1、聚丙烯纤维绿色高强高性能混凝土工程技术及效益分析摘要：聚丙烯纤维混凝土具有优异的变形性能，不但提高了混凝土的抗裂能力，为混凝土巨型框架柱尺寸创造了条件，更全面提升了混凝土的性能，使之达到绿色高性能化，降低了全寿命周期总费用，在抗裂需求高的工程中更具有实用性和优越性。 关键词：聚丙烯纤维；混凝土；绿色；高性能 中途分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号： 一个主塔楼复杂的超高层结构工程，主楼结构采用混凝土核心筒+巨型框架+伸臂的多重受力体系，在平面 4 边各布置两根巨型框架柱，结合约 15 层一道的巨型桁架，承托 7 个区间的次结构重量；并且设置有四道两层楼高的伸臂桁架加强层连接巨型外框架与
2、核心筒。 巨型框架柱的截面尺寸 5400mm*3800mm 为典型的大体积混凝土，抗裂的要求尤为突出。前期的试验已经得到，聚丙烯纤维混凝土的性能优异，尤其是变形性能为满足混凝土巨型框架柱尺寸创造了条件。 1C80 高性能大体积混凝土的模拟施工 为了更深入掌握 C80 高性能大体积混凝土的工作性能、温升情况及温度发展，在现场以 1:1 的比例制作一根高 4.5m 的模拟柱，截面尺寸为5400mm3800mm，内浇筑配合比编号为 C8023 的 C80 混凝土，并进行了模拟柱温度记录、强度检验以及超声波检测1。 根据现场记录，2011 年 10 月 24 日 20:00 时，第一辆 C80 混凝土
3、罐车到达现场，25 日凌晨 2:00，第十辆罐车浇筑完毕，至此，模拟柱内混凝土浇筑完毕。混凝土浇筑前，分别在搅拌站和现场对 C80 高性能混凝土的塌落度和温度等进行了检测，由表 1-2 检测数据显示，C80 混凝土各项指标符合要求。 表 1-1 华润 PII42.5R 水泥 C80 试配性能要求 混凝土浇筑采用汽车泵，泵管出料口深入筒腔内，出口应与浇筑面形成一个约 5080cm 的高差，便于混凝土下落产生压力，推动混凝土流动。泵车泵送混凝土应控制在 1 小时 30m左右，尽量保证混凝土在出机后 60min 内泵送完毕。模拟柱体高度为 4.5m，为保证钢管柱混凝土浇筑过程的均匀性，将通过依次换腔
4、分层浇筑的方式施工，如图 1-1 所示，先按箭头顺序依次浇筑 500mm，再返回腔 1 浇筑 500mm，循环浇筑，边浇筑边振捣。使用高频振捣棒，工人无需进入筒腔内，只需在柱顶使用矿灯等工具辅助照明，振捣时间根据现场混凝土的实际情况控制在 3至 5 分钟，以混凝土表面出现浮浆，不再冒出气泡和混凝土不再沉落为准。此外，还需在钢板侧壁上每隔 0.5 米处做好标记，以保证每次 0.5米的浇筑高度。振捣时注意不要接触钢筋、加劲板、栓钉和钢板2。 表 1-2 华润 PII42.5R 水泥 C80 试配性能 图 1-1 混凝土依次换腔分层浇筑顺序 根据施工总体部署和施工工艺要求，钢管柱内混凝土浇筑完后均可
5、利用高出柱内混凝土完成面的钢管柱进行蓄水及覆盖麻袋养护。模拟柱施工过程中，管内的混凝土蓄水 200mm，养护 2 天后即改为湿麻袋和防雨布养护至 28 天，实际施工中 5 天便可浇筑上一节混凝土，新浇筑的混凝土对下层的混凝土有保温作用3。鉴于实际温升的情况，1 天后采取在3 腔和 4 腔的外钢板上包裹 3 层麻袋的保温措施。 2 聚丙烯纤维混凝土的施工中的关键技术 2.1 聚丙烯纤维混凝土拌合关键技术措施 由于聚丙烯纤维混凝土自身的特点，现在的混凝土工程绝大多数采用商品混凝土，所以聚丙烯纤维混凝土在泵送时不可避免的具有与普通混凝土不同的要求： （1）在混凝土浇筑前要将规定掺量的聚丙烯纤维加入混
