正确使用有机合成短纤维溷凝土在工程中的应用.doc

1正确使用有机合成短纤维混凝土在工程中的应用[摘要]纤维混凝土在国内应用已较为普遍，但存在一些误区，盲目应用甚至视为万能，本文从材料的性能和作用理论机理说明：判断应用在混凝土中的纤维状态和技术要求;纤维的品种、几何尺寸等技术参数的重要性;纤维混凝土在高强度等级中的作用和对结构设计的重要性;用已有的检测方法较全面检测纤维在混凝土的技术性能;纤维纤度的重要性;第一次纤维混凝土的应力应变全曲线图;纤维混凝土配合比设计的关键性和重要性;纤维混凝土使用是有严格要求的关键词:纤维几何尺寸、纤度、胶凝材料总量、混凝土配合比一、前言在混凝土中掺入有机合成短纤维（以下简称纤维） ，对混凝土抗压强度无明显影响，但在一定掺量下却能减小混凝土裂缝的宽度，提高混凝土的抗渗性能，增强混凝土的断裂韧性及结构的延性比在混凝土受单向压力时，应力-应变曲线下降段的斜率比普通混凝土的缓慢，因此其断裂能有很大的提高据文献报导 [1]，聚丙烯纤维的体积含量为 0.1%时，混凝土的抗拉、抗弯强度均有提高，已在加拿大、美国等国家广泛应用其中美国希尔兄弟化学公司的杜拉纤维已打入我国市场，先后用于公路路面和桥面的修补，屋面、地下游泳池的刚性防水，地面、楼板、车道等大面积薄构件的防裂 [2]，日益受到建筑行业的关注和欢迎。

目前，我国已生产出用于混凝土中的聚丙烯、聚丙烯腈、尼龙等纤维，其性能并不亚于国外同类产品，而价格则低 50～60%，并已在上海、北京、深圳等地用于基础底板等防裂工程在清华大学廉慧珍教授的指导下，我们使用国产有机合成纤维掺入混凝土中，进行了一些实验研究与应用，结果表明合成纤维在混凝土中的阻裂、抗渗作用较明显，混凝土拌合物的工作性能、施工性能明显提高；结构件延性比得到明显的提高国产的这种纤维的几何特征一般效法杜拉纤维：长度 15、19mm，纤度 12～15 黛（符号为 D, 即 Denier纤维长 9000 米、质量为 1g，称为 1D，用以表征纤维的粗细） 对合成短纤维的应用，主要限于对混凝土强度、抗渗性（28 天）和拌和物坍落度的影响，抗裂性多为现场应用的观察，目前还未见对掺用不同长径比纤维的混凝土其它性能试验的报导我们的实验表明，无论对混凝土拌和物性质的改善，还是抗裂性能的提高，目前市售纤维的几何特征不一定是最佳的为了更有效地发挥纤维的作用，有必要对纤维长径比的影响进行一定的实验研究本文所介绍的实验研究中，对纤维几何特征优化的原理如下：从纤维的拉应力与沿纤维长度分布的接口粘接应力来说，存在一个临界长径比:如果纤维的实际长径比小于临界长径比，水泥混凝土破坏时，纤维由基体中拔出；如果纤维的实际长径比等于临界长径比，只有基体的裂缝发生在纤维中央时，纤维才能被拉断，否则纤维的短向将从基体中拔出；如果纤维的实际长径比大于临界长径比，纤维混凝土破坏时，纤维拉断。

因此，纤维长径比应当大于临界长径比则长径比大的纤维与混凝土共同作用好；从拌和物性质来说，对于粗的纤维，长径比大时则长度过长，不利于搅拌; 太细时，纤维的单丝抗拉力低，与混凝土中胶凝料的握裹力也低必然存在对混凝土实用的最佳长径比因此本实验研究优化纤维的原则是：有利于混凝土搅拌的最大长度和在此长度下单丝拉力最大的纤度按此原则优化纤维几何特征，不仅有利于对混凝土性能的改善，更有效地发挥纤维的效用，而且还可降低纤维的成本在优化纤维特征的同时，还对纤维混凝土的其它性能进行了检测2二、原材料纤维：所用商品纤维主要性能见表 1 所示表 1 纤维的物理性能名称 纤度 表观密度 g/(cm) 抗拉强度(Mpa) 弹性模量(Mpa) 极限延伸率(%)聚丙稀 15～25D 0.91 350～650 3.5～4.5 15～20杜拉 13～15D 0.91 400 3.79 15国产尼龙 15～18D 1.14 700～900 3.5～5.0 18表 1 中三种纤维在水中的分散情况见图 1 所示由表 1 和图 1 可见，国产尼龙纤维比聚丙烯纤维（杜拉纤维也属于聚丙烯）的表观密度和抗拉强度都较高，弹性模量和延伸性相当。

