聚丙烯腈纤维砂浆性能研究

２Ｏ０６年第２期　湖北水力发电　总第６４期　２００６　Ｎｕｍｂｅｒ２　ＨＵＢⅡＷ＾ＴＥＲ　ＰＯＷＥＲ　Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ．６４　聚丙烯腈纤维砂浆性能研究　龙娈珍　方坤河　（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉４３００７２）　摘要本文中研究表明，在砂浆中掺和聚丙烯腈纤维能提高砂浆早期的抗压强度和抗折强度，并能有效地抑制砂浆的　干缩，尤其是早期干缩，且强度随着纤维掺量的增大而提高；干缩率随着掺量的增大而降低。　关键词　聚丙烯腈纤维纤维砂浆强度干缩　１前言　腐性及高耐紫外线性，因而它们常用于家用纺织品及　水泥与水泥基材料是当今最大宗的人造材料。要　室外纺织品。普通腈纶纤维主要用于纺织工业，抗拉　实现其可持续发展，必须向高性能、减少用量、延长寿　强度仅为２ＯＯ～３５０　ＭＰａ。２０世纪８０年代初德国豪霍　命、增加功能和降低环境代价的方向发展。高性能混　斯脱公司开发了高强力的改性腈纶纤维，与普通腈纶　凝土（Ⅲ℃）是当前水泥基材料的主要发展方向，被称　纤维相比有较高的抗拉强度（可达８００　ＭＰａ以上），主要　为“２ｌ世纪混凝土”。我国著名混凝土专家、中国工程　做水泥基材的增强材料。路威２ＯＯ２型腈纶纤维，是深　院资深院士吴中伟教授生前多次指出：复合化是水泥　圳海川工程科技有限公司与欧洲著名纤维生产商共同　基材料高性能化的主要途径，纤维增强是其核心…。　开发的一种专用于水泥混凝土材料的增强纤维，有良　普通水泥基材料具有很高的抗压强度、较大的刚　好的耐碱性和耐酸性，有一定的亲水性，受潮后强度下　度与较好的耐久性，但存在凝结与硬化过程中收缩大、　降较少，抗紫外线性极好。在国内已有多个工程应用　抗拉强度低、极限延伸率小及抗冲击性差等缺点。随　的实例，如：京珠高速蔡甸桥桥面、南水北调项目三阳　着水泥基材料抗压强度的大幅度提高，干缩与脆性问　河潼河宝应站工程等。　题也显得更为突出　】。目前国际上基本一致地认识到　３试验原材料及配合比　纤维是提高水泥基材料抗裂性和韧性的有效方法。聚　丙烯腈、聚丙烯等合成纤维，在解决水泥基材料早期开　３．１原材料　裂、减少水泥基材料干燥收缩变形方面，有十分独特的　水泥：湖北华新水泥厂堡垒牌５２．５　ＭＰａ普通硅酸　作用［３ｌ。　盐水泥，密度为３．１３　ｇ／ｃｍ３。　２聚丙烯腈纤维　砂：河砂，细度模数２．６４，为中砂，干密度　２．６９　ｇ／ｃｍ３。　聚丙烯腈（ＰＡＮ）纤维是由以丙烯腈（ＡＮ）为主要链　拌和水：自来水。　结构单元的聚合物纺制而成的纤维，其商品名为腈纶　纤维：深圳海川工程科技有限公司提供的路威　纤维，并被誉为“合成羊毛”。由于纤维具有极好的防　２００２腈纶纤维，主要技术参数见表１。　使ＣＣ１８００桁架臂履带式起重机的配重降低，使、　式起重机应作进一步研究。　ＣＣ１８００桁架臂履带式起重机可以带９０　ｔ配重在１２０　利用现有的设备，在不增加其它技术手段的情况　栈桥上行走，有效地降低了施工难度。　