杜拉纤维在混凝土工程中及应用问题.doc

杜拉纤维在混凝土工程中的应用问题近年来国内在不少混凝土工程中使用一种名为“杜拉”的合成纤维，对提高混凝土的浇灌质量，尤其是对混凝土的防裂抗渗、抗冻融很有成效。笔者经常接到有些设计、施工单位的传真与信件，咨询有关杜拉纤维的技术问题，现就大家普遍关心的问题，现就大家普遍关心的问题加以解答，以供参考。1、问：什么是“杜拉纤维”？其材质与特性如何？答：杜拉纤维的英文原名：Durafiber,DURA是Durability的缩写，其意为“耐久”，故可将杜拉纤维理解为耐久的合成纤维。此种纤维是美国所产混凝土专用纤维的一个品牌，在北美、澳洲以及亚洲均得到较广泛的应用。有人以为杜拉纤维是纤维的一种类型，是因为杜拉纤维进入我国工程比较早，而且工程较多，影响较广，误传而已。杜拉纤维是由加有抗老化剂的聚丙烯经热熔、拉丝、表面涂覆与短切等工序制成的。其主要特点是：密度小（0.91）、抗拉强度高（270Mpa）、弹性模量低（3.8GPa）；抗老化性好；耐化学侵蚀（抗碱与抗酸性均好）；在水中可分散成为单丝，不结团；与水泥浆粘结性好；保水率低（0.1%）。杜拉纤维的外观为切成一定长度的白色纤维束，每一束中有几百根单丝纤维，每根单丝纤维具有很规则的圆形截面，直径为48m目前国内可提供的杜拉纤维产品有三种长度规格，长度为4.8与9.5的纤维主要用于素浆或砂浆；长度为19的主要用于砂浆或混凝土。2、问：杜拉纤维掺入混凝土中起什么作用？其作用原理如何？答：杜拉纤维掺入混凝土中可以起到以下四方面的作用；(1)保证混凝土的均质性。通常混凝土在浇灌后会发生离析现象，即比重较大的骨料下沉与水泥砂浆有所分离，同时混凝土表面出现析水，因而降低了混凝土的均匀性，使混凝土上、下部位的性能存在一定的差异，严重时还会使混凝土出现裂缝（即所谓“沉降裂缝”）。当在混凝土中掺加适量杜拉纤维后，均匀分布于混凝土中的纤维可以起到承托作用，阻止上述离析现象的发生，从而保证混凝土的均匀性。(2)减少混凝土的收缩裂缝，提高混凝土的抗渗性与耐久性。混凝土在浇灌的24h内，若其表面暴露于大气中，因为气候干燥或刮风等原因会使混凝土表面失水较多，从而发生塑性收缩并出现裂缝；混凝土在硬化后，如果周围环境湿度较低，则会因为失水而引起干燥收缩并出现干缩裂缝。在上述两种情况下混凝土之所以会出现裂缝，主要是由于混凝土内部因为收缩而出现局部的拉应变，当拉应变超过其极限应变值时，裂缝就会不可避免地产生。众所周知，混凝土的极限拉伸率相当低，一般仅为0.01%-0.20%，而杜拉纤维的极限拉伸率则可高达15%-18%。这样，当有大量的单丝纤维均匀地分布于混凝土当中时，即可承受因混凝土收缩而产生的拉应变，延缓或阻止混凝土出现裂缝。由于杜拉纤维在混凝土内分布均匀，产生显著的阻裂效应，所以能提高混凝土的抗渗性、耐蚀性与抗冻性。(3)降低混凝土的脆性。由于杜拉纤维的弹性模量低于混凝土，也即其极限拉伸率高于混凝土，故在动荷载与冲击荷载作用下可吸收能量，从而提高了混凝土的变形能力，并相应地降低了混凝土的脆性。这从掺有杜拉纤维的混凝土在受弯时韧性的提高可以得到佐证。混凝土的脆性是其与生俱来的弱点，降低混凝土脆性具有十分重要的工程价值。由于掺入杜拉纤维降低了混凝土的脆性，混凝结构的耐久性也相应得到提高。(4)提高混凝土的耐火性。高强混凝土具有相当的密实度，在火焰中因混凝土内部的自由水与分解的化学水所形成的水汽难于逸出，而常导致混凝土构件的爆裂。当混凝土内含有大量均匀分布的杜拉纤维单丝时，在火焰中因纤维的熔化（其熔点165）而形成的水汽可由混凝土内部逸出的通道，防止构件在火灾中发生爆裂。3、问：杜拉纤维在混凝土中的适宜掺量是多少？