一種高性能滲透可控混凝土模板襯墊的制備及性能研究*

魏發(fā)云 張 偉 張 瑜 代子薦 何克明 何佳佳

(1.南通大學(xué)杏林學(xué)院，南通，226019;2.南通大學(xué)紡織服裝學(xué)院，南通，226019)

混凝土表層的性能決定著其使用的耐久性?；炷翝仓^程中，在振搗器的振動(dòng)力和內(nèi)部壓力的作用下，過多的水和空氣會(huì)集聚在混凝土表層，倘若無法排出，混凝土硬化后其表層的結(jié)構(gòu)會(huì)比較粗糙，孔隙率很大，緊實(shí)致密性很低，易出現(xiàn)大的沙眼和裂痕，致使在使用過程中有害物質(zhì)能輕易穿透混凝土表層，破壞內(nèi)部的鋼筋結(jié)構(gòu)和核心部位，從而降低了混凝土的使用強(qiáng)度和壽命。由此可見，提高混凝土的表面性能可以提高其耐久性。目前，如何提高混凝土的耐久性已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。有研究表明［1-2］，在混凝土澆筑過程中，使用滲透可控混凝土模板襯墊(controlled permeability formwork liner，CPFL)可以提高混凝土的表面性能。CPFL又稱透水模板布。透水模板襯里是一種安裝在混凝土模板內(nèi)側(cè)的非織造材料，該襯里可以通過自身特殊的結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑過程中排出表層多余的水分和空氣，而混凝土顆粒無法通過［3-5］。在實(shí)際澆筑過程中采用高性能CPFL可以大大降低混凝土表層的水灰比，改善混凝土表層的致密性，提高表面光滑度，降低滲透性，從而提高混凝土的使用強(qiáng)度，延長(zhǎng)混凝土的耐久性［6-7］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)CPFL的研究主要集中在模板襯墊對(duì)混凝土表層性能的影響上，而對(duì)模板襯墊的制備工藝研究較少。本文選用三種不同線密度的聚丙烯(PP)纖維為原料，分別附加滌綸基布后，采用針刺工藝制成預(yù)制品，經(jīng)過優(yōu)化后進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，制成高性能的CPFL，研究工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能和透水性的影響，并進(jìn)行了混凝土澆筑試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料

PP 纖維：纖維線密度 1.67、2.75、4.44 dtex，熔點(diǎn)170℃，山東文登市堯峰化纖有限公司生產(chǎn)。

滌綸基布：滌綸紗線線密度55 dtex，福建華耀針織公司生產(chǎn)。

1.2 設(shè)備及儀器

FZG500給棉機(jī)、FZSCDZ梳理機(jī)、FZP1000鋪網(wǎng)機(jī)、FZZ-1000預(yù)針刺機(jī)，常熟市偉成非織造成套設(shè)備有限公司生產(chǎn);

YBG344-110主針刺機(jī)，儀征市海潤(rùn)紡織機(jī)械有限公司生產(chǎn);

熱軋機(jī)，江陰博路威機(jī)械有限公司生產(chǎn);

YT010-1000土工布綜合強(qiáng)力機(jī)、YT020土工布透水性測(cè)試儀，溫州大萊紡織儀器有限公司生產(chǎn);

YT050土工布摩擦試驗(yàn)儀，溫州際高檢測(cè)儀器有限公司生產(chǎn);

KYKY2800掃描電鏡，北京中科科儀股份有限公司生產(chǎn)。

1.3 模板襯墊的制備

對(duì)PP纖維進(jìn)行開松處理，附加滌綸基布;在不同的針刺工藝下制成纖維氈，并測(cè)定纖維氈的斷裂強(qiáng)力;根據(jù)測(cè)定結(jié)果優(yōu)選出性能最佳的樣品，再進(jìn)行熱軋?zhí)幚?，成型，制得CPFL。工藝流程如下：

PP纖維→手動(dòng)開松→梳理成網(wǎng)→斜簾往復(fù)鋪網(wǎng)→第一道預(yù)針刺→第二道預(yù)針刺→主針刺→熱軋→成品。

針刺過程中，其他工藝參數(shù)不變，改變針刺密度，分別設(shè)定為110、115、120和125刺/cm2。

熱軋過程中，CPFL的厚度和軋輥的速度保持不變，軋輥速度為2.0 m/min，改變熱軋溫度，分別設(shè)定為175、180、185 和190 ℃。

為方便敘述，對(duì)樣品按照“線密度-針刺密度-熱軋溫度”的形式進(jìn)行編號(hào)。例如：“2.75-115-180”表示PP纖維的線密度為2.75 dtex，針刺密度為115刺/cm2，熱軋溫度為180℃的試樣。

1.4 主要性能測(cè)試

(1)拉伸斷裂強(qiáng)力。采用YT010-1000土工布綜合強(qiáng)力機(jī)，根據(jù)GB/T15788—2005《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品寬條拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

