高強高模聚乙烯醇纖維在建筑工程中的應用

高強高模聚乙烯醇纖維在建筑工程中的應用

孫志，劉羅煒

(中國建材國際工程集團有限公司，深圳 518054)

摘要：在高標號混凝土土中摻入高強高模纖維，劈裂抗壓強度提高顯著，但對混凝土的抗壓強度提高甚微。在1 m`3C30混凝土中加入1 kg高強高模纖維，不僅可以提高混凝土的抗壓強度，還可大幅提高混凝土的劈裂抗壓強度。高強高模纖維作為混凝土的添加劑，不僅可以有效減少混凝土早期的收縮裂縫，還可以提高混凝土的耐磨性和抗滲性。

關鍵詞：高強高模聚乙烯醇纖維；混凝土裂縫；建筑工程

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.04.008

Abstract:Adding Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber into high grade concrete, the splitting-tensile strength was greatly improved. However, the compressive strength of concrete was barely improved. Adding 1 kg of 1 m`3C30 Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber into concrete can not only improve the compressive strength of concrete, but also greatly improve the splitting-tensile strength of concrete. Being the additive of concrete, Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber can not only effectively reduce the early contraction crack of concrete, but also improve the concrete’s abrasion resistance and permeability resistance.

收稿日期：2015-05-10.

作者簡介：孫志(1977-)，高級工程師.E-mail:58302337@qq.com

Application of Ultra High Molecular Weight Polyethylene

Fiber in Building Engineering

SUNZhi，LIULuo-wei

(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Shenzhen 518054, China)

Key words:ultra high molecular weight polyethylene fiber；the concrete crack；building engineering

高強高模聚乙烯醇纖維，簡稱高強高模纖維；原名超高分子量聚乙烯醇纖維(英文全稱：Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，簡稱UHMWPE)，是目前世界上比強度和比模量最高的纖維。建筑工程中又稱高強高模聚乙烯醇纖維，在建筑工程中俗稱高強高模纖維。

高強高模聚乙烯醇纖維是利用乙烯醇(亦寫作PVA,下同)作為原料經深加工生產出來了一種高聚合物的纖維，在軍工方面的國防軍需裝備、航工航天；在民用中的繩索、纜繩、體育器材器材用品、醫療生物材料；在工業上的耐壓容器、傳送帶、過濾材料、汽車緩沖板等；在建筑工程中的水壩、墻體、隔板、地面及預制裝配式構件等，用它作為增強水泥復合材料可以有效改善混凝土的韌度，提高其耐磨、抗裂性及沖擊性能。該文主要總結了我國在建筑工程中對高強高模纖維一些研究成果及其在建筑工程實踐中具體運用，希望能給以后的工程運用中提供借鑒和參考。

1高強高模纖維的物理性能及其對混凝土力學性能的影響

1.1　高強高模纖維的物理特性

高強高模聚乙烯醇纖維的物理性能,詳見表1。

從表1中可以得知高強高模聚乙烯醇纖維的物理特性及理學特性如下：1)高比強度，高比模量。比強度是同等截面鋼絲的10多倍，比模量僅次于特級碳纖維。2)纖維密度低，密度是0.97 g/cm3，可浮于水面，但纖維本的在水中的離散型及其均勻。3)斷裂伸長低、斷裂功大，具有很強的吸收能量的能力，因而具有突出的抗沖擊性和抗切割性。4)耐化學腐蝕、耐磨性、有較長的撓曲壽命。5)是親水材料，水中的離散性比較均勻，是一種比較理想的混凝土摻和料。

表1　高強高模聚乙烯醇纖維的物理性能

1.2　高強高模纖維對高標號混凝土力學性能的影響

杜修力等人在《PVA纖維高強混凝土的力學性能試驗研究》一文中的研究數據[1]，參見表2和表3。

表2　高強高模纖維高標號混凝土配合比

表3　高強高模混凝土基本力學性能檢測結果

表2中的混凝土試塊基體強度均在110 MPa以上，摻入不同摻量的PVA纖維，配制出了PVA纖維高強混凝土(PFRHSC)。表2中PFRHSC0在振動臺上振動60 s成型，PFRHSC0.5、PFRHSC1.0、PFRHSC1.5在振動臺上振動90 s成型?；炷恋某尚宛B護以及混凝土的各項性能的試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行。表2中的立方體抗壓、劈裂抗拉強度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，軸心抗壓強度、彈性模量的試件尺寸為100 mm×100 mm×300 mm，彎曲韌性試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm。試件的齡期均為28 d。

