一種高性能滲透可控混凝土模板襯墊的制備及性能研究*

魏發云 張 偉 張 瑜 代子薦 何克明 何佳佳

(1.南通大學杏林學院，南通，226019;2.南通大學紡織服裝學院，南通，226019)

混凝土表層的性能決定著其使用的耐久性。混凝土澆筑過程中，在振搗器的振動力和內部壓力的作用下，過多的水和空氣會集聚在混凝土表層，倘若無法排出，混凝土硬化后其表層的結構會比較粗糙，孔隙率很大，緊實致密性很低，易出現大的沙眼和裂痕，致使在使用過程中有害物質能輕易穿透混凝土表層，破壞內部的鋼筋結構和核心部位，從而降低了混凝土的使用強度和壽命。由此可見，提高混凝土的表面性能可以提高其耐久性。目前，如何提高混凝土的耐久性已經成為研究的熱點。有研究表明［1-2］，在混凝土澆筑過程中，使用滲透可控混凝土模板襯墊(controlled permeability formwork liner，CPFL)可以提高混凝土的表面性能。CPFL又稱透水模板布。透水模板襯里是一種安裝在混凝土模板內側的非織造材料，該襯里可以通過自身特殊的結構，在混凝土澆筑過程中排出表層多余的水分和空氣，而混凝土顆粒無法通過［3-5］。在實際澆筑過程中采用高性能CPFL可以大大降低混凝土表層的水灰比，改善混凝土表層的致密性，提高表面光滑度，降低滲透性，從而提高混凝土的使用強度，延長混凝土的耐久性［6-7］。目前，國內對CPFL的研究主要集中在模板襯墊對混凝土表層性能的影響上，而對模板襯墊的制備工藝研究較少。本文選用三種不同線密度的聚丙烯(PP)纖維為原料，分別附加滌綸基布后，采用針刺工藝制成預制品，經過優化后進行熱軋處理，制成高性能的CPFL，研究工藝參數對其力學性能和透水性的影響，并進行了混凝土澆筑試驗。

1 試驗部分

1.1 原料

PP 纖維：纖維線密度 1.67、2.75、4.44 dtex，熔點170℃，山東文登市堯峰化纖有限公司生產。

滌綸基布：滌綸紗線線密度55 dtex，福建華耀針織公司生產。

1.2 設備及儀器

FZG500給棉機、FZSCDZ梳理機、FZP1000鋪網機、FZZ-1000預針刺機，常熟市偉成非織造成套設備有限公司生產;

YBG344-110主針刺機，儀征市海潤紡織機械有限公司生產;

熱軋機，江陰博路威機械有限公司生產;

YT010-1000土工布綜合強力機、YT020土工布透水性測試儀，溫州大萊紡織儀器有限公司生產;

YT050土工布摩擦試驗儀，溫州際高檢測儀器有限公司生產;

KYKY2800掃描電鏡，北京中科科儀股份有限公司生產。

1.3 模板襯墊的制備

對PP纖維進行開松處理，附加滌綸基布;在不同的針刺工藝下制成纖維氈，并測定纖維氈的斷裂強力;根據測定結果優選出性能最佳的樣品，再進行熱軋處理，成型，制得CPFL。工藝流程如下：

PP纖維→手動開松→梳理成網→斜簾往復鋪網→第一道預針刺→第二道預針刺→主針刺→熱軋→成品。

針刺過程中，其他工藝參數不變，改變針刺密度，分別設定為110、115、120和125刺/cm2。

熱軋過程中，CPFL的厚度和軋輥的速度保持不變，軋輥速度為2.0 m/min，改變熱軋溫度，分別設定為175、180、185 和190 ℃。

為方便敘述，對樣品按照“線密度-針刺密度-熱軋溫度”的形式進行編號。例如：“2.75-115-180”表示PP纖維的線密度為2.75 dtex，針刺密度為115刺/cm2，熱軋溫度為180℃的試樣。

1.4 主要性能測試

(1)拉伸斷裂強力。采用YT010-1000土工布綜合強力機，根據GB/T15788—2005《土工布及其有關產品寬條拉伸試驗方法》進行測試。

(2)透水性。采用YT020型土工布透水性測試儀，根據GB/T15789—2005《土工布及其相關產品無負荷時垂直滲透特性的測定》進行測試。

(3)耐磨性能。采用YT050型土工布摩擦測試儀，根據GB/T17636—1998《土工布及其有關產品抗磨損性能的測定紗布/滑塊法》進行測試。

2 結果與討論

2.1 纖維氈的拉伸性能

圖1是以不同線密度的PP纖維為原料，采用不同針刺密度制成的纖維氈的縱向和橫向拉伸斷裂強力。由圖1可知：纖維線密度為1.67 dtex的纖維氈的縱橫向拉伸斷裂強力均過低，不能滿足實際使用的需求，因此不作為繼續研究的對象;2.75和4.44 dtex的纖維在針刺密度為110刺/cm2下制備的纖維氈縱向和橫向的斷裂強力都較低，主要因為在該針刺密度下，纖維氈的纖維之間纏結度較低，所以斷裂強力不高;當針刺密度提高時，纖維氈的纖維之間相互纏結加劇，纏結度提升，斷裂強力升高;當纖維線密度為2.75和4.44 dtex的纖維氈針刺密度進一步提高至120和125刺/cm2時，由于針刺過程中部分纖維損傷，所以纖維氈的斷裂強力反而出現下降。由此可知，針刺密度對纖維氈的斷裂強力影響較大，故優選115和120刺/cm2為制備CPFL的針刺工藝。

