聚丙烯纖維混凝土的防水性能及應(yīng)用

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1、引言 
    現(xiàn)代高新混凝土工程中，混凝土的應(yīng)用向著高強(qiáng)度、大流動(dòng)度方向發(fā)展。隨著混凝土強(qiáng)度和坍落度的提高，水泥的和用量不斷增加，由此帶來的副作用是水化熱加劇，混凝土的凝固收縮量加大，收縮應(yīng)力增大，裂縫數(shù)量增多。此外，隨著建筑構(gòu)件向大體積、大面積、形狀復(fù)雜多樣的方向發(fā)展，向地下空間的發(fā)展，混凝土內(nèi)的應(yīng)力大而復(fù)雜，裂縫的出現(xiàn)亦較以往多得多。因此，從混凝土防水的角度看，除了注重混凝土抗?jié)B性（密實(shí)度）外，更注意由于混凝土抗裂性不足而引起的滲漏，特別是高標(biāo)號(hào)的混凝土。 
    近年來，國(guó)外發(fā)展了應(yīng)用微纖維混凝土進(jìn)行抗裂防水的新技術(shù)。美國(guó)于90年代初研制出微纖維混凝土，在隨后的幾年中得到迅速的發(fā)展，其中應(yīng)用最多的是聚丙烯纖維混凝土。如今，在美國(guó)新建筑物中的地下室和屋面混凝土中大多采用了聚丙烯纖維混凝土，國(guó)內(nèi)亦開始在防水工程中得到成功應(yīng)用。本文主要以美國(guó)希爾兄弟化工公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維為例，介紹聚丙烯纖維混凝土的防水性能及其工程應(yīng)用。 
    2、聚丙烯纖維混凝土的防水性及機(jī)理 
    2．1 聚丙烯纖維的物理性能 
    聚丙烯纖維的物理性能如下： 
    材 料 聚丙烯 耐酸堿性 極高 
    相對(duì)密度 0.91 安 全 性 無毒材料 
    熔 點(diǎn) 165℃ 拉伸極限 15％ 
    燃 點(diǎn) 593℃ 抗拉強(qiáng)度 275MPa 
    含 濕 量 ＜0.1% 彈性模量 3793Mpa 
    吸 水 性 無 導(dǎo) 熱 低 
    細(xì)度 0.048mm 
    2．2 聚丙烯纖維混凝土的防水機(jī)理 
    聚丙烯纖維混凝土的防水屬于混凝土的剛性本體防水，在防水混凝土的抗?jié)B和抗裂2個(gè)途徑中，聚丙烯纖維主要是通過抗裂達(dá)到防水目的。聚丙烯纖維抗裂防水的機(jī)理是建立在對(duì)混凝土的固結(jié)、收縮的微觀研究的基礎(chǔ)上。 
    從微觀的角度來看，任何密實(shí)的混凝土都存在微裂縫。這些微裂縫存在于相與相之間（石、砂、水泥膠體三相）和水泥微顆粒之間，只不過正常的微裂縫肉眼看不到而已。混凝土在硬化形成強(qiáng)度的過程中，初期由于水和水泥的應(yīng)形成結(jié)晶體，這種晶體化合物的體積比原材料的體積要小，因而引起混凝土體積的收縮；在后期又由于混凝土內(nèi)自由水分的蒸發(fā)而引起干縮。這些應(yīng)力某個(gè)時(shí)期超出了水泥機(jī)體的抗拉強(qiáng)度，于是在混凝土內(nèi)部引起微裂縫。這些微裂縫不可避免地存在于混凝土內(nèi)的骨料和水泥凝膠體的局部接觸面處以及凝膠體自身內(nèi)部。混凝土在凝結(jié)和硬化過程中，微裂縫經(jīng)歷了出現(xiàn)和發(fā)展的過程。這一過程，宏觀上認(rèn)為是混凝土在固結(jié)收縮，一般混凝土的收縮率在8×10－4左右?；炷恋奈⒘芽p在發(fā)展過程中，是從無到有，從小到大向最薄弱方向定向發(fā)展。微裂縫向細(xì)裂縫的發(fā)展大多數(shù)（約占70％）在3－7d凝膠期內(nèi)完成，此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度小于1Mpa，如果沒有采取有效的抗裂措施，混凝土固有的微裂縫在內(nèi)外應(yīng)力的作用下將會(huì)發(fā)展為更大的裂縫以至最終形成貫通的毛細(xì)孔道及裂縫，從而導(dǎo)致防水失敗，也造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度遠(yuǎn)未能充分發(fā)揮，嚴(yán)重的甚至威脅到工程的安全及使用。 
    在混凝土內(nèi)摻入聚丙烯纖維，聚丙烯纖維與水泥集料有極強(qiáng)的結(jié)合力，可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布均勻；同時(shí)由于細(xì)微，故比面積大，每公斤聚丙烯纖維連起來的總長(zhǎng)度可繞地球10多圈，若分布在1m3的混凝土中，則可使每1m3的混凝土中有近20條纖維絲，故能在混凝土內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系。當(dāng)微裂縫在細(xì)裂縫發(fā)展的過程中，必然碰到多條不同向的微纖維，由于遭到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進(jìn)一步發(fā)展。因此，聚丙烯纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂的產(chǎn)生和發(fā)展，極大地減少了混凝土收縮裂縫，尤其是有效地抑制了連通裂縫的產(chǎn)生。從宏觀上解釋，就是微纖維分散了混凝土的定向拉應(yīng)力，從而達(dá)到抗裂的效果。試驗(yàn)表明，與普通混凝土相比，聚丙烯纖維體積摻量為0.05％（約0.5 kg/m3）的混凝土抗裂能力提高了近70％。 
    另外，均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析，從而使混凝土中直徑為50－100nm和大于100nm的孔隙含量大大降低，由此可以極大提高混凝土的抗?jié)B能力。試驗(yàn)表明，0.05％體積摻量的聚丙烯纖維比普通混凝土的抗?jié)B能力提高了60％－70％。 
    3、聚丙烯纖維混凝土在防水工程中的應(yīng)用 
    由以上分析可知，聚丙烯纖維可以大大增強(qiáng)混凝土的抗裂、抗?jié)B能力，作為混凝土剛體自防水材料的效果顯著，可以有效地解決混凝土滲裂問題的困擾。聚丙烯纖維加高效減水劑的防水方案，目前已為國(guó)內(nèi)外眾多防水專家所肯定，是防水效果較為可靠、施工最為便易、機(jī)理較完整的防水方案，可廣泛應(yīng)用于地下室工程、層面、貯水池、腐化池等工程中。以下介紹聚丙烯纖維混凝土應(yīng)用于防水工程的實(shí)例。