答：杜拉纤维能够在混凝土中发挥其作用，很大程度上取决于纤维单丝在混凝土中的数量及其均匀分布。由于杜拉纤维的表面覆有专门的膜层，可使数以千万计的单丝纤维在混凝土中非常均匀地分布。为此，在一般情况下，杜拉纤维在混凝土中的掺量不必太高，1m3中掺加0.6-1.2即可。设取杜拉纤维的掺量为1m3混凝土加入0.9，则1m3混凝土中单丝纤维（长度规格为19）的数量即可达到将近3000万根。如果使用长度规格为10和5的杜拉纤维，纤维根数更可高达6000万根甚至12000万根/ m3。4、问：是否要用专门的搅拌机来拌制杜拉纤维混凝土？能否在商品混凝土中掺加杜拉纤维？答：不必使用特殊的设备。以建筑工地上常用的强制式混凝土搅拌机即可制备杜拉纤维混凝土。为了确保纤维在混凝土中搅拌均匀，可以适当延长时间。一种做法是先按常规拌制成混凝土，然后在不停机的情况下，将已称量好的杜拉纤维加入混凝土中，继续搅拌4-5min即可，使杜拉纤维成为一根根的单丝均匀分布于混凝土拌合料中。在实际工程中更多采用的方法，是直接将杜拉纤维与砂石物料一起投入搅拌机中搅拌，效果更好。在混凝土搅拌站内可制备掺有杜拉纤维的商品混凝土。可以从搅拌设备加料平台上的加料口处以人工方式直接投入称量好的杜拉纤维。虽然杜拉纤维的密度只有0.91，但实际操作中表明，在投料时不会产生飞扬现象。杜拉纤维加入于混凝土的坍落度略有下降，不过并不影响混凝土的工作性，也不影响混凝土坍落度的经时变化（混凝土坍落度的经时变化主要取决于所用的减水剂）。5、问：在混凝土中掺加膨胀剂与掺加杜拉纤维均可达到防裂抗渗之目的，二者之作用效果有何不同？答：在混凝土中掺加膨胀剂与掺加杜拉纤维可达到防裂抗渗之目的。但是二者因作用机制不同，所以在使用效果上也有一定的差异。在混凝土中掺入中适量膨胀剂，主要通过化学反应生成钙矾石（C3A3CaSO432H2O）晶体或氢氧化钙（Ca(OH)2）晶体，使混凝土发生膨胀以补偿其收缩，从而减少或阻止混凝土裂缝之产生。但是掺有膨胀剂的混凝土只有在潮湿环境中才能获得较好的防裂抗渗效果，若处于干燥环境中则可能不见效甚至适得其反，此外，如果混凝土中掺有硫铝酸盐类膨胀剂，若温度（包括水化热和其他原因）超过70时，更会因为有可能生成二次钙矾石（滞后钙矾石）而导致混凝土的开裂，在混凝土中掺加少量杜拉纤维，籍助于物理与力学作用以减少或阻止混凝土裂缝的产生，不论在潮湿或干燥环境中均能获得很好的防裂抗渗效果，即使当温度超过70时也不会产生负面影响。此外，掺加杜拉纤维还有助于降低混凝土的脆性，提高高强度混凝土的耐火性，而膨胀剂在混凝土中通常不会有这样的效果。6、问：在混凝土中掺加杜拉纤维的同时，能否适当减少混凝土的单方水泥用量？答：在混凝土中掺加体积率为0.05%-0.20%（相当于1m3混凝土中的掺量为0.46-1.8）的杜拉纤维无助于提高混凝土的抗压、抗拉与抗弯强度。这主要是由于杜拉纤维的弹性模量较低，且体积率太小之故，为此，决不能减少混凝土的单方水泥用量，否则将降低混凝土的强度。7、问：在钢筋混凝土结构或构件中掺加杜拉纤维，是否有可能适当降低钢筋的配筋率？答：杜拉纤维在钢筋混凝土结构或构件中只起次要筋材的作用，即主要用以减少结构或构件之裂缝，并降低它们的脆性，决不能因为掺加杜拉纤维而降低结构钢筋的配筋率，否则将会给工程带来严重的后果。至于温度筋则另当别论。8、问：在有些混凝土工程（如路面工程）中能否用杜位纤维代替非承力的焊接钢筋网片？二者的使用效果有何不同？答：有些混凝土工程（以路面工程居多），为减少或防止非构件性裂缝的产生，往往在混凝土中加有焊接钢筋网片（简称“钢网”）。但是在实际工程操作中很难保证钢筋网片的正确定位，通常只能放置在混凝土结构的底部，所以无助于减少与防止非结构裂缝的产生，只是在混凝土发生龟裂后起到一定的拉紧作用。