圖1 纖維氈的拉伸斷裂強力

2.2 CPFL的拉伸性能

圖2是采用不同針刺密度和不同熱軋溫度制得的CPFL試樣的縱橫向拉伸斷裂強力。從圖2可以看出：當熱軋溫度低于185℃時，CPFL試樣的橫向拉伸斷裂強力隨溫度的升高略有增大，縱向拉伸斷裂強力隨著熱軋溫度的升高呈現明顯的增大;但是當溫度超過185℃時，有些試樣強力反而下降。主要是原因是熱軋溫度高于PP的熔點，當熱軋溫度較高時，軋輥傳遞給纖維氈表面的熱量比較充分，可以促使纖維氈表層部分纖維發生一定程度的熔融，同時伴隨著熔體的流動和擴散，形成了聚合物粘連纖維的黏合板塊［8］。當熱軋溫度在185℃以下時，溫度越高纖維氈表層纖維發生熱熔黏合的面積就越大，樣品的拉伸斷裂強力也就越大;但是當溫度超過185℃時，由于溫度過高，熱量傳遞過多，纖維過分熔融，反而破壞了纖維氈整體強力，試樣強力反而下降，所以熱軋溫度不宜超過185℃。因此，熱軋溫度優化為180和185℃。

圖2 CPFL試樣的拉伸斷裂強力

2.3 CPFL的透水性能

圖3是采用不同針刺密度和不同熱軋溫度制得的CPFL試樣的透水率。在CPFL的使用強度達標的條件下，透水性嚴重影響混凝土的表面性能。四種樣品的力學性能均能達到使用要求，因此透水性直接決定了樣品的優選。從圖3可以看出：2.75-120樣品的透水性最好，其余樣品的透水性基本接近;隨著熱軋溫度的升高，CPFL的透水率明顯降低。主要因為熱軋過程中，熱軋溫度的升高會加大纖維氈表層PP纖維的熔化黏合面積，黏合面積的增加會降低纖維氈表面的孔隙率，所以透水性下降。

根據在不同針刺密度和不同熱軋溫度下制得的CPFL的力學性能和透水性數據，優選出樣品2.75-120-180 和樣品 4.44-115-180，對其進行耐磨性和實際澆筑試驗的對比。

圖3 CPFL試樣的透水率

2.4 CPFL的耐磨性能

圖4是樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180在橫向和縱向磨500次后的失重率和斷裂強力損失率數據。由圖4可以看出：兩個樣品的橫向和縱向磨后的失重率均較小，并且橫向和縱向磨后的失重率差別不大;樣品2.75-120-180的橫向和縱向磨后的斷裂強力損失率相差不大，而樣品4.44-115-180的橫向斷裂強力損失率較大，但縱向斷裂強力損失率較小。從失重率和斷裂強力損失率的整體情況來看，樣品2.75-120-180的耐磨性要比樣品4.4-115-180的耐磨性好。

2.5 CPFL 微觀形態

圖4 CPFL樣品耐磨性能測試數據

借助掃描電鏡拍攝了樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180的正面、反面以及橫截面的電鏡照片，見圖5。

從圖5樣品的電鏡照片中可以看出，樣品2.75-120-180的表面(正面)比樣品 4.44-115-180的表面略顯光滑，并且有空隙存在，說明CPFL在熱軋中表面的部分纖維確實發生了良好的熱融合，因而在混凝土澆筑的應用中可以大大提高混凝土表面的光滑度，同時表面的空隙保持了良好的透水性。兩個樣品的反面依然是纖維氈的形態，可以看出大部分PP纖維針刺時發生了纏結，纖維間孔隙率很大，在進行混凝土澆筑時可以起到良好的導水作用。

2.6 混凝土實際澆筑

為了分析樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180的實際使用效果，進行了混凝土的實際澆筑測試，并拍攝了未使用CPFL和使用CPFL的混凝土澆筑成型后的表面照片，見圖6。

圖5 樣品的電鏡照片

圖6 未使用CPFL和使用CPFL的混凝土澆筑成型后的表面照片

從圖6可以看出：未使用CPFL的混凝土澆筑成型后，其表面比較粗糙、疏松，表面有很大的沙眼和較多的裂痕，平整度較差;使用CPFL的混凝土澆筑成型后，其表面光滑度、平整度都得到了明顯的改善，尤其是使用樣品2.75-120-180的混凝土表面幾乎沒有沙眼和裂痕。主要原因是使用CPFL的混凝土在澆筑成型過程中，向外遷移排出的水分中攜帶的水泥顆粒受到CPFL正面的阻隔而滯留在混凝土表面，填充了混凝土表面大沙粒間的空隙、氣泡孔以及滲水通道，從而使混凝土表面變得光滑平整，致密度提高。其中，使用樣品2.75-120-180的混凝土表面光滑度比使用樣品4.44-115-180的混凝土表面光滑度要好，這與圖5電鏡照片中樣品2.75-120-180正面比樣品4.44-115-180正面的光滑度高相符。

3 結論

(1)在CPFL制備的過程中，原材料的選擇以及針刺和熱軋工藝對最終產品的性能都有很大的影響。

(2)原料纖維的線密度不能過低，否則其產品的力學性能不能滿足實際使用要求;在同樣的加工條件下，纖維線密度高，產品的透水性會有所下降。

(3)在熱軋過程中，熱軋溫度的升高可以提高CPFL的力學性能，但同時會降低其透水性;如果溫度過高，反而會使其力學性能和透水性都下降。

(4)在本試驗中，以線密度為2.75 dtex的PP纖維為原料，控制針刺密度為120刺/cm2、熱軋溫度為180℃，可以制備出綜合性能最佳的最終產品，其澆筑后的效果最好。

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