PAN（聚丙烯腈）纖維在混凝土中的應(yīng)用

　　摘要：聚丙烯腈纖維是指由聚丙烯腈紡制的纖維或丙烯腈含量占85%以上的共聚物紡制而成的纖維。聚丙烯腈纖維又稱腈綸纖維，和聚丙烯纖維比具有更高的彈性模量，抗拉強(qiáng)度和抗紫外線性能和耐高溫和嚴(yán)寒性能。作為水泥混凝土和瀝青混凝土的主要加強(qiáng)筋可明顯提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度和抗彎拉強(qiáng)度，顯著改善混凝土早期的抗裂性能。用于瀝青中的顯著改善瀝青的粘結(jié)性、高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久性并且具有低溫防裂和防止反射裂縫的產(chǎn)生，有效提高抗拉、抗剪、抗壓和抗沖擊強(qiáng)度。聚丙烯腈纖維在混凝土中的真正作用和使用前景已經(jīng)被工程界認(rèn)識(shí)和接受。研究表明，與普通混凝土相比，聚丙烯腈纖維混凝土在抗折強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、耐久性、抗疲勞性等方面具有優(yōu)異的特性，在工程應(yīng)用中表現(xiàn)出的優(yōu)異性能使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞：聚丙烯腈纖維，混凝土

　　1 性質(zhì)

　　聚丙烯腈外觀為白色粉末狀，密度為1.14~1.15g/cm ，加熱至220~300℃時(shí)軟化并發(fā)生分解。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度：104℃。為白色或略帶黃色的不透明粉末；相對(duì)密度1.12，玻璃化溫度約90℃。它溶于二甲基甲酰胺、二甲基亞砜、環(huán)丁砜、硝酸亞乙基酯等極性有機(jī)溶劑，還能溶于硫氰酸鹽、過氯酸鹽、氯化鋅、溴化鋰等無機(jī)鹽的濃水溶液，以及濃硝酸等特殊溶劑。它的軟化溫度和分解溫度很接近，加熱至200℃以上也不熔化，而是逐漸著色，以至碳化。

　　聚丙烯腈纖維為束狀單絲纖維，色澤淡黃，直徑13μm，長(zhǎng)度為6mm 和12mm 等，密度1.18g/cm3，熔點(diǎn)≥220 ℃，抗拉強(qiáng)度≥800MPa，彈性模量≥16GPa，斷裂延伸率為15%~26%，含水率≤2%，具有較強(qiáng)的耐酸堿性、耐光性、耐熱性和抗水解性。

　　主要物化性質(zhì)：丙烯腈的均聚物或共聚物。通常其等規(guī)和間規(guī)比例大致相等，具有高的硬度和剛性，耐化學(xué)品、溶劑、光、熱和微生物，不易燃燒和焦化，低的氣體滲透性。同極性物質(zhì)相容性好。熔點(diǎn)317℃。溶于二甲基甲酰胺(DMF)硫酸二甲酯。加熱會(huì)變色。由懸浮聚合法制得的是白色固體粉末，溶于二甲基甲酰胺等有機(jī)溶劑或硫氰酸鹽等溶液中；由溶液聚合法制得的是聚丙烯腈溶液。

　　2 基本力學(xué)性能

　　混凝土的基本力學(xué)性能主要包括軸心抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和受壓彈性模量等幾方面。通過試驗(yàn)對(duì)比，聚丙烯腈纖維混凝土在以上幾項(xiàng)性能指標(biāo)中較普通混凝土均有不同程度的提高。在軸心抗壓強(qiáng)度方面，聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土的軸壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)貢獻(xiàn)不明顯，在纖維摻量為0.15%時(shí)，僅有不到9%的提升量；在劈裂抗拉強(qiáng)度方面，聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)則較明顯，在纖維摻量為0.15%時(shí)，則有近20%的提升量；在抗折強(qiáng)度方面，聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)也較明顯，在纖維摻量為0.15%時(shí)，則有近15%的提升量；在受壓彈性模量方面，聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土受壓彈性模量增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)則不明顯，在纖維摻量為0.15%時(shí)，僅有9%左右的提升量。聚丙烯腈纖維作為一種抗拉纖維材料，主要改善混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度，對(duì)軸心抗壓強(qiáng)度和受壓彈性模量的改善則有限。