三种纤维表观密度相差不大，在水中都能较好地分散，尼龙纤维因表观密度稍大于 1，故在水中为悬浮状态（聚丙烯纤维密度小于 1.0，故显上漂浮状）分散的更好但国产尼龙纤维的价格约比国产聚丙烯纤维贵⅓，杜拉纤维的价格约为国产聚丙烯纤维的两倍三、试验及结果分析（一）原材料选择北京产聚丙烯纤维进行不同纤度、长度和掺量影响的实验1、 水泥选用冀东水泥厂盾石牌 P.O 525、北京水泥厂 P.O. 425；2、 掺合料和外加剂选用Ⅱ级粉煤灰、硅灰、膨胀剂及高效减水剂 UNF-53、 砂石选用顺义中砂 μf=2.3，顺义 5-25 碎卵石二）相同掺量下不同纤维的对比用不同纤维以相同的体积比掺量 0.1%，进行性能对比，结果见表 2、3、4 和图 2、3 表 2 掺不同纤维和膨胀剂的混凝土拌和物性能和强度对比坍落度（ mm） 抗压强度(MPa) 劈拉强度(MPa) 拉压比(%)编号 试样特征初始 60 min 损失(%) R3 R7 R28X32 空白 205 183 10.7 16.3 26.8 50.9 2.81 5.52X33 国产尼龙 200 193 3.5 16.8 26.0 50.0 2.89 5.78X34 掺膨胀剂 190 163 14.2 18.4 30.2 51.3 2.84 5.54X35 国产聚丙烯 190 186 2.1 16.7 27.0 49.0 2.85 5.82尼龙纤维聚丙稀杜拉3X36 杜拉 190 180 5.3 15.7 26.6 48.8 2.78 5.70表 3 掺不同纤维的水泥物理力学性能对比冻融循环 (%) 碳化深度 mm名称 掺量% 抗压强度（Mpa） 抗折强度（Mpa） 抗压强度损失抗折强度损失重量损失 28d 60d空白 — 57.3 7.95 7.1 9.5 2.0 0.3 0.5聚丙烯 0.1 54.2 8.57 6.5 10.4 1.3 0.5 1.0杜拉 0.1 53.5 8.3 5.6 10.6 1.6 0.7 1.2表 4 混凝土弹性模量实验结果编号 试样特征 轴压强度（MPa） 轴压比（ %） 弹性模量 (GPa) 轴压破坏特征X32 空白 42.4 83.30 35.65 试件崩散（见图 2-a）X33 国产尼龙 41.0 82.00 37.29 试件开裂但彼此相连（见图 2-b）X34 掺膨胀剂 42.8 83.43 35.23 试件崩裂X35 国产聚丙烯 39.8 81.22 36.75 破坏特征同 X33X36 杜拉 39.6 81.15 36.27 破坏特征同 X33立方体试件破坏后的状态左图是 X39 空白混凝土 右图为 X41 掺纤维混凝土(a)空白混凝土 (b)掺纤维的混凝土4图 2 轴压试件破坏特征图 3 掺膨胀剂和不同纤维的混凝土干缩值对比表 5 掺纤维的混凝土耐火、耐热和抗冻融性能的影响耐火性能 耐热性能 抗冻融性能编号 特征 着火程度 强度损失 （ %） 重量损失 （%） 烘烤程度 强度损失 （%） 冻融次数 重量损失 （%） 强度损失 （%）X32 空白 1100℃,1h 70 5.5 300℃,72h 4.1 100 2.9 3.3X33 掺纤维 1100℃,1h 56 3.9 300℃,72h 4.0 100 2.8 3.1由表 可见，掺纤维的混凝土拌合物的初始的坍落度略小于空白混凝土的，但 1 小时后比空白混凝土和掺膨胀剂混凝土的坍落度损失小，而且损失后的坍落度大于空白混凝土损失后的坍落度；掺膨胀剂的混凝土坍落度损失最大；混凝土的抗压强度变化不大；弹性模量与劈拉强度均有所提高。