(2)透水性。采用YT020型土工布透水性測(cè)試儀，根據(jù)GB/T15789—2005《土工布及其相關(guān)產(chǎn)品無負(fù)荷時(shí)垂直滲透特性的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。

(3)耐磨性能。采用YT050型土工布摩擦測(cè)試儀，根據(jù)GB/T17636—1998《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品抗磨損性能的測(cè)定紗布/滑塊法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維氈的拉伸性能

圖1是以不同線密度的PP纖維為原料，采用不同針刺密度制成的纖維氈的縱向和橫向拉伸斷裂強(qiáng)力。由圖1可知：纖維線密度為1.67 dtex的纖維氈的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力均過低，不能滿足實(shí)際使用的需求，因此不作為繼續(xù)研究的對(duì)象;2.75和4.44 dtex的纖維在針刺密度為110刺/cm2下制備的纖維氈縱向和橫向的斷裂強(qiáng)力都較低，主要因?yàn)樵谠撫槾堂芏认?，纖維氈的纖維之間纏結(jié)度較低，所以斷裂強(qiáng)力不高;當(dāng)針刺密度提高時(shí)，纖維氈的纖維之間相互纏結(jié)加劇，纏結(jié)度提升，斷裂強(qiáng)力升高;當(dāng)纖維線密度為2.75和4.44 dtex的纖維氈針刺密度進(jìn)一步提高至120和125刺/cm2時(shí)，由于針刺過程中部分纖維損傷，所以纖維氈的斷裂強(qiáng)力反而出現(xiàn)下降。由此可知，針刺密度對(duì)纖維氈的斷裂強(qiáng)力影響較大，故優(yōu)選115和120刺/cm2為制備CPFL的針刺工藝。

圖1 纖維氈的拉伸斷裂強(qiáng)力

2.2 CPFL的拉伸性能

圖2是采用不同針刺密度和不同熱軋溫度制得的CPFL試樣的縱橫向拉伸斷裂強(qiáng)力。從圖2可以看出：當(dāng)熱軋溫度低于185℃時(shí)，CPFL試樣的橫向拉伸斷裂強(qiáng)力隨溫度的升高略有增大，縱向拉伸斷裂強(qiáng)力隨著熱軋溫度的升高呈現(xiàn)明顯的增大;但是當(dāng)溫度超過185℃時(shí)，有些試樣強(qiáng)力反而下降。主要是原因是熱軋溫度高于PP的熔點(diǎn)，當(dāng)熱軋溫度較高時(shí)，軋輥傳遞給纖維氈表面的熱量比較充分，可以促使纖維氈表層部分纖維發(fā)生一定程度的熔融，同時(shí)伴隨著熔體的流動(dòng)和擴(kuò)散，形成了聚合物粘連纖維的黏合板塊［8］。當(dāng)熱軋溫度在185℃以下時(shí)，溫度越高纖維氈表層纖維發(fā)生熱熔黏合的面積就越大，樣品的拉伸斷裂強(qiáng)力也就越大;但是當(dāng)溫度超過185℃時(shí)，由于溫度過高，熱量傳遞過多，纖維過分熔融，反而破壞了纖維氈整體強(qiáng)力，試樣強(qiáng)力反而下降，所以熱軋溫度不宜超過185℃。因此，熱軋溫度優(yōu)化為180和185℃。

圖2 CPFL試樣的拉伸斷裂強(qiáng)力

2.3 CPFL的透水性能

圖3是采用不同針刺密度和不同熱軋溫度制得的CPFL試樣的透水率。在CPFL的使用強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的條件下，透水性嚴(yán)重影響混凝土的表面性能。四種樣品的力學(xué)性能均能達(dá)到使用要求，因此透水性直接決定了樣品的優(yōu)選。從圖3可以看出：2.75-120樣品的透水性最好，其余樣品的透水性基本接近;隨著熱軋溫度的升高，CPFL的透水率明顯降低。主要因?yàn)闊彳堖^程中，熱軋溫度的升高會(huì)加大纖維氈表層PP纖維的熔化黏合面積，黏合面積的增加會(huì)降低纖維氈表面的孔隙率，所以透水性下降。

根據(jù)在不同針刺密度和不同熱軋溫度下制得的CPFL的力學(xué)性能和透水性數(shù)據(jù)，優(yōu)選出樣品2.75-120-180 和樣品 4.44-115-180，對(duì)其進(jìn)行耐磨性和實(shí)際澆筑試驗(yàn)的對(duì)比。

圖3 CPFL試樣的透水率

2.4 CPFL的耐磨性能

圖4是樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180在橫向和縱向磨500次后的失重率和斷裂強(qiáng)力損失率數(shù)據(jù)。由圖4可以看出：兩個(gè)樣品的橫向和縱向磨后的失重率均較小，并且橫向和縱向磨后的失重率差別不大;樣品2.75-120-180的橫向和縱向磨后的斷裂強(qiáng)力損失率相差不大，而樣品4.44-115-180的橫向斷裂強(qiáng)力損失率較大，但縱向斷裂強(qiáng)力損失率較小。從失重率和斷裂強(qiáng)力損失率的整體情況來看，樣品2.75-120-180的耐磨性要比樣品4.4-115-180的耐磨性好。

