聚丙烯腈纖維在建筑工程中的應用

孫偉社

【摘 要】本文主要介紹建筑工程中混凝土出現的裂縫問題及其形成原因，分析了聚丙烯腈纖維在混凝土中的抗裂防滲中的用途及機理，對其在寧夏建筑工程中的應用情況重點做了介紹。

【關鍵詞】建筑工程；裂縫；聚丙烯腈纖維；抗裂；防滲

0 引言

在寧夏近幾年出現的建筑中，很多建筑工程都是超長超寬的結構，這類結構的梁、板等水平混凝土構件極易出現裂縫問題，而這種超長結構在國家相關規范中也沒有明確的做法；還有些建筑物為了增大它的使用空間，采用了主體結構無縫設計，這就產生了一個問題，大面積混凝土梁板的裂縫，這個問題始終困擾著廣大工程技術人員。

最近兩年，寧夏廣大工程技術人員嘗試了許多方法來解決這個問題，如留伸縮縫、留后澆帶、在混凝土中摻加膨脹劑等等，一些設計人員嘗試在水泥混凝土中適量摻加聚丙烯腈纖維，使用纖維混凝土，使混凝土抗裂防滲問題得到了一定程度的解決；寧夏自治區建設廳對聚丙烯腈纖維在全區建筑工程領域中的應用進行了廣泛推廣。

1 聚丙烯腈纖維的技術參數

聚丙烯腈纖維是一種新材料，它是以純丙烯腈（各種雜質的總含量應低于0.005%）為原料﹑以特殊工藝生產的，具有高彈模﹑高抗拉強度、耐腐蝕性好﹑具有良好親水性的一種高科技產品，就是我們俗稱的“腈綸”。聚丙烯腈的另一特點是：這種纖維單位體積內根數多，可達1.6～10億根。根據纖維的間距理論，同等重量下纖維數量越多比表面積也就越大，從而使纖維與混凝土的粘結面也就越大，粘結的作用力就會提高，纖維將承擔更多的開裂形成的拉應力，與其相應的纖維混凝土發揮的抗裂效果也就越加明顯。因此，和其他纖維混凝土相比，聚丙烯腈纖維混凝土有著更良好的性能。

現以深圳某公司生產的路威2002II型聚丙烯腈纖維為例介紹：

聚丙烯腈纖維和其他合成纖維相比，具有親水性強、單位重量根數多、抗滲效果好等優點。對于聚丙烯腈纖維在水泥混凝土中的摻加量，一般為每立方混凝土摻量為0.5～1.0公斤/立方，最高為1.0公斤/立方。目前，寧夏地區的建議摻加量為0.8公斤/立方砼；主要用于梁、板、剪力墻、地下車庫等結構中，用來抗裂、防凍、結構防水等。

在水泥混凝土中摻加纖維是一種新技術，它是伴隨著高強混凝土技術的推廣運用而生的，該種高性能混凝土只是在原材料的基礎上，又增加了一種新的復合材料，取其長而避其短，使混凝土能發揮更好的作用。聚丙烯腈纖維能較好的改善水泥混凝土的脆性，使其在建筑工程中使用的混凝土發揮更高性能的良好途徑。

2 聚丙烯腈纖維在混凝土中的作用

2.1 裂縫產生的原因

塑性裂縫產生原因：混凝土在完全凝固之前，強度極其微小，這個時候，如果周圍環境溫度很高或者風力很大，就會導致混凝土的表面失去水分速度過快，在混凝土中的微小縫隙中造成負壓而是體積急劇收縮，這個時候，混凝土本身的強度很小，無法抵抗這種收縮，混凝土就會產生裂縫。所以，在混凝土澆筑時，周圍溫度越高、濕度低、風大，就會使混凝土中的水分蒸發的劇烈，早期裂縫也就越嚴重。

水泥混凝土的干縮裂縫大多出現在混凝土養護結束以后，由于混凝土內外水分蒸發程度不同、變形大小不一，而導致的裂縫。混凝土的表面受外部環境影響較大，水分蒸發的較快，變形就比較大，而混凝土內部，受環境影響較小，變形就比較小；外部較大的變形受到內部較小的變形的制約，就會產生拉應力，當拉應力大于混凝土本身的抗拉強度時，裂縫就產生了。所以，濕度越低，空氣流動越大，混凝土越容易產生干縮裂縫。

2.2 聚丙烯腈纖維的作用

水泥混凝土中摻加聚丙烯腈纖維后，纖維能夠有效阻止混凝土因干縮、塑性變形引起的裂縫的繼續發展。

1）摻入聚丙烯腈纖維能夠明顯減少水泥混凝土的收縮變形，特別是在早期的時候。因為早期混凝土的塑性收縮力比較低，非常有利于發揮聚丙烯腈纖維的限縮性能。因此，在水泥混凝土中摻入聚丙烯腈纖維后，橫七豎八分布的纖維能夠有效控制水泥混凝土材料的塑性收縮，纖維承擔了部分混凝土的收縮應力，提高了混凝土的韌性，有效控制了混凝土細微裂縫的繼續擴散。