由表3可以看出：1)高強高模纖維對高強混凝土的抗壓強度沒有增強作用，反而降低基體混凝土的立方體和軸心抗壓強度。隨著高強高模纖維摻量增大，高強高模纖維混凝土立方體抗壓強度和軸心抗壓強度幾乎呈線性降低，摻入高強高模纖維后混凝土的彈性模量略有增加。2)高強高模纖維能提高基體混凝土的劈裂抗拉強度，高強高模纖維摻量增加到6.5 kg時，PFRHSC1.5的劈裂抗拉強度增加了35.23%，PFRHS1.5拉壓比由PFRHSC0的1/17.2增加到1/11。劈裂抗拉強度的提高，能有效減少混凝土的裂縫。

1.3　 高強高模纖維對普通混凝土力學性能的影響

張利平等在《改性PVA纖維混凝土實驗研究》一文中的數據[2],參見表4。

表4　高強高模纖維混凝土性能實驗結果

從表4可以看到高強高模纖維混凝土與不摻高強高模纖維混凝土相比，28 d抗壓強度提高6.1%～20.2%，劈拉強度提高5.1%～14.3%。90 d抗壓強度提高4.1%～9.8%，劈拉強度除了H-03編號結果比基準低1.6%，其他結果提高4.1%～7.4%。7 d的劈拉強度提高了15%，劈拉強度的提高有助于減少混凝土早期凝固收縮過程中出現的裂縫。

1.4　在C30混凝土中摻入不同量的高強高模纖維的實驗結果

在C30混凝土中摻入不同量的高強高模纖維的實驗結果[3]，參見表5。

表5　高強高模摻量不同的抗壓強度、劈拉強度實驗結果

從表5中可知：混凝土的抗壓強度與劈裂抗拉強度均隨著混凝土期齡的增加而增大。高強高模纖維對混凝土的強度提高效果沒有對混凝土劈拉強度提高效果顯著。高強高模纖維摻入量越大對混凝土的劈拉強度提高效果最明顯，但是當每m3混凝土摻入量超過1.2 kg，混凝土的抗壓強度會降低。

1.5　高強高模纖維混凝土一些特性的探析

根據表1～5的數據中，可以得出如下結論。

1)高強高模纖維無論在低標號混凝土中還是在高標號混凝土中，均大幅度提高了混凝土的劈拉強度，從而有效地減少了混凝土的裂縫，尤其是混凝土早期因收縮產生的收縮裂縫。

2)高強高模纖維對混凝土的抗壓強度隨混凝土的強度不同而不同，鑒于已有的資料我們可以看出高標號混凝土的強度不但沒有增加反而比不摻入纖維的強度還有所降低，在每m3混凝土摻入6.5 kg以上的高強高模纖維時，其抗壓強度有所降低。在普通C30混凝土中，每m3混凝土摻入0.9 kg的高強高模纖維時其抗壓強度提高6%～20%。

3)根據已有的資料和高強高模纖維的分子結構我們可以推測高強高模纖維可以提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，也可以改善混凝土的抗滲性、抗凍性、抗碳化性能、耐磨性能，從而提高混凝土的耐久性。

5)高強高模纖維分子中有羥基，決定它不是憎水摻合料是親水摻和料，根據已有的實驗證明高強高模纖維在水中的分散性比較均勻。從國內已有的實驗室數據來看，用高強高?；炷翆嶒灥牧簲嗔训钠拭婵梢郧逦目吹胶芏嗬w維都是被拉斷而不是被從混凝土中拔出。這是因為高強高模纖度小，大量的纖維在砂漿或混凝土內部均勻地分布，構成了穩定的三維亂向支撐體系。混凝土基體與纖維的緊密握裹，使得高強高模纖維混凝土更加趨于一個整體，增加混凝土的整體性，減少混凝土的裂縫；在混凝土開裂以后，高強高模纖維形成的穩定的三維亂向支撐體系主要承受混凝土的拉力。

2高強高模纖維混凝土在具體工程中的運用

該工程建筑面積為43 838 m2的單層工業廠房，如果按傳統的地面做法為200 mm厚的C30混凝土，表面做3 mm厚的耐磨層，地面施工周期至少需要70～90 d。2015年元旦前夕建設方突然提出要在2015年的3月初使用地車間的地面。施工技術人員、設計人員及總包單位在一齊反復商討施工方案，根據建設方的要求，如果采用傳統設計的做法和傳統的施工工藝進行施工，考慮到春節的假期這是一個不可能的任務。如果采用比較先進的一體化連續施工方案，混凝土初凝的收縮裂縫很難控制。經過反復討論后，決定把傳統的金剛砂耐磨地面改為高強高?；炷恋孛?。利用高強高?；炷恋目沽研院?、早強度比較高的特點，采用自動整平機進行連續施工。為了減少地面裂縫，采取地面切割伸縮的縫的方式來主動控制地面的裂縫。