2.5 CPFL 微觀形態(tài)

圖4 CPFL樣品耐磨性能測(cè)試數(shù)據(jù)

借助掃描電鏡拍攝了樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180的正面、反面以及橫截面的電鏡照片，見圖5。

從圖5樣品的電鏡照片中可以看出，樣品2.75-120-180的表面(正面)比樣品 4.44-115-180的表面略顯光滑，并且有空隙存在，說明CPFL在熱軋中表面的部分纖維確實(shí)發(fā)生了良好的熱融合，因而在混凝土澆筑的應(yīng)用中可以大大提高混凝土表面的光滑度，同時(shí)表面的空隙保持了良好的透水性。兩個(gè)樣品的反面依然是纖維氈的形態(tài)，可以看出大部分PP纖維針刺時(shí)發(fā)生了纏結(jié)，纖維間孔隙率很大，在進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)可以起到良好的導(dǎo)水作用。

2.6 混凝土實(shí)際澆筑

為了分析樣品2.75-120-180和樣品4.44-115-180的實(shí)際使用效果，進(jìn)行了混凝土的實(shí)際澆筑測(cè)試，并拍攝了未使用CPFL和使用CPFL的混凝土澆筑成型后的表面照片，見圖6。

圖5 樣品的電鏡照片

圖6 未使用CPFL和使用CPFL的混凝土澆筑成型后的表面照片

從圖6可以看出：未使用CPFL的混凝土澆筑成型后，其表面比較粗糙、疏松，表面有很大的沙眼和較多的裂痕，平整度較差;使用CPFL的混凝土澆筑成型后，其表面光滑度、平整度都得到了明顯的改善，尤其是使用樣品2.75-120-180的混凝土表面幾乎沒有沙眼和裂痕。主要原因是使用CPFL的混凝土在澆筑成型過程中，向外遷移排出的水分中攜帶的水泥顆粒受到CPFL正面的阻隔而滯留在混凝土表面，填充了混凝土表面大沙粒間的空隙、氣泡孔以及滲水通道，從而使混凝土表面變得光滑平整，致密度提高。其中，使用樣品2.75-120-180的混凝土表面光滑度比使用樣品4.44-115-180的混凝土表面光滑度要好，這與圖5電鏡照片中樣品2.75-120-180正面比樣品4.44-115-180正面的光滑度高相符。

3 結(jié)論

(1)在CPFL制備的過程中，原材料的選擇以及針刺和熱軋工藝對(duì)最終產(chǎn)品的性能都有很大的影響。

(2)原料纖維的線密度不能過低，否則其產(chǎn)品的力學(xué)性能不能滿足實(shí)際使用要求;在同樣的加工條件下，纖維線密度高，產(chǎn)品的透水性會(huì)有所下降。

(3)在熱軋過程中，熱軋溫度的升高可以提高CPFL的力學(xué)性能，但同時(shí)會(huì)降低其透水性;如果溫度過高，反而會(huì)使其力學(xué)性能和透水性都下降。

(4)在本試驗(yàn)中，以線密度為2.75 dtex的PP纖維為原料，控制針刺密度為120刺/cm2、熱軋溫度為180℃，可以制備出綜合性能最佳的最終產(chǎn)品，其澆筑后的效果最好。

［1］陳浩，夏華，沈志勇.透水襯里模板改善混凝土表層性能的研究［J］.建筑科學(xué)，2010，26(5)：19-27 .

［2］田正宏，白凱國(guó)，朱靜.透水模板布改善混凝土表層質(zhì)量試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，38(1)：146-150.

［3］陳浩，歐陽(yáng)欽，盧記軍.可控制滲透性模板內(nèi)襯對(duì)提高混凝土表層性能的研究［J］.混凝土，2008(10)：111-114.

［4］易忠來，謝永江，李化建，等.透水模板布對(duì)鐵路混凝土性能影響研究［J］.施工技術(shù)，2011，40(22)：47-49.

［5］McCARTHY M J，GIANNAKOU A，JONES M R.Comparative performance of chloride attenuating and corrosion inhibiting systems for reinforced concrete［J］.Materials and Structures，2004，37(10)：671-679.

［6］McCARTHY M J，GIANNAKOU A.In-situ performance of CPF concrete in a coastal environment［J］.Cement and Concrete Research，2002，32(3)：451-457.

［7］SCHUBEL P J，WARRIOR N A，ELLIOTT K S.An investigation into the criticalfactorsaffecting the performance of composite controlled permeable formwork liners：part I-Drainage medium［J］.Construction and Building Materials，2008，22(7)：1551-1559.

［8］趙愛景，程博聞，張偉力，等.PP/PET混合型熔噴保暖材料的研制［J］.化纖與紡織技術(shù)，2011，40(1)：6-8.