下，在栈桥上布置大型施工起重机械施工在国内并不　钢箱梁拆除已于２００３年完成，拆除过程基本正　多见，上述工程措施极大地节省了费用，降低了施工难　常，但据现场工作人员反应，桥面振动较明显，初步分　度，可为类似工程提供有益的借鉴。　析可能是由于ＣＣ１８００桁架臂履带式起重机荷载较大，　第一作者简介　且带９０　ｔ配重在１２０栈桥上行走，桥体结构较单薄所　李国勇，男，工程师　致，因此如果在永久建筑物上使用ＣＣ１８００桁架臂履带　（收稿日期：２００５—１０—０１）　３３　维普资讯 http://www.cqvip.com

湖北水力发　电　２ＯＯ６年第２期　表１　聚丙烯腈纤维主要技术参数　密度／ｇ・ｃｍ一　拉伸极限／％抗拉强度／ＭＰａ弹　￣Ｓｔ／ＧＰａ　和物中用于保证拌和物工作性能的水有相当一部分需　要包裹在短纤维表面，从而导致流动度的减少［　；另一　方面，纤维对骨料起到承托作用，从而减少了拌和物的　泌水。纤维的增稠效应导致砂浆的流动性降低，工程　应用中可掺适量的减水剂进行调节。　表４流动度及强度试验结果　３．２配合比　３．２．１胶砂流动度及强度试验　试验目的是考察纤维及其纤维掺量变化对砂浆流　动度与强度的影响，配合比见表２。　表２流动度及强度试验配合比　３．２．２砂浆干缩试验　试验目的是研究纤维砂浆的收缩性能。考察纤　维、掺量及龄期对砂浆的干缩率的影响。试验配合比　见表３。　表３干缩试验配合比　Ｏ　Ｅ　Ｈ　８　６　４　２　Ｏ　ｎ　８　６　Ｊ　一罾　　Ｐ０ｌ　ＰＡＮｌ　ＰＡＮ２　ＰＡＮ３　试件编号　图１纤维砂浆跳桌流动度　４．２抗折强度　砂浆跳桌流动度试验按照水泥胶砂跳桌流动度　（ＧＢ２４１９—８１）的方法进行。砂浆强度试验依据ＧＢ／　根据表４纤维砂浆抗折强度试验结果可得图２。　从图２可看出，试件的抗折强度与龄期、纤维种类及纤　Ｔ１７６７　１—１９９９（水泥胶砂强度检验方法（ＩＳＯ法）》进行。　砂浆干缩试验参考水泥胶砂干缩试验方法（ＪＣ／Ｔ６０３—　１９９５）。纤维砂浆试件的成型同时参考《合成纤维混凝　土技术规程》。　维掺量有关。试件的抗折强度随龄期的延长而增长。　聚丙烯腈纤维可提高基体早期的抗折强度，掺量增大，　增强作用愈明显。后期抗折强度比纯砂浆的低，且降　低作用随掺量增大趋明显。　４试验结果及讨论　纤维砂浆流动度、抗折强度和抗压强度试验结果　见表４。　４．１跳桌流动度　根据表４的纤维砂浆流动度试验结果可得图１。　由图１可以看出，纤维的掺人导致砂浆流动度降低。　但是试验中还观察到，纤维的增稠效应使砂浆的泌水　性得到改善。纤维的掺人使拌和物的流动性降低，却　提高了拌和物的粘聚性和保水性，这可能是由于：一方　面，纤维的直径与水泥颗粒直径为同一量级，在砂浆拌　３４　Ｐ０ｌ　ＰＡＮｌ　ＰＡＮ２　ＰＡＮ３　试件编号　图２试件抗折强度　维普资讯 http://www.cqvip.com

