepage control is prospected.Keywords:synthetic f iber;fly ash;concrete;canal seepage control 混凝土材料是当今世界上最大的人造材料,全世界水泥年产量已超过15亿t,我国到1997年已经达到5.1亿t,为世界总产量的1/3。
据此推算,水泥基材料总量在案60～70亿t左右,这其中绝大部分为水泥混凝土材料。
估计所消耗的主要资源为优质石灰石15亿t、沙石集料40亿m3、排放的CO2达12亿t以上,还有其他有害气体和大量粉尘,严重污染环境。
所以,世界各国都在努力依靠科技进步,大力节约能源资料,保护环境,寻求减少用量、延长寿命、增强功能、降低环境负荷压力的水泥混凝土材料可持续发展之路[1]。
水泥混凝土合成纤维增强技术应运而生,成为近年来材料科学研究的热点问题。
1 纤维增强混凝土材料的发展历程纤维增强混凝土自石棉水泥到20世纪50年代的玻璃纤维水泥混凝土(GRC),60年代的钢纤维水泥混凝土(SFRC),80年代的碳纤维水泥混凝土(C FRC),以至后来的纤维增强聚合物水泥混凝土,力学性能不断提高,用途不断扩大[2]。
从材料发展史来看,复合化是材料发展的主要途径,其中玻璃纤维增强塑料是复合化的最新成就,二战以后发展迅猛。
尽管高性能混凝土有诸如复合胶结料、复合胶结料细掺料、复合外加剂,但纤维增强在复合化中占有突出的地位。
根据纤维弹性模量高低可将纤维混凝土分为低弹模纤维混凝土和高弹模纤维混凝土。
低弹模纤维(有机纤维、尼龙、聚丙烯、聚乙烯等),只能提高混凝土的韧性、抗冲击性能、抗热爆性能等与韧性有关的物理性能。
而高弹模纤维(钢纤维、玻璃纤维、碳纤维等)则不仅能提高上述性能,还能使混凝土的抗拉强度和刚性有较大的提高。
钢纤维是发展最早的一种纤维,1910年美国Po rter就提出把钢纤维均匀地撒入混凝土中以强化混凝土的设想,1963年以后,美国学者发表了一系列研究成果从理论上阐述了钢纤维混凝土的增强机理。
我国在这方面的研究也早于其他几种纤维。
玻璃纤维已用于铺设混凝土路面,但因为玻璃纤维混凝土暴露于大气中一段时收稿日期:2003-07-01基金项目:水利部水利科技开发基金项目(97053)、江苏省水利科技重点项目(2002110)作者简介:周明耀(1958—),男(汉族),江苏阜宁人,博士,教授,主要从事节水灌溉理论及工程技术研究工作。
间以后,其强度和韧性均会大幅度下降,且耐碱性不过关,所以现在多数只限于结构加固。
碳纤维作为高性能纤维,自上世纪末60年代研制出来后,即用于混凝土增强,虽然碳纤维混凝土性能优越,但由于碳纤维生产成本较高,应用受到了一定的限制。
60多年前,国际上就对高分子改性混凝土进行了研究,直到近几年才被广泛应用[3]。
目前,应用最为广泛的是合成纤维增强混凝土,合成的聚合纤维来源于有机聚合物,通常所用的聚合物纤维有聚丙烯、尼龙(酰胺纤维)、聚脂和聚乙烯等,聚丙烯(PE)纤维、高强模聚丙烯醇(PV A)纤维、芳香聚酰胺(Kev lar)纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、纤维素纤维(Cellulos)、聚丙烯(PP)纤维.这些聚合纤维弹性模量均较低,属于低弹模纤维[4]。
近年来,作为高弹模聚乙烯醇纤维(PV A)开始用于混凝土增强,这种纤维具有较高的弹性模量和抗拉强度,其加入混凝土后的性能研究正处于起步阶段[5]。
2 聚合物纤维混凝土研究及应用现状2.1 尼龙纤维混凝土尼龙纤维混凝土是最早用于水泥及混凝土的聚合物纤维之一,价格相对较高,应用受到一定限制。
当混凝土中掺入少量尼龙纤维(0.052%)时,可使混凝土基体获得显著的非结构性能增强效果,大大减少混凝土塑性收缩裂缝,混凝土的抗冲击性能得到改善。
当掺量提高到0.26%时,混凝土抗冲击性能可大大增加[6]。
尼龙纤维可提高混凝土的抗冻性,抑制混凝土的能量损失、试件外观也得到改善。
2.2 聚乙烯增强混凝土聚乙烯纤维因其弹性模量低,至今还很少用于水泥复合材料,对其研究较少。
只有少部分人对聚乙烯纤维混凝土板进行冲击试验研究[7],研究结果表明掺入定量聚乙烯纤维的混凝土,其断裂能量值提高明显。
目前问题的关键是研制出弹性模量较高的聚乙烯纤维。
