高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維在建筑工程中的應(yīng)用

孫志，劉羅煒

(中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司，深圳 518054)

摘要：在高標(biāo)號(hào)混凝土土中摻入高強(qiáng)高模纖維，劈裂抗壓強(qiáng)度提高顯著，但對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度提高甚微。在1 m`3C30混凝土中加入1 kg高強(qiáng)高模纖維，不僅可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，還可大幅提高混凝土的劈裂抗壓強(qiáng)度。高強(qiáng)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?jié)B性。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)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(jiǎn)介：孫志(1977-)，高級(jí)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(qiáng)高模聚乙烯醇纖維，簡(jiǎn)稱高強(qiáng)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(jiǎn)稱UHMWPE)，是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維。建筑工程中又稱高強(qiáng)高模聚乙烯醇纖維，在建筑工程中俗稱高強(qiáng)高模纖維。

高強(qiáng)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(jīng)深加工生產(chǎn)出來(lái)了一種高聚合物的纖維，在軍工方面的國(guó)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(yī)療生物材料；在工業(yè)上的耐壓容器、傳送帶、過(guò)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(yù)制裝配式構(gòu)件等，用它作為增強(qiáng)水泥復(fù)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(jié)了我國(guó)在建筑工程中對(duì)高強(qiáng)高模纖維一些研究成果及其在建筑工程實(shí)踐中具體運(yùn)用，希望能給以后的工程運(yùn)用中提供借鑒和參考。

1高強(qiáng)高模纖維的物理性能及其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

1.1　高強(qiáng)高模纖維的物理特性

高強(qiáng)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(qiáng)高模聚乙烯醇纖維的物理特性及理學(xué)特性如下：1)高比強(qiáng)度，高比模量。比強(qiáng)度是同等截面鋼絲的10多倍，比模量?jī)H次于特級(jí)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(zhǎng)低、斷裂功大，具有很強(qiáng)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(xué)腐蝕、耐磨性、有較長(zhǎng)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(qiáng)高模聚乙烯醇纖維的物理性能

1.2　高強(qiáng)高模纖維對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土力學(xué)性能的影響

杜修力等人在《PVA纖維高強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究》一文中的研究數(shù)據(jù)[1]，參見表2和表3。

表2　高強(qiáng)高模纖維高標(biāo)號(hào)混凝土配合比

表3　高強(qiáng)高?；炷粱玖W(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

表2中的混凝土試塊基體強(qiáng)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(qiáng)混凝土(PFRHSC)。表2中PFRHSC0在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)60 s成型，PFRHSC0.5、PFRHSC1.0、PFRHSC1.5在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)90 s成型。混凝土的成型養(yǎng)護(hù)以及混凝土的各項(xiàng)性能的試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。表2中的立方體抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，軸心抗壓強(qiáng)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(qiáng)高模纖維對(duì)高強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有增強(qiáng)作用，反而降低基體混凝土的立方體和軸心抗壓強(qiáng)度。隨著高強(qiáng)高模纖維摻量增大，高強(qiáng)高模纖維混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度幾乎呈線性降低，摻入高強(qiáng)高模纖維后混凝土的彈性模量略有增加。2)高強(qiáng)高模纖維能提高基體混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，高強(qiáng)高模纖維摻量增加到6.5 kg時(shí)，PFRHSC1.5的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度的提高，能有效減少混凝土的裂縫。

1.3　 高強(qiáng)高模纖維對(duì)普通混凝土力學(xué)性能的影響

張利平等在《改性PVA纖維混凝土實(shí)驗(yàn)研究》一文中的數(shù)據(jù)[2],參見表4。

表4　高強(qiáng)高模纖維混凝土性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

1.4　在C30混凝土中摻入不同量的高強(qiáng)高模纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在C30混凝土中摻入不同量的高強(qiáng)高模纖維的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]，參見表5。

