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解決混凝土塑性裂縫的長堅纖維技術優(yōu)點

發(fā)布時間:2020-06-04人氣:107


 長堅纖維加入各種混凝土及其制品中,具有以下優(yōu)點:
1.塑性階段
a)防止塑性收縮和沉縮裂縫
    加入長堅纖維,可增加混凝土在塑性階段的延性,從而提高混凝土的強度。減少了拌合物泌水現(xiàn)象,考慮到合理的水化作用,可降低水灰比,從而有效地防止了收縮和沉縮裂縫。
2.硬化階段
a)增加抗沖擊韌性
    大部分混凝土是脆性破壞的,但加入了長堅纖維后,可提高混凝土的延性。因為混凝土開裂時,將纖維從混凝土中拉出需耗費較多的能量。
b)增加耐磨性
    長堅纖維在混凝土攪拌過程中可控制水的遷移,減少了水泥漿和細骨料分離的可能性。它增強了水泥的水化作用,改善了與骨料的粘合強度,從而可以形成更致密、更耐久的使用表面。
c)增加防火性能
    用于水泥基材料中的長堅纖維的熔點大約在154℃,在高溫情況下,纖維熔解后混凝土中會形成無數(shù)的空穴,使易于水蒸汽疏導,這將明顯地減少混凝土爆裂現(xiàn)象。實際上,目前的實驗結果表明,纖維的加入,已經(jīng)消除了高溫狀態(tài)下水泥石的爆裂。
d)改善對水和化學介質(zhì)的抗?jié)B性
     混凝土中的孔隙減少,滲透性降低。這將會使混凝土表面對水、化學物質(zhì)和其他物質(zhì)的吸收速度減慢。
e) 提高抗凍性
     加入了長堅纖維改善了混凝土的抗凍性,相當于提高了其耐久性,其機理與加氣混凝土相似。
f)附加預應力
    長堅纖維是控制裂縫用鋼筋網(wǎng)片的經(jīng)濟替代品,那些鋼筋網(wǎng)片通常放置在承重樓板上部以控制裂縫。但它不能替代任何結構上的鋼筋。當混凝土收縮,控制裂縫的鋼筋網(wǎng)片會產(chǎn)生反力,增加了混凝土的拉應力。鋼筋網(wǎng)片在混凝土出現(xiàn)裂縫后才開始承受拉力,然而長堅纖維可以防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。

長堅纖維混凝土技術介紹
    在參考了至今為止積累的大量測試數(shù)據(jù)的基礎上,本文介紹了長堅纖維的功能和優(yōu)點。全部引用的實驗數(shù)據(jù)都是獨立進行并且獨立核實的。在英國,British Board of Agrément 監(jiān)督了大多數(shù)的測試,并給予官方認可。這種認可正在被擁有技術授權組織的其他國家(特別是那些參與UEAtc和EOTA的組織)接受。
    所摘錄的其它數(shù)據(jù),包括原始的研究和實驗的其它數(shù)據(jù),摘自正式被美國混凝土學會收錄的文章。
纖維的功能
    長堅纖維的主要功能是從本質(zhì)上改善了混凝土性能,有以下幾個因素:
改善了水泥漿的流變性從而減少了離析,泌水和沉縮等。
甚至在微觀層次上,防止前期的裂縫產(chǎn)生。
長堅纖維在下列狀態(tài)下進行測試,顯現(xiàn)出它的優(yōu)點:
澆搗完畢后,初凝前。
初凝后硬化前,例如,塑性階段。
在硬化后,混凝土完全成型階段。
    在理想狀態(tài)下,長堅纖維可最大程度發(fā)揮它的優(yōu)點,同時最大程度降低負面的影響。它的一個主要應用就是用來替代底板中抗裂鋼筋網(wǎng)片。其細節(jié)問題在下面章節(jié)將詳細討論,同時通過對比實驗來證實長堅纖維在此方面具備的優(yōu)勢。
長堅纖維
    長堅纖維是解決水泥制品上述缺陷的最先進可行的方法,在后章節(jié)將詳細介紹。該纖維的生產(chǎn)技術已經(jīng)在歐洲和美國申請了專利。