6、凝土罐车，高速搅拌至少 6 分钟以后才可以使用； （2）当拌制混凝土为大流态混凝土时，很难保证聚丙烯纤维在混凝土拌合物中分散均匀，此时要分两次加水，先加一部分水将纤维在拌合物流动度还不是很大时拌合均匀，待聚丙烯纤维分散较完全时把剩下的水加入。这样做的好处是纤维束被分散成了单丝以后，纤维整体也达到了较好的分散性，而且纤维分散成单丝后刚度比较小，不会影响水泥浆，细骨料、粗骨料等的分散，如果聚丙烯纤维不能很好的分散，就有可能阻碍混凝土中其他材料的分散，易在混凝土内部形成缺陷。 （3）对于聚丙烯纤维加入混凝土中造成坍落度小、难于施工的混凝土拌合物，应合理采用减水剂，切不能盲目加水，盲目加水不但不能使和
7、易性变好，而且会降低混凝土的强度增加混凝土的干燥收缩。 2.2 聚丙烯纤维混凝土的振捣与养护技术措施 （1）振捣 首先从振捣的难易程度来说，由于聚丙烯纤维加入普通混凝土后不吸水，不需要改变普通混凝土的配合比，结构中配置的钢筋数量也无需改变，所以不会给振捣带来额外的困难。其次从振捣工艺来说，因为加入纤维后稠度增加，为了确保密实，减小强度降低的可能应增加振捣的时间，并且施工时做好技术交底，采用插入式振捣时，振捣点间距不应大于 0.5m，且振捣要达到使混凝土表面呈浮浆且不再下沉为止。在钢筋较密集的部位，应加强振捣，只有这样在混凝土终凝后聚丙烯纤维的作用才能最大体现。 （2）养护 虽然聚丙烯纤维混凝土
8、能有效的抑制早期的开裂，但是不可放松警惕，仍然要按规范要求做好早期的养护。另外在抹面时，聚丙烯纤维混凝土的初凝与终凝时间较普通混凝土有所增加，在其初凝收浆后要及时抹平并在终凝前压光，对于不可避免的干缩裂缝要及时收光。此外，抹平时应注意避免把纤维从混凝土中带出，影响抹面的质量。 3 聚丙烯纤维混凝土工程应用经济效益分析 3.1 聚丙烯纤维混凝土在民用屋面板中应用 屋面楼板面积较大，是普通建筑物最容易出现裂缝的部位之一，如不采取措施容易在二次抹面前出现塑性裂缝，并且未参加聚丙烯纤维的楼板容易产生泌水，造成失水过快进一步加重裂缝的产生。屋面楼板一旦开裂，造成的后果很严重，由于平屋面直接暴露在阳光和空
9、气中，开裂后容易使裂缝进一步发展，下雨时会导致严重的渗漏事故，并且降低屋顶层钢筋的耐久性，对住户造成严重影响，必须耗费大量金钱进行维修。 对于这类问题，国内已有很多采用聚丙烯纤维混凝土成功解决的案例，比如南宁市建筑安装工程有限责任公司四分公司职工住宅楼，邑宁县机关工作人员住宅小区 3#标工程4。 图 1-2 典型屋面板配筋图 图 1-2 为一块屋面板的典型配筋图，楼板厚度 100mm，该图中为防裂而设置的构造钢筋和分布钢筋为 81kg/m2,即使不考虑分布钢筋仅考虑构造钢筋，每平方米也有 16.9kg，按照目前的工程经验使用聚丙烯纤维可降低此类钢筋 15%左右，即 2.53 kg/m2,那么不
10、考虑钢筋的情况下，采用普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的屋面板的每平方米成本对比见下表, 表 1-3 每平方米屋面成本 注：表中材料价格为 2011 年 12 月份北京地区平均价格，聚丙烯纤维掺量为 1.0kg/m3 从表 1-1 可以看出，聚丙烯纤维的应用并没有使建造成本增加多少，每平方米仅增加 1.7 元，比普通混凝土提高了 4.8%。这是在没有考虑钢筋的情况下，如果考虑钢筋的影响，按照每平方米节省 2.53 kg/m2，以目前市场价 4200 元每吨计算，每平方米节省钢筋的价格为 10.62 元，这时使用聚丙烯纤维混凝土的屋面板造价甚至比普通混凝土还低 8.92 元每平方米。 3.2 聚丙烯
11、纤维混凝土在道路工程中的经济效益分析 塑性开裂是路面桥面的早期主要缺陷之一，这是由道路施工的特点决定的，道面直接承受风、阳光、温差等环境因素的直接作用，很难保证不产生裂缝，当汽车通过时会加速裂缝的扩展，尤其是在交通压力越来越大，重载车辆多的路段，道路的铺装层出现开裂直至破碎的现象层出不穷，严重影响通行，这些混凝土的破损若发生在桥面还会使桥面渗水，加速桥梁的老化。为了解决这一问题，聚丙烯纤维混凝土在道路工程中已经有成功的应用。天津顺池立交桥的桥面就全部采用了掺量为 0.9 kg/m3 的聚丙烯纤维混凝土5，取得了较好的效果，得到业主的好评。更多的工程实践表明，在道路工程中使用聚丙烯纤维混凝土能提