实践表明，在施工工程中配置钢网费时、费工、也不够安全。近年来根据国外的经验，大量原先使用钢网的混凝土工程均已由杜位纤维取而代之，其施工的方便性和最终表现的阻裂效果均显著优于钢网。从理论上解释，这主要是因为大量的单丝纤维均匀分布于混凝土的各个部位中，可以充分发挥其阻裂效应，而呈二维排列的钢网只能在局部发挥有限的作用。9、问：同样是纤维，杜位纤维与玻璃纤维在混凝土工程中的性能对比如何？答：因为水泥碱性强烈，很多纤维都无法抵抗。以玻璃纤维为例，硅酸盐水泥的水化产物对中碱与无碱玻璃纤维有强烈的侵蚀，主要是水泥石液相中的氢氧化钙Ca(OH)2会使玻璃纤维的硅氧键发生断裂，SiO2与Ca(OH)2结合，反应生成低钙的水化硅酸钙。这种反应可以进行到全部SiO2被消耗殆尽而终止，因而玻璃纤维的抗拉强度随之大幅度下降，直至失去增强作用。非但如此，在在玻璃纤维束内生成的Ca(OH)2结晶好会损伤纤维使其逐渐失去韧性而变脆。即使是成分中含有一定时ZrO2(氧化锆)的抗碱玻璃纤维在硅酸盐水泥基材中仍会受到水泥水化物的侵蚀，只是其侵蚀速率有所减缓，如果使用低碱水泥，则不仅成本高，而且对结构中的钢筋也有不利影响。与玻璃纤维相比，杜拉纤维在PH值等于2和PH值等于14的溶液中均无变化，足见其化学性能的稳定，这种稳定性决定了杜拉纤维的优势地位。在施工搅拌过程中玻璃纤维容易结团，操作不当还会造成一定的人身危害，杜拉纤维则没有这样的问题。此外，玻璃纤维直径较大，兼之其容重大约相当于杜拉纤维的2.5倍，在同等重量的条件下杜拉纤维的根数远远超过玻璃纤维，因而可以更好的发挥阻裂、防渗、抗冻融的作用。10、问：在混凝土工程中能否将杜拉纤维与其它添加剂或者复合材料共同使用？答：高性能新材料的出现和复合化的发展趋势是技术进步的标志。复合化是各种材料发展的主要途径，混凝土当然也不例外。近代的各种增强混凝土，掺加混合材料和各种外加剂，都是用多种材料复合来改善性能，以达到增强、耐久、经济的目的。复合化带来的超叠效应，更是高性能混凝土获得高性能的主要原因。杜拉纤维具有很强的抗老化能力，其化学稳定性使其能够在混凝土中长期保持良好的工作性能，并且不会与任何其它材料发生功能性冲突。可以肯定地说，将杜拉纤维与其它材料共同使用不会发生矛盾，其理由在于：杜拉纤维在混凝土当中的作用是以物理方式而不是以化学方式表现的。11、问：杜拉纤维喷射混凝土有何特点？如何配比？答：在喷射混凝土中掺入杜拉纤维，除具备喷射混凝土抗压、抗拉、抗剪、抗弯、粘结强度高的优点外，还具有以下特点：较好的抗裂、阻裂性能；较好的抗冲击性能；较好的耐磨、耐腐蚀性能；较好的抗渗、耐腐蚀性能；较好的抗疲劳和抗碎裂性能；在施工过程中，由于杜拉纤维能够提高混凝土材料的粘聚性，因此可以大大降低回弹率。由于以上优良性能，所以能够广泛应用于工业及民用建筑的楼地面、公路路面、预制构件、水利工程、边坡防护、蓄水池、机场跑道和停机坪、人防工程、隧道以及各种构筑物的加固补强和保护。材料选用：水泥：不低于425#硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥砂：应选用中砂，细度模数大于2.5石子：卵石或碎石均可，以卵石为好，最大粒径不宜大于20mm，且不得含有活性二氧化硅材料杜拉纤维：3/4”（19mm）材料配合比可以采用：水泥：砂：石子=1：2：2速凝剂掺量：（占水泥比重）3%杜拉纤维掺量：0.6-0.9kg/m312、问：杜拉纤维适合用于哪些类型的混凝土工程？从经济角度考虑，在混凝土工程中推广使用杜拉纤维是否划算？答：杜拉纤维是一种具有高科技含量的建筑材料，其推广应用从本质上说就是新技术的扩散问题。