龙娈珍等：聚丙烯腈纤维砂浆性能研究　Ｂｄ　＼　曩　踟　∞如∞如加　０　２ＯＯ６年６月　４．３抗压强度　根据表４纤维砂浆抗压强度试验结果可得图３。　关于合成纤维提高水泥基材料的抗压强度，有人　提出了“微薄壳效应”的假说　Ｊ，见图５　６。笔者认　为，可以应用“微薄壳效应”来解释聚丙烯腈纤维对水　依据图３，试件抗压强度均随着龄期的延长而增长。　聚丙烯腈纤维可提高砂浆试件３　ｄ和７　ｄ的抗压强度，　泥基材抗压强度的提高作用。路威２００２型聚丙烯腈　纤维表面经特殊处理，使纤维周围强度增加，其所含的　极性腈基（一ＣＮ）具有亲水性，改善了周边水化条件，　且掺量增大，增强作用明显。２８　ｄ和９０　ｄ的抗压强度　略低于纯砂浆试件。　相当于在纤维周围构成相对封闭的高强度薄壳，在受　荷载作用时，薄壳可产生抵御应力，进而增加水泥基材　ＰＯｌ　ＰＡＮｌ　ＰＡＮ２　ＰＡＮ３　试件编号　图３试件抗压强度　关于纤维对水泥基材料的增强作用机理主要有两　种理论：复合材料理论和纤维间距理论。根据复合材　料理论，当纤维掺量达一定值时，纤维与水泥基材料的　弹性模量比值愈高，纤维增强水泥基材料的受拉初裂　强度也愈大。复合材料理论模型适合于该复合材料出　现初裂前的弹性阶段；纤维间距理论对合成纤维增强　水泥基材料塑性抗裂机理的解释比较合适。在混凝土　未硬化前，纤维起到了阻裂作用。单位体积水泥基材　料中有数千万根甚至数亿根纤维，众多乱向分布的纤　维，在水泥基材中形成三维支撑体系，阻止骨料的下　沉，提高水泥基材的均质性等内在品质，减少原始微缺　陷，抑制微裂缝的萌生和扩展。纤维的阻裂效果主要　体现在纤维的根数上，纤维的间距愈小，早期阻裂效果　愈明显　Ｊ。由于每　聚丙烯腈纤维的根数可达２．２　亿根，早期阻裂效果极为明显。聚丙烯腈纤维对水泥　基材的增强作用的另一影响因素，可能是纤维的截面　形状。聚丙烯腈纤维截面为花生果形，且表面经过特　殊处理，与水泥基材具有良好的握裹力。观察试件的　断面发现聚丙烯腈纤维多数为拉断破坏，极少数为拔　出破坏。　聚丙烯腈纤维可提高水泥基材的早期抗压强度，　这可能是因为早期基体弹模　较低，纤维弹模Ｅｆ＞　，依据纤维间距理论，在水泥基材料受力过程中，跨　过缺陷裂缝的纤维将荷载传递给裂缝的上下表面，使　裂缝处的材料仍能继续承载，缓和了裂缝尖端应力集　中程度，阻止了裂缝的引发和扩展，使得水泥基材料抗　压强度增加，如图４所示。　的抗压强度。　图４纤维间距理论示意图　图５纤维周围形成高强度微薄壳　＼　Ｉ　／　／　ｆ　＼　图６薄壳抵御破坏应力　４．４干缩试验　纤维砂浆干缩试验结果见表５。　表５纤维砂浆干缩试验结果０．０００　１％　试件编号　１　ｄ　３　ｄ　７　ｄ　１４　ｄ　２１　ｄ　２８　ｄ　６０　ｄ　Ｈ】２　５９９　６４５　７０８　８８７　ＰＡＮ４　５７９　６１５　７０４　８９１　队Ｎ５　５５６　５９８　６６６　８６２　Ｐ＾　『６　５３５　５７５　６３７　８７３　Ｐ　５２８　５８３　６６８　９２ｌ　根据表５干缩试验结果可得图７。　３５　维普资讯 http://www.cqvip.com

