聚丙烯腈纤维在建筑工程中的应用

孙伟社

【摘 要】本文主要介绍建筑工程中混凝土出现的裂缝问题及其形成原因，分析了聚丙烯腈纤维在混凝土中的抗裂防渗中的用途及机理，对其在宁夏建筑工程中的应用情况重点做了介绍。

【关键词】建筑工程；裂缝；聚丙烯腈纤维；抗裂；防渗

0 引言

在宁夏近几年出现的建筑中，很多建筑工程都是超长超宽的结构，这类结构的梁、板等水平混凝土构件极易出现裂缝问题，而这种超长结构在国家相关规范中也没有明确的做法；还有些建筑物为了增大它的使用空间，采用了主体结构无缝设计，这就产生了一个问题，大面积混凝土梁板的裂缝，这个问题始终困扰着广大工程技术人员。

最近两年，宁夏广大工程技术人员尝试了许多方法来解决这个问题，如留伸缩缝、留后浇带、在混凝土中掺加膨胀剂等等，一些设计人员尝试在水泥混凝土中适量掺加聚丙烯腈纤维，使用纤维混凝土，使混凝土抗裂防渗问题得到了一定程度的解决；宁夏自治区建设厅对聚丙烯腈纤维在全区建筑工程领域中的应用进行了广泛推广。

1 聚丙烯腈纤维的技术参数

聚丙烯腈纤维是一种新材料，它是以纯丙烯腈（各种杂质的总含量应低于0.005%）为原料﹑以特殊工艺生产的，具有高弹模﹑高抗拉强度、耐腐蚀性好﹑具有良好亲水性的一种高科技产品，就是我们俗称的“腈纶”。聚丙烯腈的另一特点是：这种纤维单位体积内根数多，可达1.6～10亿根。根据纤维的间距理论，同等重量下纤维数量越多比表面积也就越大，从而使纤维与混凝土的粘结面也就越大，粘结的作用力就会提高，纤维将承担更多的开裂形成的拉应力，与其相应的纤维混凝土发挥的抗裂效果也就越加明显。因此，和其他纤维混凝土相比，聚丙烯腈纤维混凝土有着更良好的性能。

现以深圳某公司生产的路威2002II型聚丙烯腈纤维为例介绍：

聚丙烯腈纤维和其他合成纤维相比，具有亲水性强、单位重量根数多、抗渗效果好等优点。对于聚丙烯腈纤维在水泥混凝土中的掺加量，一般为每立方混凝土掺量为0.5～1.0公斤/立方，最高为1.0公斤/立方。目前，宁夏地区的建议掺加量为0.8公斤/立方砼；主要用于梁、板、剪力墙、地下车库等结构中，用来抗裂、防冻、结构防水等。

在水泥混凝土中掺加纤维是一种新技术，它是伴随着高强混凝土技术的推广运用而生的，该种高性能混凝土只是在原材料的基础上，又增加了一种新的复合材料，取其长而避其短，使混凝土能发挥更好的作用。聚丙烯腈纤维能较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发挥更高性能的良好途径。

2 聚丙烯腈纤维在混凝土中的作用

2.1 裂缝产生的原因

塑性裂缝产生原因：混凝土在完全凝固之前，强度极其微小，这个时候，如果周围环境温度很高或者风力很大，就会导致混凝土的表面失去水分速度过快，在混凝土中的微小缝隙中造成负压而是体积急剧收缩，这个时候，混凝土本身的强度很小，无法抵抗这种收缩，混凝土就会产生裂缝。所以，在混凝土浇筑时，周围温度越高、湿度低、风大，就会使混凝土中的水分蒸发的剧烈，早期裂缝也就越严重。

水泥混凝土的干缩裂缝大多出现在混凝土养护结束以后，由于混凝土内外水分蒸发程度不同、变形大小不一，而导致的裂缝。混凝土的表面受外部环境影响较大，水分蒸发的较快，变形就比较大，而混凝土内部，受环境影响较小，变形就比较小；外部较大的变形受到内部较小的变形的制约，就会产生拉应力，当拉应力大于混凝土本身的抗拉强度时，裂缝就产生了。所以，湿度越低，空气流动越大，混凝土越容易产生干缩裂缝。

2.2 聚丙烯腈纤维的作用

水泥混凝土中掺加聚丙烯腈纤维后，纤维能够有效阻止混凝土因干缩、塑性变形引起的裂缝的继续发展。

1）掺入聚丙烯腈纤维能够明显减少水泥混凝土的收缩变形，特别是在早期的时候。因为早期混凝土的塑性收缩力比较低，非常有利于发挥聚丙烯腈纤维的限缩性能。因此，在水泥混凝土中掺入聚丙烯腈纤维后，横七竖八分布的纤维能够有效控制水泥混凝土材料的塑性收缩，纤维承担了部分混凝土的收缩应力，提高了混凝土的韧性，有效控制了混凝土细微裂缝的继续扩散。