　　3 抗裂性能

　　聚丙烯腈的摻入對(duì)混凝土的抗裂性能有較大的改善。試驗(yàn)證明，達(dá)到1d 齡期時(shí)，在聚丙烯腈纖維混凝土試件上未發(fā)現(xiàn)收縮裂縫，而在對(duì)比的素混凝土試件上可以觀測(cè)到少量的細(xì)微裂縫，聚丙烯腈纖維的摻入，可以延長(zhǎng)混凝土早期收縮裂縫出現(xiàn)的時(shí)間。聚丙烯腈纖維對(duì)混凝土的早期收縮裂縫能起到很好的抑制作用，1d 至14d 的限裂等級(jí)均達(dá)到了一級(jí)。通過對(duì)纖維混凝土內(nèi)部纖維分布圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，認(rèn)為聚丙烯腈纖維混凝土主要阻裂機(jī)理為:表層材料中的纖維使失水面積減少，水分遷移困難，使毛細(xì)管失水收縮形成的毛細(xì)管張力減小；塑性收縮階段，纖維材料與水泥基材之間的界面吸附粘結(jié)力、機(jī)械嚙合力等，增加了材料抵抗開裂的抗拉強(qiáng)度；纖維可分散收縮的能量，增加混凝土的韌性，同時(shí)緩解溫度變化引起的混凝土內(nèi)部應(yīng)力的作用；當(dāng)裂縫出現(xiàn)后，纖維限制了裂縫尖端發(fā)展，只能繞過裂縫或把纖維拉斷來克服纖維對(duì)裂縫發(fā)展的限制作用。聚丙烯腈纖維的阻裂效應(yīng)，主要體現(xiàn)在消除或減輕了早期混凝土中原生裂隙的發(fā)生和發(fā)展，通過纖維提高了早期混凝土的抗拉強(qiáng)度。

　　4 抗凍融耐

　　我國(guó)東北及西北嚴(yán)寒地區(qū)，較大的晝夜溫差使混凝土遭受頻繁的凍融破壞，使得混凝土大面積凍壞、脫落，嚴(yán)重影響了混凝土工程的安全使用。試驗(yàn)證明，C50 混凝土在摻加體積摻量大于0.1%的聚丙烯腈纖維后，不僅抗凍能力有較大的提高，而且凍融后抗壓強(qiáng)度也高于普通混凝土。均勻分布在混凝土中彼此相粘連的大量聚丙烯腈微細(xì)纖維起了“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水與集料的離析。同時(shí)由于亂向分布的微細(xì)纖維相互搭接阻礙了混凝土攪拌和成型過程中內(nèi)部空氣的溢出，使混凝土的含氣量增大，緩解了低溫循環(huán)過程中的靜水壓力和滲透壓力；由于微細(xì)纖維改善了混凝土的早期內(nèi)部缺陷，降低了原生裂隙尺度，及其本身承受荷載的拉結(jié)作用，所以提高了混凝土的抗拉極限應(yīng)變并改善了混凝土的抗拉行為特征。聚丙烯腈纖維的特點(diǎn)是它的彈性模量隨溫度的降低而提高，溫度由7.5 ℃變化至-17.5 ℃時(shí)，其彈性模量約提高3GPa，使其在混凝土中具有較強(qiáng)的傳遞荷載的能力和約束裂縫擴(kuò)展的能力。在凍結(jié)的時(shí)候彈性模量的顯著提高，更大程度地抵消了由于水結(jié)冰引起的膨脹力；在冰融化為水的時(shí)候，體積減小，由于纖維彈性模量降低，對(duì)釋放膨脹能有正面作用，減小了膨脹引起的體積增量，降低后序循環(huán)的吸入水分，從整體上增強(qiáng)了混凝土對(duì)環(huán)境的應(yīng)變能力，從而提高了抗凍性。

　　5 應(yīng)用前景

　　作為混凝土的次要加筋材料，聚丙烯腈纖維可明顯地提高混凝土的韌性及抗沖擊性能，并有效地阻止裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性等耐久性能。聚丙烯腈纖維作為瀝青混凝土的增強(qiáng)纖維，不僅可以大大改善瀝青路面的粘結(jié)性、高溫穩(wěn)定性、疲勞耐久性，并且具有低溫防裂和防止反射裂縫的性能。有效提高抗拉、抗剪、抗壓及抗沖擊強(qiáng)度。目前在高性能混凝土道路路面、橋梁面板、機(jī)場(chǎng)道面、堆石壩面板、抗震防爆等水泥混凝土工程以及高速公路、市政道路、機(jī)場(chǎng)路面、橋面鋪裝、收費(fèi)站等高等級(jí)瀝青路面工程等領(lǐng)域均已有了廣泛的應(yīng)用，并取得了較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。