2.1　高強高模纖維在地面混凝土的摻入量

根據有關資料和工程實踐，在高強高模的加入量上我們最終采用每m3混凝土中加1 kg高強高模纖維。由于高強高模纖維在水中的離散性比較好，理論上高強高模纖維應加入攪拌混凝土的水中，才能在混凝土中分散最均勻，達到最優的效果。但是在實際工程中，商混攪拌站不可能為了一個或兩個工程添加高強高模纖維去改造商混站的供水系統，大多都是采用人工稱量在混凝土投料系統中的外加劑投料口處外加高強高模纖維。該工程采用三個工人在商混站的砂石投料系統中的外加劑投料口處進行添加，其中一個人監督，兩個人負責稱量和投料。稱量采用一臺電子稱和四個塑料桶。

2.2　現場地面施工方案

該工程車間平面尺寸：寬120 m，長為361 m，廠房為4連跨，每跨為30 m，柱距為7.5 m，總共為48跨，在廠房180 m處設置一道1 mm寬的插入距。

具體施工方案是先沿縱向軸線每個軸線每邊澆筑3 m寬，廠房的兩個邊柱每邊澆筑3 m寬。這樣每跨跨中還剩余24 m，然后在每跨中24 m的范圍內連續澆筑混凝土，361 m長的廠房分三次澆筑完畢。

混凝土的振搗采用自動整平振動一體機，此機械的好處在于全場只有一個基準點。每次工作前和全站儀校準過標高以后再進行震動整平工作，確保廠房地面的平整度；再用此機械要振搗的混凝土只需振搗一次即可，沿混凝土澆筑的方向進行前進。

商混站運輸車每車運送混凝土10 m3，每天可以保證連續運送混凝土40～50車，每車澆筑時間為10～12 min?？紤]到天氣的寒冷和工人的休息時間，我們暫按每24 h澆筑面積不超過2 500 m2進行控制。

混凝土地面的連續澆筑中混凝土的早期收縮裂縫的控制是一件棘手的事情。為了有效解決混凝土土地面的早期的收縮裂縫，我們再對高強高?；炷敛扇煞N控制措施：1)在混凝土初凝之后強度達到可以上人的條件下，立即對地面進行切割，釋放地面因混凝土的收縮產生的收縮裂縫，具體切割位置是沿軸線對準柱中進行切割和沿柱子基礎開挖的外邊線進行切割，在此位置進行切割也是為了防止柱子基礎之上的回填土因回填沒有壓實沉降而產生的結構裂縫。2)在混凝土地面被切割之后立即對切割的混凝土地面采用塑料薄膜進行覆蓋，以確保混凝土的水份不輕易蒸發。

2.3　地面澆筑結果

該工程從2015年1月10號進行施工，到2015年1月30號結束，一共完成廠房地面面積33 000 m2。施工期間采取晚上澆筑混凝土，白天進行收光、地面的切縫和覆蓋塑料薄膜等工作；到2015年3月初業主開始使用此地面前，沒有發現此地面有眼睛可以看到的裂縫。從2015年3月份建設方開始連續堆載成品的建筑玻璃，每m2至少5 t以上，到2015年的6月為止，僅在一個柱子基礎周邊發現一處地面裂縫，初步判定為柱子基礎之上的回填土沒有壓實所致。

對于連續澆筑大面積的混凝土，混凝土的收縮裂縫是工程中最難以控制和解決的問題，也是限制我們采用連續澆筑和施工的主要控制條件。通過每m3混凝土摻入1 kg高強高模纖維可以有效解決因混凝土早期收縮產生的收縮裂縫，為我們連續施工創造了有利的條件和提供了連續施工的可能性。對于大面積的地面采用了連續施工方案，這樣既節省了大量支模板的時間，還減少了澆筑地面的人工成本，有效降低了整個地面綜合的建筑成本。

3結論和建議

a.在混凝土中摻入適量的高強高模纖維可以有效混凝土的早期收縮裂縫，進而提高了混凝土的抗滲性和耐磨性。此種改進舉措在耐磨地面抗滲要求比較高的水利工程以及國家近來推進的綠色節能環保預制裝配式住宅中的預制構件中，有廣泛的應用前景。

b.高強高模纖維的不同摻入量對混凝土的力學性能的影響需要進一步的實驗和分析。

c.高強高模纖維混凝土抗壓和劈裂抗拉強度與不同長度纖維之間的關系，還需要進一步研究。

參考文獻

[1]杜修力，田予東，李曉欣，等. PVA纖維高強混凝土的力學性能試驗研究[M]. 混凝土與水泥制品，2010，26(8)：10-13.

[2]GB/T 50081—2002，普通混凝土力學性能試驗方法標準[S]．

[3]胡海彥，張濤. 基于PVA纖維混凝土抗壓和劈拉強度的研究[J]. 混凝土與水泥制品，2014，30(4)：30-33.

[4]GB/T 8126—38. 工程建設標準規范分類匯編—結構試驗方法標準[S]．