聚丙烯腈纖維混凝土的性能及應(yīng)用前景

宋 喬

河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院（450007）

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展,高性能混凝土的研究和應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,聚丙烯腈纖維混凝土則是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種性能優(yōu)異且應(yīng)用廣泛的新型復(fù)合材料。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。

聚丙烯腈纖維為束狀單絲纖維，色澤淡黃，直徑13 μm，長(zhǎng)度為6mm和12mm等,密度1.18 g/cm3，熔點(diǎn)≥220℃，抗拉強(qiáng)度≥800MPa，彈性模量≥16 GPa，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。

1 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(guò)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。

2 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1 d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，1 d至14 d的限裂等級(jí)均達(dá)到了一級(jí)。通過(guò)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(kāi)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(guò)裂縫或把纖維拉斷來(lái)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(guò)纖維提高了早期混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3 抗凍融耐久性

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(guò)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(guò)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3 GPa，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。

4 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。

[1]姚武,馮偉.聚丙烯腈纖維混凝土抗凍融耐久性的研究[J].工業(yè)建筑,2003,(11).

[2]鄧宗才,何維平.高性能腈綸纖維混凝土韌性評(píng)價(jià)方法[J].混凝土,2003,(11).