12、高铺装层的抗裂性、抗冲击性和抗疲劳性。尽管聚丙烯纤维混凝土在道路工程中应用的优势已经得到普遍认可，但是由于认识的局限性，很多部门错误的认为其成本较普通混凝土高，使得聚丙烯纤维混凝土在路面用混凝土中的应用受限。本文将应用价值工程原理（VE）来说明在道路工程中使用聚丙烯纤维混凝土的经济价值。 价值工程是美国人 Miles6在担任通用电气采购科长期间提出的，“得不到想要的材料，就想办法获得它的功能” 。现在价值工程原理不仅用在开发新产品新工艺上，同样也可以用于建筑工程，特别是建筑工程的维修组织提高建筑工程的经济效果这一领域。价值工程要求以最低的寿命周期成本，实现产品的必要功能。在建筑工程领域，运用这
13、一理论的要求就是在满足建筑物使用要求的前提下，使建筑物在全寿命周期所耗费的费用最小。恩格斯说， “价值是生产费用对效用的关系。价值首先是用来解决某种物品是否就应该生产的问题，即这种物品的效用是否抵偿生产费用的问题，如果两种物品的生产费用相等，那么效用就是确定它们的比较价值的决定因素”7。由此， 从式中可以看出，价值由功能和成本决定，目前在道路工程中的从业者只注重一味降低成本 C，却忽略了功能 F 的提高，殊不知价值由这两者共同决定，造成了当前道路使用寿命短，使用效果差。下面通过价值工程原理以实例证明聚丙烯纤维混凝土的价值。某路段由于重载车辆多，破环严重，经多次维修得不到根本改善，当地公路局决定
14、重新铺筑该路。重修时在接近市区的一段采用聚丙烯纤维混凝土，掺量为每立方米1.0kg，该路段厚 240mm，按照当时聚丙烯纤维的市场价较普通混凝土成本上升了约 3.2 万元/千米。经过两年运营后，在远离市区的路段出现裂缝、错台等现象，维修费用达到 8 万元每千米，而在聚丙烯纤维混凝土路段虽然也出现了破损，但不严重仅需 5 万元每千米进行维修。在两年内，聚丙烯纤维混凝土路段的使用成本即与普通混凝土路段持平，并且聚丙烯纤维混凝土路段的使用效果更好。可以预见，在该道路余下的设计使用期内，聚丙烯纤维混凝土路段的维修费用将大大少于普通混凝土路段。 道路的全寿命周期的费用主要包括材料费用，施工费用和维护费用
15、，只考虑材料费用，不考虑设计使用年限内的费用综合是不科学的，在道路工程中虽然聚丙烯纤维混凝土的成本较高，但其使用过程中的维护费用少，使用效果好，整个使用期内的费用比普通混凝土还要低。 4 结论 考察聚丙烯纤维混凝土的经济效益应从工程的全寿命周期出发，不能仅看材料成本，在屋面工程中采用聚丙烯纤维混凝土的初始成本即低于普通混凝土 8.92 元每平米。在道面工程中运用价值工程原理发现，聚丙烯混凝土在整个道路的运营周期可降低工程总费用。总体来看，聚丙烯纤维混凝土用在抗裂需求高的工程中具有实用性和优越性。 参考文献： 1孙玉龙等. 聚丙烯纤维对混凝土韧性的影响研究J. 科技创新导报, 2007 年 32
16、 期 2阎培渝等.水泥水化反应与混凝土自收缩的动力学模型J. 铁道科学与工程学报,2006 年 1 期 3郑欣.混凝土体积稳定性的测试方法J. 建筑技术,2005 年 4 期 4傅春松.聚丙烯纤维对现浇混凝土楼板非荷载裂缝影响的试验研究（硕士学位论文）.南宁：广西大学，2006 5 王梅.聚丙烯纤维混凝土在路面工程中的应用技术研究：（硕士学位论文）.南京：东南大学，2003 6 Ma.y. Effect of different geometric polypropylene fibers on plastic shrinkage cracking of cement mortars J. Materials and Structures, 2002,34(247) 7 黄定显,杜晓玲,曾铭.建筑经济与企业管理M.南昌:江西高校出版社，1996