　　5.1 應(yīng)用范圍

　　5.1.1應(yīng)用于水泥混凝土中

　　1)        混凝土預(yù)制板、構(gòu)件等水泥制品

　　2)        水泥混凝土道路、路面、橋面、機(jī)場(chǎng)跑道

　　3)        港口、深水碼頭、大橋及嚴(yán)寒地區(qū)的工程

　　4)        公路防撞檔墻、抗沖擊擋板

　　5)        蓄水池、游泳池、腐化池、污水處理池

　　6)        水利、水電工程中的面板壩

　　7)        地下室側(cè)墻、底板、頂板、屋面樓板等結(jié)構(gòu)的防水工程

　　8)        噴射、泵送混凝土

　　5.1.2應(yīng)用于瀝青混凝土

　　1)        新建瀝青路面面層

　　2)        舊瀝青路面罩面

　　3)        路面修補(bǔ)

　　4)        路面冷補(bǔ)、灌縫

　　5)        鋼結(jié)構(gòu)橋面鋪裝

　　5.2 主要功能

　　5.2.1用于水泥混凝土?xí)r

　　1)        有效提高水泥混凝土的抗裂能力

　?、佟∨c水泥粘結(jié)性好，對(duì)骨料起到承托作用，減少泌水并阻止沉降裂縫產(chǎn)生。

　?、凇≌{(diào)節(jié)含水量，避免水份蒸發(fā)過快而引起的干縮裂縫。

　　③　調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部因水化放熱及外部溫度變化的溫度應(yīng)力，降低裂縫水平。

　　2)        提高水泥混凝土的抗?jié)B性和抗凍性，增加耐久性纖維，大大減少了混凝土中毛細(xì)孔的尺度和連通毛細(xì)孔的數(shù)量，有效提高水泥混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

　　3)        降低混凝土的脆性，使已開裂的混凝土強(qiáng)度得到保障

　　4)        提高混凝土的耐磨能力，抗拉強(qiáng)度和韌性

　　5)        提高混凝土的抗沖擊性、抗震、抗龜裂能力

　　6)        大大提高混凝土的抗凍能力，有效提高耐久性

　　5.2.2用于瀝青混凝土?xí)r

　　1)        提高瀝青混凝土合料的分散作用

　　2)        在瀝青混合物中起到加強(qiáng)筋作用

　　3)        增加瀝青混合物的含油率，搞度粘接強(qiáng)度和穩(wěn)定性

　　4)        提高瀝青混合物的韌性和抗低溫能力

　　5)        減少永久變形，提高防滑耐磨能力

　　6)        減少溫度對(duì)瀝青路面的影響，提高瀝青路面的水穩(wěn)定性

　　6 添加聚丙烯腈纖維的瀝青路面性能特點(diǎn)

　　聚丙烯腈纖維能提高瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗疲勞性、抗剝落性和水穩(wěn)性。

　　6.1 吸附作用

　　聚丙烯腈纖維分散在瀝青中，其巨大的表面積成為浸潤(rùn)界面，可以充分吸收瀝青，使集料表面的瀝青膜厚度增大，有利于減緩瀝青老化。

　　6.2 穩(wěn)定作用

　　在瀝青混合料中，縱橫交錯(cuò)的纖維所吸附的瀝青，增大了結(jié)構(gòu)瀝青的比，使瀝青混合料的粘滯性增強(qiáng)，瀝青軟化點(diǎn)提高，有效提高了高溫穩(wěn)定性。