掺纤维的混凝土抗碳化性能稍差，这可能是因为掺纤维后，混凝土和纤维的接口缝的影响掺纤维后，混凝土的耐热和抗冻融性质无变化，耐火能力提高国产聚丙烯纤维和杜拉纤维在相同掺量下的效果基本相同固定纤维掺量（体积 0.1%） ，改变掺和料的掺量检验不同纤维的作用结果见表 6表 6 纤维纤度和掺和料的共同作用编号 纤维种类 掺和料（%） 掺和料掺量 （% ） R28 抗折强度（MPa ） R28 抗压强度（MPa ） 抗折/抗压 （ %）X18 空白 粉煤灰 10 8.0 56.8 14.1X19 杜拉 13 D 粉煤灰 10 8.43 56.8 14.8X21 北京 15 D 粉煤灰 10 8.95 57.0 15.7X22 空白 粉煤灰 15 7.95 53.0 15.0X23 杜拉 13 D 粉煤灰 15 8.54 54.9 15.6X25 北京 15D 粉煤灰 15 8.69 5.6 15.9X26 空白 粉煤灰 20 8.67 56.6 15.3X27 杜拉 13 D 粉煤灰 20 8.92 56.0 15.9X29 北京 15 D 粉煤灰 20 9.31 57.4 16.2X30 空白 硅灰 5 9.85 62.5 15.8X31 北京 15 D 硅灰 5 10.35 61.1 16.9表 6 结果表明，提高粉煤灰掺量，可使混凝土折压强度比进一步得到提高。

当胶凝材料增加后，024681012140 100 200 300 400龄 期 (d)收缩（10-6）X34(膨 胀 剂 ）X32(空 白 ）X36（ 杜 拉 )X33(尼 龙 ） 5单位体积内与纤维握裹的面积提高了，可提高折压强度比值，因此纤维不宜用于贫混凝土纤维掺量的影响用聚丙稀纤维，以不同掺量(体积比) 固定水灰比 0.44，进行胶砂强度对比，结果见表 7表 7 纤维掺量的影响试样 掺量（%） 抗折强度(Mpa) 抗压强度(Mpa) 抗 折 /抗 压 (%)空白 —— 9.0 61.8 14.56掺纤维 0.05 8.90 57.9 15.37掺纤维 0.10 8.98 58.4 15.38掺纤维 0.20 9.20 59.7 15.41表明，增加纤维掺量有利于抗折强度的提高在实验中，当纤维掺量增加到体积的 0.2%时，并未增加搅拌的困难掺不同纤度、不同长径比纤维的混凝土的主要性能加工不同纤度、不同长度的聚丙稀纤维掺入混凝土中，进行拌和物和易性和抗压、劈拉、氯离子扩散系数等性能的实验配合比为：北京 P.O 525#水泥 390kg；北京Ⅰ级粉煤灰 110 kg；FDN 6.0 kg；W/(C+F)= 0.33。

实验结果见表 8 所示表 8 掺不同纤度不同长径比 *纤维的混凝土的主要性能对比编号 纤维纤度 (D) 纤维长度 （mm） 长径比 纤维掺量 (%) 坍落度∕ 坍落流动度 (mm) 28d 抗压强度(MPa) 劈拉强度（MPa） 拉压比（ %）X55 — — — 235 ∕ 600 74.0 3.40 4.70X56 北京 15 19 394 0.1 225 ∕ 580 68.5 3.60 5.26X57 北京 25 20 321 0.1 220 ∕ 580 69.8 3.95 5.66X58 北京 25 24 385 0.1 200 ∕ 500 69.0 4.15 6.01X59 北京 25 28 450 0.1 200 ∕ 500 69.5 4.30 6.19X61 杜拉 13 19 425 0.1 190 ∕ 450 62.0 3.05 4.92X62 北京 15 19 394 0.3 220 ∕ 450 65.5 3.85 5.88X63 北京 15 19 394 0.5 165 ∕ 400 63.8 3.50 5.49X64 北京 25 20 321 0.3 190 ∕ 450 62.5 4.10 6.56X65 北京 25 20 321 0.5 175 ∕ 400 61.8 3.95 6.39X66 北京 25 28 450 0.3 190 ∕ 400 62.5 4.25 6.80* 按圆形截面、密度 0.91 计算聚丙烯纤维直。