2）聚丙烯腈纤维在加入搅拌机经搅拌后，横七竖八乱向分布，就构成了一种三维立体乱向支撑体系，它一方面能降低混凝土的收缩应力，同时，因为纤维的加入，混凝土的粘聚力变大，使混凝土中的水分很难自由移动，减少了因水泥浆体的塑性收缩而导致混凝土开裂的概率。

3）聚丙烯腈纤维的直径比较小，仅有12.7um，在同等质量下，其根数就更多，每千克聚丙烯腈纤维的根数甚至能达到11亿根，相当于每立方厘米的纤维就有1100根之多。当纤维混凝土开裂的时候，纤维能跨在裂缝的两侧，靠着纤维与混凝土的拉结强度以及纤维本身的强度，使裂缝的宽度减小﹑变细。

4）聚丙烯腈纤维有较高的弹模，其弹性模量甚至与水泥差不多，当承受荷载时，纤维本身具有传递荷载的作用。在混凝土塑性发展阶段，纤维数量越多，纤维与水泥基材之间的界面吸附粘结力﹑机械啮合力等也会越大，纤维也将承担更大的塑性抗裂应力，这样，也就增加了混凝土抗裂的塑性强度。所以，聚丙烯腈纤维在混凝土的抵抗塑性裂缝方面更加优越。

3 聚丙烯腈纤维在宁夏建筑工程中的应用分析

近年来，在宁夏地区出现了许多新建的钢筋混凝土结构楼房的梁、板开裂或渗漏的严重问题。原因主要有以下几个方面：

1）结构设计及施工要求的变化。超长的大跨结构及高层建筑的不断增多；所使用的混凝土等级的不断提高，混凝土中水泥用量及标号的提高，施工工期的任意压缩。

2）片面提高混凝土的早期强度，导致混凝土中水泥水化热的急剧升高。对混凝土的抗裂作用产生了不良的影响。

3）混凝土中使用的外加剂与水泥的不相容性增多。这几年，为了提高混凝土的抗冻、抗裂、防渗等各种特性，不断掺入各种外加剂，这些外加剂，有的是物理作用，有的是化学发应作用，如果不认真研究，随意掺加，导致外加剂和水泥之间、外加剂和外加剂之间起反应。

4）混凝土浇筑的环境恶化，高强度混凝土的发展应用，钢筋的间距越来越密，对混凝土所起的约束作用也就更大。混凝土的振捣也就变得更加困难，混凝土的均匀性和整体性也就变得更差。从混凝土裂缝的产生原因分析，主要分为两类：一类是动﹑静荷载产生的裂缝，另一类是由变形引起的混凝土裂缝。当混凝土中的拉应力超过混凝土自身的抗拉强度时，混凝土就可能发生开裂。变形荷载引起的裂缝包括：由于温度应力﹑干缩﹑不均匀沉降等因素引起的混凝土变形。变形裂缝与时间密切相关，当混凝土的变形累积到一定程度时，就会开裂。就是说，当混凝土的应变超过其容许应变时，混凝土就产生裂缝。

针对这些裂缝问题，宁夏工程技术人员“对症下药”，采用了纤维混凝土技术，即在混凝土中掺入聚丙烯腈纤维。根据深圳海川工程科技有限公司参与编写的《纤维混凝土结构技术规程》（CECS38：2004），聚丙烯腈纤维的建议掺量为0.8公斤/立方砼。在宁夏自治区新博物馆工程、宁夏自治区新图书馆工程、宁夏自治区党委新区综合楼工程、宁夏电力局地下车库工程、中卫市行政中心综合办公楼工程、宁夏医学院新校区学生食堂工程、宁夏医科大学附属医院高层住宅1#2#楼、宁夏育才学校实验楼，科技楼，阶梯教室、银川市行政中心地下车库工程、宁夏日报社高层商住楼1#楼等10多个工程项目中得到了应用。这些工程大多数是自治区重点建设工程，对工程质量要求比较高，使用了聚丙烯腈纤维混凝土后，从根本上解决了混凝土的大面积裂缝问题。使用纤维混凝土这一理念也逐渐得到了广大设计人员和施工人员的认可。

4 小结

在宁夏，以前有些超长结构使用了杜拉纤维（聚丙烯纤维），是从美国进口的，造价比较高，掺量又比较多，所以没有得到大范围的应用。实践证明，聚丙烯腈纤维在掺入量只有杜拉纤维一半的情况下，就可以达到和聚丙烯纤维差不多的效果。加上现在聚丙烯腈纤维国内已经可以自己生产，所以价格也降下来了（每平方米楼板大概增加造价2元）；价格低廉又有更好的使用性能，因此在宁夏很快就得到了广泛的推广应用。

纤维在使用中也遇到了一些问题：不按照图纸掺加纤维，在混凝土中不掺或者少掺，偷工减料十分严重，业主和监理无法进行控制。《纤维混凝土结构技术规程》只给出了水洗法测定纤维的含量，但这只能在实验室中使用，在施工现场无法实际应用。能否有一种仪器或一种简单的试验方法能迅速测出混凝土中纤维的含量，值得我们探索。

【参考文献】

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[责任编辑：王楠]