2）聚丙烯腈纖維在加入攪拌機經攪拌后，橫七豎八亂向分布，就構成了一種三維立體亂向支撐體系，它一方面能降低混凝土的收縮應力，同時，因為纖維的加入，混凝土的粘聚力變大，使混凝土中的水分很難自由移動，減少了因水泥漿體的塑性收縮而導致混凝土開裂的概率。

3）聚丙烯腈纖維的直徑比較小，僅有12.7um，在同等質量下，其根數就更多，每千克聚丙烯腈纖維的根數甚至能達到11億根，相當于每立方厘米的纖維就有1100根之多。當纖維混凝土開裂的時候，纖維能跨在裂縫的兩側，靠著纖維與混凝土的拉結強度以及纖維本身的強度，使裂縫的寬度減小﹑變細。

4）聚丙烯腈纖維有較高的彈模，其彈性模量甚至與水泥差不多，當承受荷載時，纖維本身具有傳遞荷載的作用。在混凝土塑性發展階段，纖維數量越多，纖維與水泥基材之間的界面吸附粘結力﹑機械嚙合力等也會越大，纖維也將承擔更大的塑性抗裂應力，這樣，也就增加了混凝土抗裂的塑性強度。所以，聚丙烯腈纖維在混凝土的抵抗塑性裂縫方面更加優越。

3 聚丙烯腈纖維在寧夏建筑工程中的應用分析

近年來，在寧夏地區出現了許多新建的鋼筋混凝土結構樓房的梁、板開裂或滲漏的嚴重問題。原因主要有以下幾個方面：

1）結構設計及施工要求的變化。超長的大跨結構及高層建筑的不斷增多；所使用的混凝土等級的不斷提高，混凝土中水泥用量及標號的提高，施工工期的任意壓縮。

2）片面提高混凝土的早期強度，導致混凝土中水泥水化熱的急劇升高。對混凝土的抗裂作用產生了不良的影響。

3）混凝土中使用的外加劑與水泥的不相容性增多。這幾年，為了提高混凝土的抗凍、抗裂、防滲等各種特性，不斷摻入各種外加劑，這些外加劑，有的是物理作用，有的是化學發應作用，如果不認真研究，隨意摻加，導致外加劑和水泥之間、外加劑和外加劑之間起反應。

4）混凝土澆筑的環境惡化，高強度混凝土的發展應用，鋼筋的間距越來越密，對混凝土所起的約束作用也就更大。混凝土的振搗也就變得更加困難，混凝土的均勻性和整體性也就變得更差。從混凝土裂縫的產生原因分析，主要分為兩類：一類是動﹑靜荷載產生的裂縫，另一類是由變形引起的混凝土裂縫。當混凝土中的拉應力超過混凝土自身的抗拉強度時，混凝土就可能發生開裂。變形荷載引起的裂縫包括：由于溫度應力﹑干縮﹑不均勻沉降等因素引起的混凝土變形。變形裂縫與時間密切相關，當混凝土的變形累積到一定程度時，就會開裂。就是說，當混凝土的應變超過其容許應變時，混凝土就產生裂縫。

針對這些裂縫問題，寧夏工程技術人員“對癥下藥”，采用了纖維混凝土技術，即在混凝土中摻入聚丙烯腈纖維。根據深圳海川工程科技有限公司參與編寫的《纖維混凝土結構技術規程》（CECS38：2004），聚丙烯腈纖維的建議摻量為0.8公斤/立方砼。在寧夏自治區新博物館工程、寧夏自治區新圖書館工程、寧夏自治區黨委新區綜合樓工程、寧夏電力局地下車庫工程、中衛市行政中心綜合辦公樓工程、寧夏醫學院新校區學生食堂工程、寧夏醫科大學附屬醫院高層住宅1#2#樓、寧夏育才學校實驗樓，科技樓，階梯教室、銀川市行政中心地下車庫工程、寧夏日報社高層商住樓1#樓等10多個工程項目中得到了應用。這些工程大多數是自治區重點建設工程，對工程質量要求比較高，使用了聚丙烯腈纖維混凝土后，從根本上解決了混凝土的大面積裂縫問題。使用纖維混凝土這一理念也逐漸得到了廣大設計人員和施工人員的認可。

4 小結

在寧夏，以前有些超長結構使用了杜拉纖維（聚丙烯纖維），是從美國進口的，造價比較高，摻量又比較多，所以沒有得到大范圍的應用。實踐證明，聚丙烯腈纖維在摻入量只有杜拉纖維一半的情況下，就可以達到和聚丙烯纖維差不多的效果。加上現在聚丙烯腈纖維國內已經可以自己生產，所以價格也降下來了（每平方米樓板大概增加造價2元）；價格低廉又有更好的使用性能，因此在寧夏很快就得到了廣泛的推廣應用。

纖維在使用中也遇到了一些問題：不按照圖紙摻加纖維，在混凝土中不摻或者少摻，偷工減料十分嚴重，業主和監理無法進行控制。《纖維混凝土結構技術規程》只給出了水洗法測定纖維的含量，但這只能在實驗室中使用，在施工現場無法實際應用。能否有一種儀器或一種簡單的試驗方法能迅速測出混凝土中纖維的含量，值得我們探索。

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[責任編輯：王楠]