表5　高強(qiáng)高模摻量不同的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

1.5　高強(qiáng)高模纖維混凝土一些特性的探析

根據(jù)表1～5的數(shù)據(jù)中，可以得出如下結(jié)論。

1)高強(qiáng)高模纖維無(wú)論在低標(biāo)號(hào)混凝土中還是在高標(biāo)號(hào)混凝土中，均大幅度提高了混凝土的劈拉強(qiáng)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(chǎn)生的收縮裂縫。

2)高強(qiáng)高模纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度隨混凝土的強(qiáng)度不同而不同，鑒于已有的資料我們可以看出高標(biāo)號(hào)混凝土的強(qiáng)度不但沒有增加反而比不摻入纖維的強(qiáng)度還有所降低，在每m3混凝土摻入6.5 kg以上的高強(qiáng)高模纖維時(shí)，其抗壓強(qiáng)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(qiáng)高模纖維時(shí)其抗壓強(qiáng)度提高6%～20%。

3)根據(jù)已有的資料和高強(qiáng)高模纖維的分子結(jié)構(gòu)我們可以推測(cè)高強(qiáng)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?jié)B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(qiáng)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(jù)已有的實(shí)驗(yàn)證明高強(qiáng)高模纖維在水中的分散性比較均勻。從國(guó)內(nèi)已有的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來(lái)看，用高強(qiáng)高?；炷翆?shí)驗(yàn)的梁斷裂的剖面可以清晰的看到很多纖維都是被拉斷而不是被從混凝土中拔出。這是因?yàn)楦邚?qiáng)高模纖度小，大量的纖維在砂漿或混凝土內(nèi)部均勻地分布，構(gòu)成了穩(wěn)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(qiáng)高模纖維混凝土更加趨于一個(gè)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(qiáng)高模纖維形成的穩(wěn)定的三維亂向支撐體系主要承受混凝土的拉力。

2高強(qiáng)高模纖維混凝土在具體工程中的運(yùn)用

該工程建筑面積為43 838 m2的單層工業(yè)廠房，如果按傳統(tǒng)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(shè)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(shù)人員、設(shè)計(jì)人員及總包單位在一齊反復(fù)商討施工方案，根據(jù)建設(shè)方的要求，如果采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的做法和傳統(tǒng)的施工工藝進(jìn)行施工，考慮到春節(jié)的假期這是一個(gè)不可能的任務(wù)。如果采用比較先進(jìn)的一體化連續(xù)施工方案，混凝土初凝的收縮裂縫很難控制。經(jīng)過(guò)反復(fù)討論后，決定把傳統(tǒng)的金剛砂耐磨地面改為高強(qiáng)高?；炷恋孛妗＠酶邚?qiáng)高?；炷恋目沽研院?、早強(qiáng)度比較高的特點(diǎn)，采用自動(dòng)整平機(jī)進(jìn)行連續(xù)施工。為了減少地面裂縫，采取地面切割伸縮的縫的方式來(lái)主動(dòng)控制地面的裂縫。

2.1　高強(qiáng)高模纖維在地面混凝土的摻入量

根據(jù)有關(guān)資料和工程實(shí)踐，在高強(qiáng)高模的加入量上我們最終采用每m3混凝土中加1 kg高強(qiáng)高模纖維。由于高強(qiáng)高模纖維在水中的離散性比較好，理論上高強(qiáng)高模纖維應(yīng)加入攪拌混凝土的水中，才能在混凝土中分散最均勻，達(dá)到最優(yōu)的效果。但是在實(shí)際工程中，商混攪拌站不可能為了一個(gè)或兩個(gè)工程添加高強(qiáng)高模纖維去改造商混站的供水系統(tǒng)，大多都是采用人工稱量在混凝土投料系統(tǒng)中的外加劑投料口處外加高強(qiáng)高模纖維。該工程采用三個(gè)工人在商混站的砂石投料系統(tǒng)中的外加劑投料口處進(jìn)行添加，其中一個(gè)人監(jiān)督，兩個(gè)人負(fù)責(zé)稱量和投料。稱量采用一臺(tái)電子稱和四個(gè)塑料桶。