湖北水力发电　∞如Ｏ　Ｏ　Ｏ　∞　Ｏ　∞如　Ｏ　Ｏ　Ｏ　如加　Ｏ　Ｏ　２００６年第２期　一　０　０　９　２　辟　好　Ｈ－　图８纤维表面经特殊处理　ｌＯＯ　Ｏ　ｌ　３　７　ｌ４　２ｌ　２８　６０　龄期，ｄ　图７不同龄期砂浆千缩率　由图７可以看出，纤维能够有效抑制砂浆的收缩，　尤其是对砂浆早期收缩有明显的改善效果。随着纤维　图９纤维在混凝土中分散均匀　掺量的增加，砂浆早期干缩率下降。纤维掺量对后期　干缩影响较小。这是由于纤维的加入改善了砂浆的保　水性能，减少试件表面的水分蒸发，直径细小、长度适　中的纤维，经过搅拌后分散均匀，在砂浆试体中成三维　乱向分布，纤维呈弯曲状态，增大了纤维与砂浆之间的　粘接强度，抑制了砂浆中的颗粒下沉，从而减少了砂浆　表面析水和离析，有效地降低了早期的干缩率＿６Ｊ。但　由于纤维不与水反应，吸附于其表面的水分，最终也将　图ｌ０纤维的花生果形截面　逸失，因此纤维砂浆的后期干缩率与基体砂浆的干缩　流动度的降低，但改善了砂浆的保水性。　率没有明显差别。　（２）聚丙烯腈纤维能有效提高砂浆早期的抗折强　度，且抗折强度在一定范围内随掺量的增加而提高，后　５纤维的分散性　期比纯砂浆的抗折强度略有降低，但影响较小。聚丙　合成纤维在水泥浆中易分散性问题，是其应用于　烯腈纤维可提高砂浆早期抗压强度，且抗压强度在一　水泥混凝土的一个重要问题。合成纤维混凝土的所有　定范围内随掺量的增大而提高，后期略低于纯砂浆抗　力学性能都与纤维在混凝土中的分散性密切相关。如　压强度，但相差不大。　果纤维不能均匀分散在混凝土中，则在混凝土中成“团　（３）聚丙烯腈纤维能有效抑制砂浆的干缩，尤其对　状”分布，不但不能改善混凝土性能，而且还会显著破　早期干缩有明显的改善，且改善效果随着纤维掺量的　坏混凝土的均匀性，使混凝土的强度下降许多，抗裂性　增大而更加明显，故可有效改善砂浆及混凝土的抗裂　也会显著降低。因此，纤维的易分散性是区分纤维性　性。　能优劣的重要方面。聚丙烯腈分子中所含的极性腈基　（４）在试验掺量范围内，综合考虑砂浆的强度及干　（一ＣＮ）具有亲水性，且表面经过特殊处理，使得纤维　缩性能，聚丙烯腈纤维掺量以０．９　ｋｇ／ｍ３较合适。　在混凝土中分散性良好（见图８～１０）。纤维的分散性　参考文献　包含一定的技术性，要求按照一定的程序和方法方可　１吴中伟．纤维增强——水泥基材料的未来．纤维水泥制品行　使纤维均匀分散在混凝土中。如果混合料是由微粒组　业论文选集（１９６５～１９９９）．北京：中国建材工业出版社，　成，纤维更容易分散在混合料中，如果混合料是由粗、　２Ｏ００．　细颗粒组成，最好先与细粒骨料掺和，然后再加入粗骨　２沈荣熹，崔琪，李清海．新型纤维增强水泥基复合材料．北　京：中国建材工业出版社，２００４．　料，在湿混合料中分散纤维比在干混合料中更容易。　３邓宗才．高性能合成纤维混凝土．北京：科学出版社，２００３．　６结论　４段志华，付高鹏，张守元．聚丙烯纤维混凝土或砂浆的施工　及力学性能．洛阳工学院学报，２００２，２３（２）．　（１）由于纤维表面吸附水分，因此纤维的掺入导致　５　白国庆，董建伟．改性聚丙烯纤维影响混凝土抗压强度的机　维普资讯 http://www.cqvip.com