表面上看，在工程中采用杜拉纤维必定引起成本的增加，但是如果由于它的应用所带来的仅仅是“成本的增加”，那就无法解释这些新材料何以在发达国家得到广泛应用的事实。实际上，应用杜拉纤维不仅可以提高工程质量，延长工程部位的使用寿命，降低远期的维护成本，也能在施工过程中减少浪费、避免由于返工修补裂缝而带来的人工以及材料的损失。例如，在喷射混凝土施工中，采用杜拉纤维可以明显减少由于回弹造成的损失。原则上说，杜拉纤维适用于所有类型的混凝土工程。由于它可以极为有效地控制混凝土（砂浆）塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的微裂纹，提高混凝土的抗渗性能、抗冲击以及抗振抖能力，因此被大量使用于地下工程防水、工业民用建筑的结构、基础、屋面、墙体、地坪、水池、道路和桥梁工程中。也许可以这样说：凡是有混凝土应用的地方都可以使用杜拉纤维。值得提起注意的是，各类高层建筑大跨度、大体积的建筑结构对混凝土技术提出了更高的要求。高强混凝土的作用大大提高了混凝土及钢筋混凝土构件的承载力，并能减少截面的尺寸，其应用已经越来越普遍。但高强混凝土受压时的高度脆性及大体积高强混凝土的大面积开裂，影响了高强混凝土更广泛的使用。杜拉纤维能够有效的改善高强混凝土的性能，提高混凝土的抗裂性及延性，便于高强混凝土更方便、更广泛地应用到工程中去。广州新中国大厦、重庆世界贸易中心、积嘉大厦、北京蓝海洋水上世界等工程的成功均说明了这一点。13、问：杜拉纤维在国内都做过那些工程？答：杜拉纤维现在已经在全国20多个省、市、自治区的几百个工程的诸多部位中成功得到了应用，并且取得了较好的工程效果。在各类建筑工程的地下室、底板、侧墙、转换梁、天面、楼板、钢管混凝土柱、超大型柱、超大型梁、防辐射墙、深基坑支护、内外墙抹灰、化污池、储水池、游泳池、垃圾处理场、地坪、停车场、仓库、厂房、设备基座、管道、隧道、水渠、堤防、桥梁及立交桥的的铺装层、高速公路收费站、码头、甚至核废料处理等需要抗裂、抗渗、抗冲击、耐磨、抗冻、抗振动的混凝土中都有应用。不少工程由于采用了杜拉纤维，解决了工程中的难题，评为优质工程的比比皆是，受到了广大客户的欢迎。总结工程经验的文章也有不少。不少大发展商、大设计院、大施工单位已经将杜拉纤维列为必用的混凝土外加材料。14、问：杜拉纤维混凝土/砂浆的设计和施工有没有规范？答：杜拉纤维混凝土是一种合成纤维混凝土，合成纤维在混凝土中的应用对我国工程界来说仍然是一个较新的领域，国家对合成纤维混凝土的规范性文件正在组织编写制定中，一般来说，新的产品往往是先实践、先试用、取得数据再总结提高。由于杜拉纤维在工程中的成功应用，推动了我国合成纤维混凝土的应用推广和研究。深圳市建设局制定颁布的深圳建筑防水构造图集和广东省建设厅颁布的的轻板墙体工程技术规程就已经将纤维砂浆的有关内容写入规范性文件中对杜拉纤维以至合成纤维的应用推广作了肯定。 纤维增强混凝土在中国起步较晚，20世纪70年代从国外引进这种技术，1986年举办了全国第一届纤维混凝土学术会议；1991年成立中国土木工程学会混凝土与预应力混凝土学会纤维混凝土委员会，全国性的纤维混凝土学术会议每二年召开一次。合成纤维，尤其是聚丙烯纤维在工程中得到大面积的推广应用还是近几年的事。工程中各种亟待解决的新问题，有些是需要靠实践者先行探索的。杜拉纤维的成功大面积推广应用，无疑对合成纤维混凝土的推广起到了先行者的作用。我们看到，目前国产和进口的品牌越来越多，其中当然也有鱼龙混杂，但合成纤维混凝土的推广应用势在必行。目前，杜拉纤维混凝土的应用多数采用我们的建议掺量，在试配过程中取得可靠数据后再大规模生产混凝土进行施工。另外，许多单位总结了经验，取得了各种数据，可以供大家参考。实践表明，在混凝土中加入樯拉纤维有利无弊。