一种高性能渗透可控混凝土模板衬垫的制备及性能研究*

魏发云 张 伟 张 瑜 代子荐 何克明 何佳佳

(1.南通大学杏林学院，南通，226019;2.南通大学纺织服装学院，南通，226019)

混凝土表层的性能决定着其使用的耐久性。混凝土浇筑过程中，在振捣器的振动力和内部压力的作用下，过多的水和空气会集聚在混凝土表层，倘若无法排出，混凝土硬化后其表层的结构会比较粗糙，孔隙率很大，紧实致密性很低，易出现大的沙眼和裂痕，致使在使用过程中有害物质能轻易穿透混凝土表层，破坏内部的钢筋结构和核心部位，从而降低了混凝土的使用强度和寿命。由此可见，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经成为研究的热点。有研究表明［1-2］，在混凝土浇筑过程中，使用渗透可控混凝土模板衬垫(controlled permeability formwork liner，CPFL)可以提高混凝土的表面性能。CPFL又称透水模板布。透水模板衬里是一种安装在混凝土模板内侧的非织造材料，该衬里可以通过自身特殊的结构，在混凝土浇筑过程中排出表层多余的水分和空气，而混凝土颗粒无法通过［3-5］。在实际浇筑过程中采用高性能CPFL可以大大降低混凝土表层的水灰比，改善混凝土表层的致密性，提高表面光滑度，降低渗透性，从而提高混凝土的使用强度，延长混凝土的耐久性［6-7］。目前，国内对CPFL的研究主要集中在模板衬垫对混凝土表层性能的影响上，而对模板衬垫的制备工艺研究较少。本文选用三种不同线密度的聚丙烯(PP)纤维为原料，分别附加涤纶基布后，采用针刺工艺制成预制品，经过优化后进行热轧处理，制成高性能的CPFL，研究工艺参数对其力学性能和透水性的影响，并进行了混凝土浇筑试验。

1 试验部分

1.1 原料

PP 纤维：纤维线密度 1.67、2.75、4.44 dtex，熔点170℃，山东文登市尧峰化纤有限公司生产。

涤纶基布：涤纶纱线线密度55 dtex，福建华耀针织公司生产。

1.2 设备及仪器

FZG500给棉机、FZSCDZ梳理机、FZP1000铺网机、FZZ-1000预针刺机，常熟市伟成非织造成套设备有限公司生产;

YBG344-110主针刺机，仪征市海润纺织机械有限公司生产;

热轧机，江阴博路威机械有限公司生产;

YT010-1000土工布综合强力机、YT020土工布透水性测试仪，温州大莱纺织仪器有限公司生产;

YT050土工布摩擦试验仪，温州际高检测仪器有限公司生产;

KYKY2800扫描电镜，北京中科科仪股份有限公司生产。

1.3 模板衬垫的制备

对PP纤维进行开松处理，附加涤纶基布;在不同的针刺工艺下制成纤维毡，并测定纤维毡的断裂强力;根据测定结果优选出性能最佳的样品，再进行热轧处理，成型，制得CPFL。工艺流程如下：

PP纤维→手动开松→梳理成网→斜帘往复铺网→第一道预针刺→第二道预针刺→主针刺→热轧→成品。

针刺过程中，其他工艺参数不变，改变针刺密度，分别设定为110、115、120和125刺/cm2。

热轧过程中，CPFL的厚度和轧辊的速度保持不变，轧辊速度为2.0 m/min，改变热轧温度，分别设定为175、180、185 和190 ℃。

为方便叙述，对样品按照“线密度-针刺密度-热轧温度”的形式进行编号。例如：“2.75-115-180”表示PP纤维的线密度为2.75 dtex，针刺密度为115刺/cm2，热轧温度为180℃的试样。

1.4 主要性能测试

(1)拉伸断裂强力。采用YT010-1000土工布综合强力机，根据GB/T15788—2005《土工布及其有关产品宽条拉伸试验方法》进行测试。

(2)透水性。采用YT020型土工布透水性测试仪，根据GB/T15789—2005《土工布及其相关产品无负荷时垂直渗透特性的测定》进行测试。

(3)耐磨性能。采用YT050型土工布摩擦测试仪，根据GB/T17636—1998《土工布及其有关产品抗磨损性能的测定纱布/滑块法》进行测试。

2 结果与讨论

2.1 纤维毡的拉伸性能

图1是以不同线密度的PP纤维为原料，采用不同针刺密度制成的纤维毡的纵向和横向拉伸断裂强力。由图1可知：纤维线密度为1.67 dtex的纤维毡的纵横向拉伸断裂强力均过低，不能满足实际使用的需求，因此不作为继续研究的对象;2.75和4.44 dtex的纤维在针刺密度为110刺/cm2下制备的纤维毡纵向和横向的断裂强力都较低，主要因为在该针刺密度下，纤维毡的纤维之间缠结度较低，所以断裂强力不高;当针刺密度提高时，纤维毡的纤维之间相互缠结加剧，缠结度提升，断裂强力升高;当纤维线密度为2.75和4.44 dtex的纤维毡针刺密度进一步提高至120和125刺/cm2时，由于针刺过程中部分纤维损伤，所以纤维毡的断裂强力反而出现下降。由此可知，针刺密度对纤维毡的断裂强力影响较大，故优选115和120刺/cm2为制备CPFL的针刺工艺。