    長堅纖維已在世界各地廣泛使用,采用的商標名稱有:“Crackstop”、“Fibrin23”、“Fibrin Fiberflex”、“Fiberflex”、“Polymassa”、”Polycret”,“Grace”等等。
    這種用于增強混凝土性能的纖維具有以下特征:
采用優(yōu)質(zhì)纖維,形成特效纖維表面。
采用纖維束和浸潤劑,具有良好的分散效果。
采用聚丙烯原料,保證了纖維的韌性、耐久性和化學惰性。
塑性狀態(tài)性質(zhì)
    長堅纖維影響了混凝土的流變性從而降低了沉縮、泌水和離析。下面的對比實驗結果證實了混凝土中應用這種纖維的作用。
混凝土坍落度
    摻有長堅纖維的混凝土的坍落度將降低10%。這并不意味著混凝土的和易性降低了,因為坍落度指標并不能全面表征和易性。坍落度降低的原因是這種纖維引起了一種特殊的觸變效果,這影響了一些靜態(tài)測試結果,如坍落度試驗。長堅纖維混凝土的坍落度設計應該取用摻入纖維前的指標。否則應考慮摻入纖維導致的10%的降低值。
泌水性
    在長堅纖維混凝土泌水性能測試中,泌水程度降低4.87%~5.8%,這個實驗也證實了混凝土沉縮值的降低。水泥漿硬化過程中,混凝土中存在水化和固化作用,此時混凝土特別容易發(fā)生裂縫。化學反應導致混凝土體積產(chǎn)生較大的收縮,這時體積的減小值遠超過混凝土在隨后時間內(nèi)發(fā)生的收縮。
    正如先前所進行的測試,塑性收縮測試也是在BBA的監(jiān)督下采用修改后的Kraii測試方法。Kraii法主要流程包括混凝土板澆注及表面通風干燥。Kraii測試方法已經(jīng)出現(xiàn)多種修訂版,用來測試不同的混凝土在易于開裂的早齡期裂縫出現(xiàn)的相對趨勢。本測試方法及其修訂版,已經(jīng)被廣泛的應用。它采用混凝土板替代與實際應用差異較大的混凝土環(huán)進行測試,其結果非??煽俊?br/>    在BBA測試中,每次測試用三個600平方毫米,厚度為50毫米的預制板?;炷镣ㄟ^空氣流干燥(溫度為28°C,RH40%),通過表面的空氣流速度為每秒7米,理論上水份蒸發(fā)速度至少為1.5公斤/平方米/小時。在測試中,這樣的干燥條件保持了24個小時。
    這些測試中,為了使其更容易產(chǎn)生裂縫,增加了混凝土中膠凝材料含量,并且加入了硅灰和PFA。
    測試的結果表明即使在易于產(chǎn)生裂縫的配合比和苛刻的干燥條件下,僅加入0.6公斤/m3的長堅纖維,就完全消除了裂縫。(所有可見的裂縫, 即使寬度小于0.1mm都被記錄下來).
硬化混凝土
    如前面所討論的,將長堅纖維加入到混凝土基礎底板比采用鋼筋網(wǎng)控制裂縫的更加有效?;炷恋装迨歉鶕?jù)混凝土強度而設計的,加入長堅纖維極大地改善了基礎材料的可靠性,而不是僅僅降低失敗后的負面影響。
    由于改善混凝土的特性,從而提高了混凝土底板整體的耐久性。這些由BBA監(jiān)督的測試表明混凝土的耐久性在下面幾個方面得到改善。
降低滲透性
    表面初始吸水性測試(ISAT)是一個比較完善的測試,正如它的名稱所表明的,其目的是測試混凝土的表面吸水性。這對混凝土的耐久性相當重要。
    這個測試的結果概要如下:
表面吸水性對比
Covercrete 測試
    長堅纖維的一大優(yōu)點是它避免了鋼筋混凝土中控制裂縫的鋼纖維具有的腐蝕問題,這種腐蝕經(jīng)常導致混凝土過早破壞。
    長堅纖維還可以通過包裹和保護鋼筋,來提高混凝土的耐久性能。一個專門用于測試混凝土吸水性對保護鋼筋的影響的方法就是Covercrete吸水性試驗,由Dundee大學發(fā)明,該方法詳細描述見1987年12月的雜志《水泥研究》(Concrete Research)
長堅纖維混凝土的吸水性可降低27%。