２ＯＯ６年第２期　湖北水力发电　总第６４期　Ｎｕｍｂｅｒ　２　ＨＵＢⅡＷＡⅡ　Ｐ０ＷＥＲ　Ｔｏｔａｌ　Ｎｏ。６４　磁选分离技术在三峡工程人工砂生产中的应用　梁福林　（湖北清江水电开发有限责任公司，湖北宜昌４４３０００）　摘要介绍了人工砂生产弃料的应用，用磁选技术去除人工砂中的游离云母。　关键词花岗岩人工砂云母　１问题的提出　人工碎石２　８８８万ｍ３，人工砂９８７万ｍ３。　人工砂的供应问题是三峡工程砂石骨料供应的核　１．１人工砂在水工建筑的应用　心问题。一是人工砂的品质必须满足工程的质量要　砂石骨料占混凝土总重的９０％左右，骨料的物理　求，二是供应量必须满足工程的进度要求，三是生产成　性能及其组合成分都直接或间接地影响着混凝土的质　本要有所控制。为此长江委施工研究所从１９８７—１９９０　量。人们对骨料的研究已取得了丰硕的成果，被收入　年进行了为期４年的人工砂选场试验研究工作。该研　有关的手册、资料中［１］、［　］、［　，促使了砂石骨料的应用　究对下岸溪花岗岩、朱家沟石灰岩、白崖山石灰岩及基　规范化、标准化。　坑开挖料进行了全面试验分析。分析认为，上述岩石　随着我国水利水电工程向坡陡流急的上游发展，　所生产的粗骨料均能满足混凝土质量要求，因此优先　工程附近的天然砂石料场常常贮量不足或粒径不合　使用基坑开挖料比较经济。但是，基坑开挖属闪云斜　适，加之交通不便，天然骨料还不如就地生产人工骨料　长花岗岩，用其制成的人工砂中的游离云母含量在　经济，因此越来越多的工程采用了人工骨料，人工骨料　８％左右，超过水工混凝土用砂标准中游离云母小于　尤其是人工砂的研究也越来越受到人们的重视。　２％的要求。混凝土性能试验的结果表明：当砂中游离　人工砂用于水工建筑在国外已有几十年历史，如　云母含量大于３％时，混凝土力学性能有所降低。但　１９４３年完工的美国田纳西州的达尔霍洛坝、巴西的伊　对三峡基坑开挖料，长江委的试验又认为，砂中这种游　泰普、苏联的英古里、法国的大屋南、委内瑞拉的古里　离云母对混凝土的影响仅是物理力学的而不是化学　等工程，都是采用人工砂。我国利用人工砂，始于　的。尽管如此，由于游离云母含量超标，又没有现成的　１９６６年的映秀湾工程，后来在乌江渡、大化、渔子溪、　分离去除云母的方法和经验，长江委曾放弃用基坑开　鲁布革等工程相继采用。　挖料来生产人工砂的方案，推荐在下岸溪建设人工砂　１．２人工砂在三峡工程的应用　系统的方案。　三峡枢纽工程混凝土总方量达２　９５６万ｍ３，一期　１．３三峡人工砂中的弃料　工程约３５０万ｍ３混凝土所需要的骨料主要来源于葛　三峡工程古树岭人工骨料系统担负着三峡工程的　洲坝下游的虎牙及古老背河段的天然砂石料。由于葛　粗骨料生产，总计生产粗骨料２　８８８万ｔ，最高月强度　洲坝的拦蓄作用，下游的主要采砂河段石料及粗砂的　达７５万ｔ，是世界最大的人工碎石系统。其料源为三　储量有减无增，覆盖在面层的粉细砂普遍厚４～６　ｍ，　峡永久船闸、临时船闸及大坝基础的开挖料。这些开　局部达１２　ｍ。鉴于天然砂石料供应的成本过高而且　挖料的块度大小不一，最大的达到１　ｍ３，并含有一部分　储量不够，长江水利委员会在经过慎重研究之后，提出　石粉、石屑、泥土等杂质。不同工程部位的开挖料的岩　了三峡二、三期工程混凝土采用人工骨料方案，共需要　石构成稍有不同，但都属于闪云斜长花岗岩。　理初探．吉林水利，２００５（６）．　第一作者简介　６杨继强．聚丙烯纤维对砂浆早期干缩性能影响的试验研究．　龙娈珍，女，硕士研究生　天津城市建没学院学报，２００４，１０（２）．　（收稿日期１２００６—０３—０１）　３７