图1 纤维毡的拉伸断裂强力

2.2 CPFL的拉伸性能

图2是采用不同针刺密度和不同热轧温度制得的CPFL试样的纵横向拉伸断裂强力。从图2可以看出：当热轧温度低于185℃时，CPFL试样的横向拉伸断裂强力随温度的升高略有增大，纵向拉伸断裂强力随着热轧温度的升高呈现明显的增大;但是当温度超过185℃时，有些试样强力反而下降。主要是原因是热轧温度高于PP的熔点，当热轧温度较高时，轧辊传递给纤维毡表面的热量比较充分，可以促使纤维毡表层部分纤维发生一定程度的熔融，同时伴随着熔体的流动和扩散，形成了聚合物粘连纤维的黏合板块［8］。当热轧温度在185℃以下时，温度越高纤维毡表层纤维发生热熔黏合的面积就越大，样品的拉伸断裂强力也就越大;但是当温度超过185℃时，由于温度过高，热量传递过多，纤维过分熔融，反而破坏了纤维毡整体强力，试样强力反而下降，所以热轧温度不宜超过185℃。因此，热轧温度优化为180和185℃。

图2 CPFL试样的拉伸断裂强力

2.3 CPFL的透水性能

图3是采用不同针刺密度和不同热轧温度制得的CPFL试样的透水率。在CPFL的使用强度达标的条件下，透水性严重影响混凝土的表面性能。四种样品的力学性能均能达到使用要求，因此透水性直接决定了样品的优选。从图3可以看出：2.75-120样品的透水性最好，其余样品的透水性基本接近;随着热轧温度的升高，CPFL的透水率明显降低。主要因为热轧过程中，热轧温度的升高会加大纤维毡表层PP纤维的熔化黏合面积，黏合面积的增加会降低纤维毡表面的孔隙率，所以透水性下降。

根据在不同针刺密度和不同热轧温度下制得的CPFL的力学性能和透水性数据，优选出样品2.75-120-180 和样品 4.44-115-180，对其进行耐磨性和实际浇筑试验的对比。

图3 CPFL试样的透水率

2.4 CPFL的耐磨性能

图4是样品2.75-120-180和样品4.44-115-180在横向和纵向磨500次后的失重率和断裂强力损失率数据。由图4可以看出：两个样品的横向和纵向磨后的失重率均较小，并且横向和纵向磨后的失重率差别不大;样品2.75-120-180的横向和纵向磨后的断裂强力损失率相差不大，而样品4.44-115-180的横向断裂强力损失率较大，但纵向断裂强力损失率较小。从失重率和断裂强力损失率的整体情况来看，样品2.75-120-180的耐磨性要比样品4.4-115-180的耐磨性好。

2.5 CPFL 微观形态

图4 CPFL样品耐磨性能测试数据

借助扫描电镜拍摄了样品2.75-120-180和样品4.44-115-180的正面、反面以及横截面的电镜照片，见图5。

从图5样品的电镜照片中可以看出，样品2.75-120-180的表面(正面)比样品 4.44-115-180的表面略显光滑，并且有空隙存在，说明CPFL在热轧中表面的部分纤维确实发生了良好的热融合，因而在混凝土浇筑的应用中可以大大提高混凝土表面的光滑度，同时表面的空隙保持了良好的透水性。两个样品的反面依然是纤维毡的形态，可以看出大部分PP纤维针刺时发生了缠结，纤维间孔隙率很大，在进行混凝土浇筑时可以起到良好的导水作用。

2.6 混凝土实际浇筑

为了分析样品2.75-120-180和样品4.44-115-180的实际使用效果，进行了混凝土的实际浇筑测试，并拍摄了未使用CPFL和使用CPFL的混凝土浇筑成型后的表面照片，见图6。

图5 样品的电镜照片

图6 未使用CPFL和使用CPFL的混凝土浇筑成型后的表面照片

从图6可以看出：未使用CPFL的混凝土浇筑成型后，其表面比较粗糙、疏松，表面有很大的沙眼和较多的裂痕，平整度较差;使用CPFL的混凝土浇筑成型后，其表面光滑度、平整度都得到了明显的改善，尤其是使用样品2.75-120-180的混凝土表面几乎没有沙眼和裂痕。主要原因是使用CPFL的混凝土在浇筑成型过程中，向外迁移排出的水分中携带的水泥颗粒受到CPFL正面的阻隔而滞留在混凝土表面，填充了混凝土表面大沙粒间的空隙、气泡孔以及渗水通道，从而使混凝土表面变得光滑平整，致密度提高。其中，使用样品2.75-120-180的混凝土表面光滑度比使用样品4.44-115-180的混凝土表面光滑度要好，这与图5电镜照片中样品2.75-120-180正面比样品4.44-115-180正面的光滑度高相符。

3 结论

(1)在CPFL制备的过程中，原材料的选择以及针刺和热轧工艺对最终产品的性能都有很大的影响。

(2)原料纤维的线密度不能过低，否则其产品的力学性能不能满足实际使用要求;在同样的加工条件下，纤维线密度高，产品的透水性会有所下降。

(3)在热轧过程中，热轧温度的升高可以提高CPFL的力学性能，但同时会降低其透水性;如果温度过高，反而会使其力学性能和透水性都下降。

(4)在本试验中，以线密度为2.75 dtex的PP纤维为原料，控制针刺密度为120刺/cm2、热轧温度为180℃，可以制备出综合性能最佳的最终产品，其浇筑后的效果最好。

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