2.2　現(xiàn)場(chǎng)地面施工方案

該工程車間平面尺寸：寬120 m，長(zhǎng)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(shè)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(gè)軸線每邊澆筑3 m寬，廠房的兩個(gè)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(nèi)連續(xù)澆筑混凝土，361 m長(zhǎng)的廠房分三次澆筑完畢。

混凝土的振搗采用自動(dòng)整平振動(dòng)一體機(jī)，此機(jī)械的好處在于全場(chǎng)只有一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。每次工作前和全站儀校準(zhǔn)過(guò)標(biāo)高以后再進(jìn)行震動(dòng)整平工作，確保廠房地面的平整度；再用此機(jī)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(jìn)行前進(jìn)。

商混站運(yùn)輸車每車運(yùn)送混凝土10 m3，每天可以保證連續(xù)運(yùn)送混凝土40～50車，每車澆筑時(shí)間為10～12 min。考慮到天氣的寒冷和工人的休息時(shí)間，我們暫按每24 h澆筑面積不超過(guò)2 500 m2進(jìn)行控制。

混凝土地面的連續(xù)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?cè)賹?duì)高強(qiáng)高?；炷敛扇煞N控制措施：1)在混凝土初凝之后強(qiáng)度達(dá)到可以上人的條件下，立即對(duì)地面進(jìn)行切割，釋放地面因混凝土的收縮產(chǎn)生的收縮裂縫，具體切割位置是沿軸線對(duì)準(zhǔn)柱中進(jìn)行切割和沿柱子基礎(chǔ)開挖的外邊線進(jìn)行切割，在此位置進(jìn)行切割也是為了防止柱子基礎(chǔ)之上的回填土因回填沒有壓實(shí)沉降而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。2)在混凝土地面被切割之后立即對(duì)切割的混凝土地面采用塑料薄膜進(jìn)行覆蓋，以確?；炷恋乃莶惠p易蒸發(fā)。

2.3　地面澆筑結(jié)果

該工程從2015年1月10號(hào)進(jìn)行施工，到2015年1月30號(hào)結(jié)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(jìn)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(yè)主開始使用此地面前，沒有發(fā)現(xiàn)此地面有眼睛可以看到的裂縫。從2015年3月份建設(shè)方開始連續(xù)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(gè)柱子基礎(chǔ)周邊發(fā)現(xiàn)一處地面裂縫，初步判定為柱子基礎(chǔ)之上的回填土沒有壓實(shí)所致。

對(duì)于連續(xù)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(wèn)題，也是限制我們采用連續(xù)澆筑和施工的主要控制條件。通過(guò)每m3混凝土摻入1 kg高強(qiáng)高模纖維可以有效解決因混凝土早期收縮產(chǎn)生的收縮裂縫，為我們連續(xù)施工創(chuàng)造了有利的條件和提供了連續(xù)施工的可能性。對(duì)于大面積的地面采用了連續(xù)施工方案，這樣既節(jié)省了大量支模板的時(shí)間，還減少了澆筑地面的人工成本，有效降低了整個(gè)地面綜合的建筑成本。

3結(jié)論和建議

a.在混凝土中摻入適量的高強(qiáng)高模纖維可以有效混凝土的早期收縮裂縫，進(jìn)而提高了混凝土的抗?jié)B性和耐磨性。此種改進(jìn)舉措在耐磨地面抗?jié)B要求比較高的水利工程以及國(guó)家近來(lái)推進(jìn)的綠色節(jié)能環(huán)保預(yù)制裝配式住宅中的預(yù)制構(gòu)件中，有廣泛的應(yīng)用前景。

b.高強(qiáng)高模纖維的不同摻入量對(duì)混凝土的力學(xué)性能的影響需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和分析。

c.高強(qiáng)高模纖維混凝土抗壓和劈裂抗拉強(qiáng)度與不同長(zhǎng)度纖維之間的關(guān)系，還需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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