聚丙烯腈纤维混凝土的性能及应用前景

宋 乔

河南建筑职业技术学院（450007）

随着建筑行业的快速发展,高性能混凝土的研究和应用取得了长足的发展,聚丙烯腈纤维混凝土则是近年来发展起来的一种性能优异且应用广泛的新型复合材料。研究表明,与普通混凝土相比,聚丙烯腈纤维混凝土在抗折强度、抗弯强度、耐久性、抗疲劳性等方面具有优异的特性,在工程应用中表现出的优异性能使其具有更广阔的应用前景。

聚丙烯腈纤维为束状单丝纤维，色泽淡黄，直径13 μm，长度为6mm和12mm等,密度1.18 g/cm3，熔点≥220℃，抗拉强度≥800MPa，弹性模量≥16 GPa，断裂延伸率为15%～26%,含水率≤2%，具有较强的耐酸碱性、耐光性、耐热性和抗水解性。

1 基本力学性能

混凝土的基本力学性能主要包括轴心抗压强度、劈裂抗拉强度、抗折强度和受压弹性模量等几方面。通过试验对比,聚丙烯腈纤维混凝土在以上几项性能指标中较普通混凝土均有不同程度的提高。在轴心抗压强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土的轴压强度的增长贡献不明显,在纤维掺量为0.15%时，仅有不到9%的提升量；在劈裂抗拉强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土劈裂抗拉强度增长的贡献则较明显,在纤维掺量为0.15%时，则有近20%的提升量；在抗折强度方面，聚丙烯腈纤维对混凝土抗折强度增长的贡献也较明显,在纤维掺量为0.15%时，则有近15%的提升量；在受压弹性模量方面,聚丙烯腈纤维对混凝土受压弹性模量增长的贡献则不明显,在纤维掺量为0.15%时,仅有9%左右的提升量。聚丙烯腈纤维作为一种抗拉纤维材料,主要改善混凝土的劈裂抗拉强度及抗折强度,对轴心抗压强度和受压弹性模量的改善则有限。

2 抗裂性能

聚丙烯腈的掺入对混凝土的抗裂性能有较大的改善。试验证明，达到1 d龄期时，在聚丙烯腈纤维混凝土试件上未发现收缩裂缝,而在对比的素混凝土试件上可以观测到少量的细微裂缝，聚丙烯腈纤维的掺入，可以延长混凝土早期收缩裂缝出现的时间。聚丙烯腈纤维对混凝土的早期收缩裂缝能起到很好的抑制作用，1 d至14 d的限裂等级均达到了一级。通过对纤维混凝土内部纤维分布图及实验结果分析，认为聚丙烯腈纤维混凝土主要阻裂机理为:表层材料中的纤维使失水面积减少，水分迁移困难，使毛细管失水收缩形成的毛细管张力减小；塑性收缩阶段，纤维材料与水泥基材之间的界面吸附粘结力、机械啮合力等,增加了材料抵抗开裂的抗拉强度；纤维可分散收缩的能量,增加混凝土的韧性，同时缓解温度变化引起的混凝土内部应力的作用；当裂缝出现后，纤维限制了裂缝尖端发展，只能绕过裂缝或把纤维拉断来克服纤维对裂缝发展的限制作用。聚丙烯腈纤维的阻裂效应,主要体现在消除或减轻了早期混凝土中原生裂隙的发生和发展,通过纤维提高了早期混凝土的抗拉强度。

3 抗冻融耐久性

我国东北及西北严寒地区，较大的昼夜温差使混凝土遭受频繁的冻融破坏，使得混凝土大面积冻坏、脱落，严重影响了混凝土工程的安全使用。试验证明，C50混凝土在掺加体积掺量大于0.1%的聚丙烯腈纤维后,不仅抗冻能力有较大的提高，而且冻融后抗压强度也高于普通混凝土。均匀分布在混凝土中彼此相粘连的大量聚丙烯腈微细纤维起了 “承托”骨料的作用，降低了混凝土表面的析水与集料的离析。同时由于乱向分布的微细纤维相互搭接阻碍了混凝土搅拌和成型过程中内部空气的溢出,使混凝土的含气量增大，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力;由于微细纤维改善了混凝土的早期内部缺陷,降低了原生裂隙尺度，及其本身承受荷载的拉结作用,所以提高了混凝土的抗拉极限应变并改善了混凝土的抗拉行为特征。聚丙烯腈纤维的特点是它的弹性模量随温度的降低而提高,温度由7.5℃变化至-17.5℃时，其弹性模量约提高3 GPa，使其在混凝土中具有较强的传递荷载的能力和约束裂缝扩展的能力。在冻结的时候弹性模量的显著提高,更大程度地抵消了由于水结冰引起的膨胀力；在冰融化为水的时候，体积减小，由于纤维弹性模量降低，对释放膨胀能有正面作用，减小了膨胀引起的体积增量，降低后序循环的吸入水分，从整体上增强了混凝土对环境的应变能力，从而提高了抗冻性。

4 应用前景

作为混凝土的次要加筋材料，聚丙烯腈纤维可明显地提高混凝土的韧性及抗冲击性能,并有效地阻止裂缝的产生和发展，提高混凝土的抗渗性、抗冻性等耐久性能。聚丙烯腈纤维作为沥青混凝土的增强纤维,不仅可以大大改善沥青路面的粘结性、高温稳定性、疲劳耐久性,并且具有低温防裂和防止反射裂缝的性能。有效提高抗拉、抗剪、抗压及抗冲击强度。目前在高性能混凝土道路路面、桥梁面板、机场道面、堆石坝面板、抗震防爆等水泥混凝土工程以及高速公路、市政道路、机场路面、桥面铺装、收费站等高等级沥青路面工程等领域均已有了广泛的应用,并取得了较为可观的经济效益以及社会效益。

[1]姚武,冯伟.聚丙烯腈纤维混凝土抗冻融耐久性的研究[J].工业建筑,2003,(11).

[2]邓宗才,何维平.高性能腈纶纤维混凝土韧性评价方法[J].混凝土,2003,(11).