　　6.3 加筋作用

　　瀝青混合料中，纖維可以使瀝青礦粉適當(dāng)?shù)姆稚ⅲ鶆虻姆稚⒃诩现g，不會(huì)成為膠團(tuán)。

　　6.4 增粘作用

　　由于纖維吸附瀝青，增強(qiáng)了瀝青對(duì)集料顆粒的握裹力，通過油膜的粘結(jié)，提高集料之間的粘結(jié)力保證瀝青路面的整體性不易松散。

　　7 聚丙烯腈纖維對(duì)瀝青混合料路用性能的影響

　　7.1 瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性

　　高溫穩(wěn)定性采用60℃車轍試驗(yàn)。

　　動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)表明：減少瀝青用量，聚丙烯腈纖維瀝青混合料的抗車轍性能得到很大改善。這一試驗(yàn)結(jié)果與聚丙烯腈纖維瀝青混合料采用最佳瀝青用量的試驗(yàn)結(jié)果不同，本試驗(yàn)研究的目的就是采取適當(dāng)降低瀝青用量的方法來改善纖維混合料的高溫穩(wěn)定性，從試驗(yàn)結(jié)果可看出，這種方法是可行的。究其原因，纖維的吸附使得瀝青的粘稠度和粘聚力增大，同時(shí)由于縱橫交錯(cuò)的纖維具有“加筋”作用，另外瀝青用量的減少導(dǎo)致自由瀝青減少，使其潤(rùn)滑作用減弱，并使混合料具有較高的強(qiáng)度，因而混合料的抗車轍性能提高。

　　7.2 瀝青混合料的低溫抗裂性

　　為了分析瀝青混合料的低溫抗裂性，采用0℃彎曲試驗(yàn)。

　　加聚丙烯腈纖維瀝青混合料的抗裂性明顯優(yōu)于普通瀝青混合料，這說明摻加纖維可以較大幅度增加瀝青混合料的抗裂性。這主要是由于纖維本身具有的抗拉能力，使其在混合料中起著多向加筋作用，因而纖維混合料具有較好的低溫抗裂性。

　　7.3 瀝青混合料的水穩(wěn)定性

　　兩種瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果。

　　由于聚丙烯腈纖維對(duì)瀝青具有較強(qiáng)的吸附能力，導(dǎo)致吸附在礦料上的瀝青膜變厚，并減少了自由瀝青含量，提高了瀝青與集料的粘結(jié)力，加強(qiáng)了瀝青混合料中的瀝青與集料形成的界面膜抵抗水分剝離的能力，因而添加聚丙烯腈纖維的瀝青混合料表現(xiàn)出較高的殘留穩(wěn)定度，其抗水損害能力增強(qiáng)。

　　7.4 瀝青混合料的疲勞特性

　　瀝青混合料15℃疲勞試驗(yàn)。

　　在應(yīng)力水平不高時(shí)加聚丙烯腈纖維瀝青混合料較不加纖維瀝青混合料耐疲勞性好。當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，加纖維瀝青混合料的耐疲勞性有所下降。加入聚丙烯腈纖維后，在抗折試驗(yàn)中，纖維高強(qiáng)混凝土的總體破壞荷載略有提高，但提高比例有限。這主要是由于聚丙烯腈纖維屬于低彈性模量、高延伸率的聚合物纖維，將其摻入高強(qiáng)混凝土后，其抗折強(qiáng)度提高幅度并不多。在疲勞加載過程中，各個(gè)試件破壞前跨中撓度都比較小，裂縫一旦出現(xiàn)，便迅速擴(kuò)展到全截面，破壞具有一定的脆性，且破壞面幾乎發(fā)生在均勻受拉區(qū)域。隨著纖維摻量的提高，脆性破壞得到一定的緩解，具備一定的延性特征。

　　由于混凝土的不均質(zhì)性以及試驗(yàn)狀況和強(qiáng)度變異的影響，無論是高強(qiáng)混凝土還是聚丙烯腈纖維高強(qiáng)混凝土的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，均有一定的離散性。由圖4可以看出，隨著纖維摻量的提高，混凝土的疲勞壽命呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)，說明纖維的摻入對(duì)提高高強(qiáng)混凝土的疲勞壽命是有效的。纖維的摻入，降低了高強(qiáng)混凝土的脆性，提高了韌性，高效減水劑和粉煤灰的摻入，又使得水泥石的孔結(jié)構(gòu)得到改善，勻質(zhì)性增加，密實(shí)度和強(qiáng)度大大提高，且界面區(qū)結(jié)構(gòu)密實(shí)，不均勻性減小水泥石與集料之間的粘結(jié)性得到加強(qiáng)。因此，纖維高強(qiáng)粉煤灰路面混凝土較高強(qiáng)混凝土有較高的疲勞命。

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