更佳的抗凍性
BBA檢驗表明長堅纖維可以代替加氣劑以增加混凝土抗凍性。
    以上是對長堅纖維混凝土進行了凍融循環(huán)測試所獲數(shù)據(jù),采用的混凝土對照試樣符合英國標準5075 第二部分附錄C。該測試包括:制備至少4根混凝土柱子,在-15℃下放置16小時,20℃下放置8小時,按此條件反復進行數(shù)次,然后測試樣品在長度方向上的變化。長堅纖維混凝土及對照樣的結果如上:
    可以看出:每立方米混凝土中加入0.6kg長堅纖維就可以顯著降低凍融測試中樣品徑向上的伸長,低于對照混凝土試樣的1/10。
更高的抗沖擊性能
    在混凝土建筑中,沖擊破壞,尤其在混凝土板的表面和邊緣的破壞是最常見的。BBA采用的抗沖擊測試方法是反復落錘沖擊,詳細資料見ACI委員會544在1988年ACI材料雜志(ACI Materials Journal)上的描述。
    該試驗中采用的重錘與土擊實試驗所用的相同,錘頭重4.54kg,從18 inch(457mm)高的地方自由落下。可參考ASTM D 1557與英國標準1377:第一部分:1990。
    錘反復擊打放在混凝土樣品上的硬鋼球上,記錄出現(xiàn)初始裂縫時的沖擊次數(shù)。
    長堅纖維混凝土可以承受100次沖擊,而普通混凝土樣只能承受17次,抗沖擊性能提高了5倍多。
混凝土防裂鋼筋網(wǎng)片的替代品:長堅纖維
BBA觀察與測試
    長堅纖維可以代替鋼筋網(wǎng)片來控制混凝土中的裂縫,但是不能代替結構上的增強鋼筋,并且應采用常規(guī)的養(yǎng)護方法。
    這些關于裂縫控制的參考文獻很重要,它們顯示了一個共識:鋼筋網(wǎng)片可以在底板中產(chǎn)生預應力,但此預應力僅能用于控制裂縫。
    如下參考取自TR34等:
BBA對Kraii測試方法進行了修改,以比較長堅纖維與鋼筋網(wǎng)片的裂縫控制功效。結果表明長堅纖維加入量為0.6kg/m3時,與A142鋼筋網(wǎng)片相比,其裂縫降低了92%(A142鋼筋相對于普通混凝土其裂縫出現(xiàn)率降低了50%)。
謝菲爾德測試
    為了對比鋼纖維與長堅纖維的效果,專門設計了一個尺寸模型試驗,該試驗采用的模型是一塊長5.5米,寬3.0米,厚度為175毫米的混凝土板。本試驗中實際數(shù)據(jù)波動較大,因此本試驗的目的只是比較不同的破裂方式而不是破裂時的應力。從這個方面來說,應力應變的關系是最重要的,而不是破裂時的應力。要測得像底板這樣實際隨動態(tài)荷載的構件的破壞應力,要測得像底板這樣實際承受動態(tài)荷載的構件的破壞應力,靜態(tài)試驗是無能為力的。
    本試驗的結果表明:普通纖維混凝土板顯示出在施加荷載數(shù)值達到破壞荷載一半以后,應力應變關系會明顯地偏離線性關系。而防裂混凝土板在破壞之前始終保持線彈性的應力應變關系。
    應力應變關系是非線性的原因通常認為是由于此時混凝土板內(nèi)的裂縫開始擴大。長堅纖維阻止了前期裂縫的繼續(xù)擴展,使應力應變繼續(xù)保持彈性關系。沒有裂縫的板的抗疲勞性能要明顯優(yōu)于含有裂縫的板。
    更好的耐火性能
    測試表明采用長堅纖維可以顯著提高混凝土的耐火性能。獨立的測試表明我們的纖維在600℃下放置1小時后的抗彎性能高于同類混凝土。應用該纖維可以提高混凝土在高溫下的抗爆性能(按BS 476測試)。最近Rail Link Engineering按該標準進行的測試得到了如下的結論:“加入長堅聚丙烯纖維后,在測試的全過程中都顯示出了優(yōu)越的耐火性能,摻加了特定纖維的混凝土沒有產(chǎn)生任何爆裂現(xiàn)象。”

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