这种价格低廉的纤维在水泥复合材料的领域中将具有很大的发展潜力。
2.3 高弹性模量聚乙烯醇纤维(PV A)混凝土研究结果表明,纤维增强混凝土的抗拉强度在一个较大的体积掺量范围(0.05%～0.3%)内比同等条件下的素混凝土有所提高。
强度提高的程度受纤维规格、混凝土规格、搅拌工艺、养护条件等因素的变化而变化,一般情况纤维的长细比越大,强度越小[5]。
2.4 聚丙烯纤维增强混凝土从近年来的研究资料可知,聚丙烯纤维增强混凝土是目前研究最多应用最广泛的纤维增强混凝土材料。
国内外的研究集中在对纤维混凝土物理、力学性能的研究,涉及抗压、抗弯、韧性、抗渗性,热稳定性及收缩性和施工性能等。
研究结果表明,随着纤维体积率的增加(0%～15%),纤维混凝土的抗压强度变化不大,抗折强度则提高了12%～26%,韧性也随之增加[8～10]。
国外除了对聚丙烯纤维混凝土进行以上基本研究外,还对纤维混凝土梁进行了抗剪试验,试验结果发现:与素混凝土梁相比,抗剪强度、刚度(特别是在第一开裂期后)和韧性均有提高。
而不同纤维含量和不同支撑条件下的聚丙烯纤维混凝土板,其抗冲击性能随着纤维含量的增加逐渐提高,自振周期并无大的变化[11]。
现就聚丙烯及聚丙烯纤维增强混凝土的特性作以详细说明。
近年来,在美国、英国、日本和西欧等地,纤维混凝土的应用规模逐渐扩大,聚丙烯纤维混凝土最初是于20世纪末80年代初期用于美国的军事工程中,而后很快发展到民用工程[12]。
此前,主要是在板式结构中采用,如房建中的地坪、高速公路扶栏、铁路枕木、桥梁桩基、高楼建筑、地下建筑、水库、水坝、河流建筑、海底输油管道的增加水泥涂层、地下室底板和墙、路面、桥梁铺装层、机场路道、停机坪等。
在水利工程中,美国已在坝区、灌溉渠道衬砌、边坡防护等工程中应用。
随着聚丙烯纤维防静电改性生产工艺的国产化水平不断提高,目前国内厂家已能生产用于混凝土的特种聚丙烯短纤维,这为我国推广应用纤维混凝土提供了先决条件。
宁波市将聚丙烯纤维混凝土用于水库大坝面板、溢洪道进水渠底防护工程[13]。
黑龙江木兰县香磨山灌区采用聚丙烯防水砂浆制作薄壁U形槽,降低了成本且重量减轻,便于安装。
庆安县和平灌区在大型渠道衬砌中,所采用纤维混凝土防护层只有3cm,横向分缝间距增至3～4m。
做到了薄而不弱,遭受外力破坏时裂而不碎,有效地延长了使用寿命[14]。
吉林省纺织工业设计研究院研制开发的混凝土聚丙烯短纤维用于薄板混凝土渠道防渗工程,同样取得了良好的效果[15]。
广西结合达开水库灌区渠道防渗工程,对聚合物纤维混凝土拌和工艺及主要性能进行了试验研究,并将研究成果应用于该工程的填方渠道防渗衬砌中,在不增加工程投资情况下,渠道防渗混凝土的抗裂能力和抗渗能力显著提高,经济效益明显[16]。
2 水利与建筑工程学报 第1卷3 聚丙烯混凝土的特性3.1聚丙烯材料特性聚丙烯原材料从单体C3H6而得,是一种高分子碳氢化合物。
它的化学稳定性好,和大多数化学物质不发生作用,具有较高的能量吸收能力,拉伸方向强度高;表面疏水,具有100%的湿强保持率,不会被水泥浆浸湿;具有热粘、易燃性,致使聚丙烯混凝土的耐火性降低;目前用于混凝土的国产聚丙烯纤维通常都是经过特殊配方和生产工艺加工而成的改性材料,这种材料的防静电和物理力学性能比以往聚丙烯纤维均有所改善。
目前国内生产的聚丙烯纤维的性能一般为:无吸水;比重0.9t/m3;熔点160℃～170℃;燃点590℃;纤维长度12～15mm;弹性模量大于0.3～0.35M Pa,抗拉强度可达300～600M Pa;导热、导电性低;抗酸碱性高。
3.2 聚丙烯纤维应用方式聚丙烯纤维应用于混凝土生产中主要方式有:(1)所用纤维为短纤维,水利工程用量一般在0.6～ 1.2kg/m3,纤维长短视不同用途而定,水利工程通常较多使用的是短纤维,纤维长度在8～16 m m。
短纤维的目的在于改善纤维在水泥中的分散性,通过传递应力吸收高能量而有效地抗击冲击力和控制裂缝。
纤维含量及类型对加工敏感性的关系:Ln(t)=A+B%式中:A为与基质组分有关的系数;B为敏感性系数,与所用纤维有关;t为水泥混凝土流动到一定的参数线的时间。
(2)将短纤维制成铺网或机织物。
(3)纤维异形化技术,即制成V形或Y形纤维截面或带钩形纤维形态和PP纤维原纤化技术以增加纤维与增强基质的接触表面和物理接触力。